振动时效工艺在大型焊接结构件中的应用

丁延松，赵 岩

（河南工业职业技术学院，南阳 473009）

0 引言

金属结构件在铸造、焊接、锻压和机械切削加工过程中，由于热胀冷缩和机械力造成的变形，在工件内部产生残余应力，致使工件处于不稳定状态，降低工件的尺寸稳定性和机械物理性能，使工件在成品后使用过程中因残余应力的释放而产生变形和失效。尤其是大型焊接件焊接后必然会有残余应力，残余应力是导致其变形或者开裂的重要原因，因此有必要对这些工件进行消除残余应力的时效处理。时效有自然时效、热时效和振动时效三种基本工艺技术。自然时效是将工件长时间露天放置（一般长达六个月至一年左右），利用环境温度的季节性变化和时间效应使残余应力释放；热时效是用炉窑将金属结构件加热到一定温度，保温后控制降温，达到消除残余应力的目的，可以保证加工精度和防止裂纹产生；振动时效是使用振动时效设备，对工件进行半小时左右的亚共振振动，消除残余应力的时效技术。自然时效由于时效周期太长，不能满足生产进度要求，不可能应用；热时效设备投资较大，时效成本很高，生产效率较低，应用有难度；振动时效设备投资少，生产效率高，时效成本低，是比较理想的。通过对三种时效技术的综合分析比较，决定采用振动时效技术。振动时效（VSR）工艺其原理是用振动消除残余应力，可达到TSR工艺的同样效果，并在许多性能指标上超过热时效。振动时效工艺耗能少（是热时效的2%左右）、设备投资少和效率高，其在节能、减少环境污染和提高产品性能方面有卓越的表现，使得这一高新技术在各行各业中有广泛的应用前景。

1 原理

振动时效（VSR）消除残余应力使工件获得尺寸稳定性的机理可以从宏观和微观两方面解释：宏观上，当σ动 +σ残 ≥σS 时（σ动——激振器施加给工件的周期性动应力，σ残——残余应力，σS——材料屈服强度极限），工件会产生少量的塑性变形，使残余应力峰值下降，原来不稳定的残余应力得到松弛和匀化。同时由于包辛格效应，经一定时间的循环后，工件材料的当量屈服强度由原来的σS上升，直到与所受的应力相等，工件内部不再产生新的塑性变形，此时塑性变形变成弹性变形，工件的弹性性能得到强化，从而使工件的几何尺寸趋于稳定。 微观上，因金属具有将机械能转变成热能的性质，即使在σ动 +σ残 ≤σS 时，也会产生微观的塑性变形。其机理为：由振动输入的活化能使位错移动，在位错塞积群的前沿引起应力集中而产生塑性变形；同时，迁移的位错切割位错群，以致使位错钉孔，材料基体得到强化，使松弛刚度增大，工件获得尺寸稳定性。

2 工艺方案

振动时效的工艺过程很简便。首先用胶垫支撑好工件，然后将激振器和测振器固定在工件上，就可以开机进行振动时效处理了。如果使用全自动工艺，先是振前扫频搜寻共振峰，找到共振峰后，设备将自动优选最佳亚共振点共振时效半小时左右，并自动进行振后扫频和打印时效曲线作为质检依据，整个时效过程就完成了。在实际加工中，工件的重量、体积、结构形状具有多样性，在振动时效前很准确制定出各工艺参数，工件的主振频率、辅振频率、激振力及激振点和支承点位置等参数必须通过调整才能准确得出。实际操作中常借鉴典型工件的工艺方案，总结形成适合：

2.1 根据振动时效工件可能出现的振型，合理地支撑工件及装卡激振器的位置

1）梁型件

支撑一般应用4点距一端2/9和7/9处。激振器一般装卡在中间波峰附近，加速度计安装在一端的波峰附近。主振频率多以弯振型较多,其节线一般位于距支点(2/9)L处，实际工作中应根据工件具体结构形式采取两点、三点或四点支承方式，对于冶金设备的重型梁架构件，支点位置的设置可采用垂直平分线法，即以三个支点中心为顶点作三角形，三角形三条边垂直平分线 与边缘线的交点位置为激振器的固定区域。经实践经验表明，振动中阻力较小，易获得振幅较大的共振及振动效果。

2）板型件

板型工件随着长宽比不同，其主振型有弯曲振型和扭曲振型。长宽比小的工件常为扭曲振型，支撑点为三点(互成120度) ；长宽比大的工件主振型一般为弯弯振型，采用4点(对角)支撑再边缘处，激振器一般装卡在两橡胶垫中间边缘波峰附近，加速度计安装在一侧两橡胶垫中间边缘的波峰附近。

