振動時效工藝在大型焊接結構件中的應用

丁延松，趙 巖

（河南工業職業技術學院，南陽 473009）

0 引言

金屬結構件在鑄造、焊接、鍛壓和機械切削加工過程中，由于熱脹冷縮和機械力造成的變形，在工件內部產生殘余應力，致使工件處于不穩定狀態，降低工件的尺寸穩定性和機械物理性能，使工件在成品后使用過程中因殘余應力的釋放而產生變形和失效。尤其是大型焊接件焊接后必然會有殘余應力，殘余應力是導致其變形或者開裂的重要原因，因此有必要對這些工件進行消除殘余應力的時效處理。時效有自然時效、熱時效和振動時效三種基本工藝技術。自然時效是將工件長時間露天放置（一般長達六個月至一年左右），利用環境溫度的季節性變化和時間效應使殘余應力釋放；熱時效是用爐窯將金屬結構件加熱到一定溫度，保溫后控制降溫，達到消除殘余應力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產生；振動時效是使用振動時效設備，對工件進行半小時左右的亞共振振動，消除殘余應力的時效技術。自然時效由于時效周期太長，不能滿足生產進度要求，不可能應用；熱時效設備投資較大，時效成本很高，生產效率較低，應用有難度；振動時效設備投資少，生產效率高，時效成本低，是比較理想的。通過對三種時效技術的綜合分析比較，決定采用振動時效技術。振動時效（VSR）工藝其原理是用振動消除殘余應力，可達到TSR工藝的同樣效果，并在許多性能指標上超過熱時效。振動時效工藝耗能少（是熱時效的2%左右）、設備投資少和效率高，其在節能、減少環境污染和提高產品性能方面有卓越的表現，使得這一高新技術在各行各業中有廣泛的應用前景。

1 原理

振動時效（VSR）消除殘余應力使工件獲得尺寸穩定性的機理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：宏觀上，當σ動 +σ殘 ≥σS 時（σ動——激振器施加給工件的周期性動應力，σ殘——殘余應力，σS——材料屈服強度極限），工件會產生少量的塑性變形，使殘余應力峰值下降，原來不穩定的殘余應力得到松弛和勻化。同時由于包辛格效應，經一定時間的循環后，工件材料的當量屈服強度由原來的σS上升，直到與所受的應力相等，工件內部不再產生新的塑性變形，此時塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩定。 微觀上，因金屬具有將機械能轉變成熱能的性質，即使在σ動 +σ殘 ≤σS 時，也會產生微觀的塑性變形。其機理為：由振動輸入的活化能使位錯移動，在位錯塞積群的前沿引起應力集中而產生塑性變形；同時，遷移的位錯切割位錯群，以致使位錯釘孔，材料基體得到強化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩定性。

2 工藝方案

振動時效的工藝過程很簡便。首先用膠墊支撐好工件，然后將激振器和測振器固定在工件上，就可以開機進行振動時效處理了。如果使用全自動工藝，先是振前掃頻搜尋共振峰，找到共振峰后，設備將自動優選最佳亞共振點共振時效半小時左右，并自動進行振后掃頻和打印時效曲線作為質檢依據，整個時效過程就完成了。在實際加工中，工件的重量、體積、結構形狀具有多樣性，在振動時效前很準確制定出各工藝參數，工件的主振頻率、輔振頻率、激振力及激振點和支承點位置等參數必須通過調整才能準確得出。實際操作中常借鑒典型工件的工藝方案，總結形成適合：

2.1 根據振動時效工件可能出現的振型，合理地支撐工件及裝卡激振器的位置

1）梁型件

支撐一般應用4點距一端2/9和7/9處。激振器一般裝卡在中間波峰附近，加速度計安裝在一端的波峰附近。主振頻率多以彎振型較多,其節線一般位于距支點(2/9)L處，實際工作中應根據工件具體結構形式采取兩點、三點或四點支承方式，對于冶金設備的重型梁架構件，支點位置的設置可采用垂直平分線法，即以三個支點中心為頂點作三角形，三角形三條邊垂直平分線 與邊緣線的交點位置為激振器的固定區域。經實踐經驗表明，振動中阻力較小，易獲得振幅較大的共振及振動效果。

2）板型件

板型工件隨著長寬比不同，其主振型有彎曲振型和扭曲振型。長寬比小的工件常為扭曲振型，支撐點為三點(互成120度) ；長寬比大的工件主振型一般為彎彎振型，采用4點(對角)支撐再邊緣處，激振器一般裝卡在兩橡膠墊中間邊緣波峰附近，加速度計安裝在一側兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。

3）圓板型件

一般采用3點(互成120度)或4點(對角)支撐再邊緣處，激振器一般裝卡在兩橡膠墊中間邊緣波峰附近，加速度計安裝在一側兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。

