振動時效工藝在大型焊接結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

丁延松，趙 巖

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽 473009）

0 引言

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

1 原理

振動時效（VSR）消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機(jī)理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：宏觀上，當(dāng)σ動 +σ殘 ≥σS 時（σ動——激振器施加給工件的周期性動應(yīng)力，σ殘——?dú)堄鄳?yīng)力，σS——材料屈服強(qiáng)度極限），工件會產(chǎn)生少量的塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值下降，原來不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化。同時由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)一定時間的循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強(qiáng)度由原來的σS上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)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(qiáng)化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定。 微觀上，因金屬具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動 +σ殘 ≤σS 時，也會產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機(jī)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(yīng)力集中而產(chǎn)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(qiáng)化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩(wěn)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(jī)進(jìn)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(shè)備將自動優(yōu)選最佳亞共振點(diǎn)共振時效半小時左右，并自動進(jìn)行振后掃頻和打印時效曲線作為質(zhì)檢依據(jù)，整個時效過程就完成了。在實(shí)際加工中，工件的重量、體積、結(jié)構(gòu)形狀具有多樣性，在振動時效前很準(zhǔn)確制定出各工藝參數(shù)，工件的主振頻率、輔振頻率、激振力及激振點(diǎn)和支承點(diǎn)位置等參數(shù)必須通過調(diào)整才能準(zhǔn)確得出。實(shí)際操作中常借鑒典型工件的工藝方案，總結(jié)形成適合：

2.1 根據(jù)振動時效工件可能出現(xiàn)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(yīng)用4點(diǎn)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(jié)線一般位于距支點(diǎn)(2/9)L處，實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)工件具體結(jié)構(gòu)形式采取兩點(diǎn)、三點(diǎn)或四點(diǎn)支承方式，對于冶金設(shè)備的重型梁架構(gòu)件，支點(diǎn)位置的設(shè)置可采用垂直平分線法，即以三個支點(diǎn)中心為頂點(diǎn)作三角形，三角形三條邊垂直平分線 與邊緣線的交點(diǎn)位置為激振器的固定區(qū)域。經(jīng)實(shí)踐經(jīng)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(diǎn)為三點(diǎn)(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(diǎn)(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(cè)兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。

3）圓板型件

一般采用3點(diǎn)(互成120度)或4點(diǎn)(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(cè)兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。

4）方箱型件

一般采用3點(diǎn)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(jī)械產(chǎn)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(dú)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(jìn)行振動使工件同時產(chǎn)生共振，達(dá)到與對單個大型工件振動同樣的效果。平臺的結(jié)構(gòu)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(diǎn)支撐，工件呈縱向放置。對軸類、法蘭類零件及機(jī)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(guī)工件的支撐與激振器的裝卡位置，具體情況還需要反復(fù)試驗(利用手動工作模式)來找出合適的振動時效工藝參數(shù)。

2.2 時效處理的頻率、波峰波節(jié)、支撐點(diǎn)的選擇

利用手動掃頻到被振工件發(fā)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(jié)，反之為波峰，共振頻率是在電流和加速度值最大時相對應(yīng)的頻率。波峰、波節(jié)要反復(fù)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(yīng)根據(jù)工件的不同材質(zhì).幾何形狀.剛度的大小及重量等因素來確定。實(shí)驗和國內(nèi)外的資料證明，工件的動應(yīng)力應(yīng)在20mpa～35mpa之間。焊接件大一些(35mpa)鑄件小一些(20mpa)效果較好。動應(yīng)力的大小可用動態(tài)電阻應(yīng)變儀來測定，若無儀器，可根據(jù)被振工件的形態(tài)依據(jù)材料力學(xué)介紹的永硐胩逵來進(jìn)行估算。動應(yīng)力大小的調(diào)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(shí)現(xiàn)。實(shí)際操作中可以經(jīng)驗先選定一偏心距，再逐級調(diào)節(jié)，以避免振前掃描時出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

2.4 振動時間的選擇

各種零件的結(jié)構(gòu)和重量不同，殘余應(yīng)力的大小和分布不同，振動時效時選用的振動時間也應(yīng)有所不同。目前在生產(chǎn)實(shí)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(shù)：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(yīng)（即共振峰、振幅）、激振器的激振力變化（即電流或功率等參數(shù)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(yīng)從振動時效前后殘余應(yīng)力檢測、振動時效工藝曲線和振動時效工件的實(shí)際使用效果等方面進(jìn)行綜合考察。

3 結(jié)論

振動時效對降低或勻化金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高抗動載變形能力，穩(wěn)定尺寸精度和防止裂紋有非常好的效果：

1）降低工件內(nèi)殘余應(yīng)力（峰值）30%-80%，與傳統(tǒng)的熱時效（TSR）相當(dāng)，工件無氧化脫碳現(xiàn)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(yīng)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(jié)構(gòu)件和多種材料組合的結(jié)構(gòu)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(huán)境、工序和工件形狀限制的處理方法。

振動時效工藝的應(yīng)用還可以帶來較大的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)設(shè)備單臺投資一般在人民幣10萬元以下，維護(hù)費(fèi)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(hù)費(fèi)用在4～5萬元左右，其建設(shè)周期一般為2～3個月。

2）振動時效運(yùn)行費(fèi)用低 熱時效工藝處理的工件耗能折合標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境差其工時費(fèi)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(huán)境保護(hù) 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(chǎn)生約73.5kg的二氧化硫，同時還產(chǎn)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(chǎn)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。