3）圆板型件

一般采用3点(互成120度)或4点(对角)支撑再边缘处，激振器一般装卡在两橡胶垫中间边缘波峰附近，加速度计安装在一侧两橡胶垫中间边缘的波峰附近。

4）方箱型件

一般采用3点支撑再较长的边缘处，激振器一般装卡在上边钢性较大的边缘波峰附近，加速度计安装在边缘的波峰附近。

5）小型件平台振动

大部分机械产品均为几公斤至几百公斤的小型件，因重量、体积过小无法单独振动，常采用平台振动时效法，即将批量工件安装至特制平台上，对平台进行振动使工件同时产生共振，达到与对单个大型工件振动同样的效果。平台的结构为长矩形（长宽比3:4），厚度50～80mm，激振器采用夹持或螺孔安装，平台主振型为弯曲振型，以四点支撑，工件呈纵向放置。对轴类、法兰类零件及机加工后不便于热处理的工件的处理效果较显著。

上述只是简要的介绍一般常规工件的支撑与激振器的装卡位置，具体情况还需要反复试验(利用手动工作模式)来找出合适的振动时效工艺参数。

2.2 时效处理的频率、波峰波节、支撑点的选择

利用手动扫频到被振工件发出较大的振动声时，往工件上撒一些沙子，沙子会剧烈的跳动，沙子聚拢处为波节，反之为波峰，共振频率是在电流和加速度值最大时相对应的频率。波峰、波节要反复找多次，使支撑更加合理。

2.3 激振力的选择

激振力大小的选择应根据工件的不同材质.几何形状.刚度的大小及重量等因素来确定。实验和国内外的资料证明，工件的动应力应在20mpa～35mpa之间。焊接件大一些(35mpa)铸件小一些(20mpa)效果较好。动应力的大小可用动态电阻应变仪来测定，若无仪器，可根据被振工件的形态依据材料力学介绍的永硐胩逵来进行估算。动应力大小的调整是通过改变激振力的大小来完成的，改变激振力是通过改变激振器的偏心距来实现。实际操作中可以经验先选定一偏心距，再逐级调节，以避免振前扫描时出现过载现象。

2.4 振动时间的选择

各种零件的结构和重量不同，残余应力的大小和分布不同，振动时效时选用的振动时间也应有所不同。目前在生产实践中，一般采用下列几种方法来快速确定振动时效的时间参数：按零件的重量来确定振动时间；按零件振动过程中塑性变型基本停止的时间来确定振动时间；按零件振动过程中的振动响应（即共振峰、振幅）、激振器的激振力变化（即电流或功率等参数的变化）来确定振动时间。

2.5 振动时效工艺效果

为了评价振动时效工艺效果，应从振动时效前后残余应力检测、振动时效工艺曲线和振动时效工件的实际使用效果等方面进行综合考察。

3 结论

振动时效对降低或匀化金属结构件的残余应力，提高抗动载变形能力，稳定尺寸精度和防止裂纹有非常好的效果：

1）降低工件内残余应力（峰值）30%-80%，与传统的热时效（TSR）相当，工件无氧化脱碳现象，无需清理氧化皮，减少了辅助工时。

2）与热时效相比提高了工件抗载荷变形能力，振动时效工艺的应用使工件抗静载变形能力提高30%以上，抗动载变形能力提高1～3倍多。

3）是目前超大型结构件和多种材料组合的结构件唯一时效方法，振动时效还适用于二次时效（一般在半精加工后），是唯一不受场地、环境、工序和工件形状限制的处理方法。

振动时效工艺的应用还可以带来较大的经济效益，主要包含三个方面：

1）振动时效投资少，见效快 振动时效国产设备单台投资一般在人民币10万元以下，维护费用一年约3-4千元左右。而一个20平方米的炉窑投资在人民币35～40万元左右，每年的维护费用在4～5万元左右，其建设周期一般为2～3个月。

2）振动时效运行费用低 热时效工艺处理的工件耗能折合标准煤约140～240kg/吨，需人工约2～3工时/吨，其中不包含后期去氧化皮的人工工时，由于工作环境差其工时费用高。振动时效工艺的耗能仅为热时效的1～2%，需人工0.1～0.2工时/吨。

3）振动时效有利于环境保护 热时效处理使用的能源主要是重油、二氧化碳、天然气和原煤，以使用的最广泛的重油为例，每吨重油燃烧后产生约73.5kg的二氧化硫，同时还产生二氧化碳等其他有害气体，而污染最小的天然气通过燃烧也将产生四倍的废气，目前我国用于热时效的重油上万吨，天然气上百万立方，由于分布面广，未能引起重视，但的确是一个不容忽视的污染源，其造成的间接损失不可估量。