4）方箱型件

一般采用3點支撐再較長的邊緣處，激振器一般裝卡在上邊鋼性較大的邊緣波峰附近，加速度計安裝在邊緣的波峰附近。

5）小型件平臺振動

大部分機械產品均為幾公斤至幾百公斤的小型件，因重量、體積過小無法單獨振動，常采用平臺振動時效法，即將批量工件安裝至特制平臺上，對平臺進行振動使工件同時產生共振，達到與對單個大型工件振動同樣的效果。平臺的結構為長矩形（長寬比3:4），厚度50～80mm，激振器采用夾持或螺孔安裝，平臺主振型為彎曲振型，以四點支撐，工件呈縱向放置。對軸類、法蘭類零件及機加工后不便于熱處理的工件的處理效果較顯著。

上述只是簡要的介紹一般常規工件的支撐與激振器的裝卡位置，具體情況還需要反復試驗(利用手動工作模式)來找出合適的振動時效工藝參數。

2.2 時效處理的頻率、波峰波節、支撐點的選擇

利用手動掃頻到被振工件發出較大的振動聲時，往工件上撒一些沙子，沙子會劇烈的跳動，沙子聚攏處為波節，反之為波峰，共振頻率是在電流和加速度值最大時相對應的頻率。波峰、波節要反復找多次，使支撐更加合理。

2.3 激振力的選擇

激振力大小的選擇應根據工件的不同材質.幾何形狀.剛度的大小及重量等因素來確定。實驗和國內外的資料證明，工件的動應力應在20mpa～35mpa之間。焊接件大一些(35mpa)鑄件小一些(20mpa)效果較好。動應力的大小可用動態電阻應變儀來測定，若無儀器，可根據被振工件的形態依據材料力學介紹的永硐胩逵來進行估算。動應力大小的調整是通過改變激振力的大小來完成的，改變激振力是通過改變激振器的偏心距來實現。實際操作中可以經驗先選定一偏心距，再逐級調節，以避免振前掃描時出現過載現象。

2.4 振動時間的選擇

各種零件的結構和重量不同，殘余應力的大小和分布不同，振動時效時選用的振動時間也應有所不同。目前在生產實踐中，一般采用下列幾種方法來快速確定振動時效的時間參數：按零件的重量來確定振動時間；按零件振動過程中塑性變型基本停止的時間來確定振動時間；按零件振動過程中的振動響應（即共振峰、振幅）、激振器的激振力變化（即電流或功率等參數的變化）來確定振動時間。

2.5 振動時效工藝效果

為了評價振動時效工藝效果，應從振動時效前后殘余應力檢測、振動時效工藝曲線和振動時效工件的實際使用效果等方面進行綜合考察。

3 結論

振動時效對降低或勻化金屬結構件的殘余應力，提高抗動載變形能力，穩定尺寸精度和防止裂紋有非常好的效果：

1）降低工件內殘余應力（峰值）30%-80%，與傳統的熱時效（TSR）相當，工件無氧化脫碳現象，無需清理氧化皮，減少了輔助工時。

2）與熱時效相比提高了工件抗載荷變形能力，振動時效工藝的應用使工件抗靜載變形能力提高30%以上，抗動載變形能力提高1～3倍多。

3）是目前超大型結構件和多種材料組合的結構件唯一時效方法，振動時效還適用于二次時效（一般在半精加工后），是唯一不受場地、環境、工序和工件形狀限制的處理方法。

振動時效工藝的應用還可以帶來較大的經濟效益，主要包含三個方面：

1）振動時效投資少，見效快 振動時效國產設備單臺投資一般在人民幣10萬元以下，維護費用一年約3-4千元左右。而一個20平方米的爐窯投資在人民幣35～40萬元左右，每年的維護費用在4～5萬元左右，其建設周期一般為2～3個月。

2）振動時效運行費用低 熱時效工藝處理的工件耗能折合標準煤約140～240kg/噸，需人工約2～3工時/噸，其中不包含后期去氧化皮的人工工時，由于工作環境差其工時費用高。振動時效工藝的耗能僅為熱時效的1～2%，需人工0.1～0.2工時/噸。

3）振動時效有利于環境保護 熱時效處理使用的能源主要是重油、二氧化碳、天然氣和原煤，以使用的最廣泛的重油為例，每噸重油燃燒后產生約73.5kg的二氧化硫，同時還產生二氧化碳等其他有害氣體，而污染最小的天然氣通過燃燒也將產生四倍的廢氣，目前我國用于熱時效的重油上萬噸，天然氣上百萬立方，由于分布面廣，未能引起重視，但的確是一個不容忽視的污染源，其造成的間接損失不可估量。