南宁震动消除焊接应力 时效振动去应力

对于振动过程的机理,国内外已经进行了大量的研究工作,取得以下的共识。振动就是对金属构件施加周期性的作用力(动应力R动)。在振动过程中,施加到金属构件各部分的动应力R动与内部余应力R叠加,当叠加幅值大于金属构件的屈服极限Rs,即R动+RRs时,这些点晶格滑移,产生微小的塑性变形,达到释放余应力的目的。从微观上看,频谱谐波振动时效就是给金属构件提供机械能,使约束金属原子复位的余应力释放,加快金属原子回复平衡位置的速度。从金属物理学上看,频谱谐波振动时效的过程,实质上是金属材料内部晶错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错,所以在构件内部产生的交变动应力与内部的余应力相互叠加,在应力较高的区域,就可产生位错滑移,出现微小塑性变形。位错滑移是单向进行线性累积的,当微应变累积到一个宏观量,金属组织内余应力较大处的位错塞积得以交替开通,局部较大余应力得以释放,构件宏观内应力随之松弛,使余应力的峰值下降,改变了构件原有的应力场,终使构件的余应力降低并重新分布,使较低的应力达到平衡。位错塞积后造成位错移动受阻,从而强化了基体,提高了构件抗变形能力,使构件的尺寸精度趋于稳定。
概括起来讲振动时效的工艺过程分四步进行：
步：首先用弹性橡胶垫将要时效处理的工件在其节线附近支撑起来，并将激振器用弓形卡具卡紧在工件振动时的波峰处，将测试工件振动情况的传感器用磁坐吸紧在工件上，并用电缆线将激振器、传感器和控制器连接起来，这一步又称为准备过程。
第二步：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效处理工件的固有共振频率和应该给工件振动能量的大小，这一步又称为振前扫描。
第三步：振动时效设备以第二步测得参数为依据自动确定出对工件进行振动处理的振动频率，并对工件进行振动时效处理，在处理过程中随时检测振动参数和工件残余应力的变化，而残余应力不再消除时即适时停止处理过程，这一步又称为振动处理过程。
第四步：振动处理完毕后，振动时效设备自动对被时效处理工件的参数进行再一次检测，以便依据JB/T5926-91或JB/T10375-2002标准，对振动时效进行判定。这一步又称为时效效果检测过程或振后扫描。
振动时效工艺实际上是指对工件的几个振动时效参数的确定，振动时效的几个主要参数是：振动频率、振动时间、动应力、工件的振型（用来确定工件的支撑位置，激振器和传感器的装夹位置），下面将对这几个参数进行较为详细的说明。
一、 振动频率的确定
在共振状态下，可用小的振动能量，使工件产生的振幅，得到的动应力和动能量，从而使工件中的残余应力消除的更彻底，工件获得的尺寸稳定性效果更好。
振动时效中的共振状态，是在外部激振器激振力的持续作用下，零件处于“受迫振动”时的一个特殊状态。它的条件是激振频率接近工件的固有频率，这时振动特性中的振幅—频率曲线出现一个峰值，振幅的陡然增大对振动时效产生附加动应力有利。
工件在振动时效时是一个振动体，它与其支撑用的弹性橡胶垫和激振器组成为一个振动系统，当该系统进行自由振动时，根据振动学原理，它的共振频率仅与系统本身的质量、刚度和阻尼有关。这个频率是由系统固有性质所决定的，称为固有频率。

近十多年来，国内外使用振动处理方法消除金属构件内的残余应力，以代替热时效。这种新技术在国外被称做“Vibratory Stress Relief Method”（简称VSR）。由于这种方法可以降低或均化构件内的残余应力，因此可以提高构件的使用强度，可以减少变形。
图1.1振动处理构件设备布置图
稳定精度，可以防止或减少由于热时效和焊接产生的微观裂纹的发生。特别是在节省能源、缩短周期上具有明显的效果，因此被许多国家大量使用。我们在该项技术的机理和应用研究上，近些年来都取得了较大的进展。
§1—1  振动时效的特点及其发展概况
一、振动时效工艺的简单程序
振动处理技术又称做振动消除应力，在我国又称做振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统（称做激振器）安放在构件上，并将构件用橡皮垫等弹性物体支承，如图2.1所示。通过控制器起动电机并调节其转速，使构件处于共振状态。约经20~30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。
可见，用振动时效技术是十分简单和可行的。
二、振动时效工艺特点
振动时效之所以能够部分地取代热时效，是由于该项技术具有一些明显的特点。
1．机械性能显著提高
经过振动处理的构件其残余应力可以被消除30%~80%左右，高拉应力区消除的比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。
可以防止或减少由于热处理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。
可以提高构件抗变形的能力，稳定构件的精度，提高机械质量。
2．适用性强
由于设备简单易于搬动，因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制，从几十公斤到几百吨的构件都可使用振动时效技术。特别是对一些大型构件无法使用热时效处理时，振动时效就具有更加突出的优越性。
3．节省时间、能源和费用
振动时效只需30分钟即可进行下道工序。而热时效至少需一至二天以上，且需大量的煤油、电等能源。因此，相对于热时效来说，振动时效可节省能源90%以上，可节省费用90%以上，特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。

残余应力对金属构件的影响
残余应力的存在对金属工件的强度疲劳寿命结构变形等方面的影响都是很大的，因此在结构设计中必须予以考虑。
§2.31残余应力对疲劳寿命的影响
人们很早就已经知道：当受到交变应力的构件存在压缩残余应力时，该构件的疲劳强度会有所提高，而存在拉伸残余应力时，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在着拉伸残余应力，从而有效地提高疲劳强度。但是很多情况下，构件表面存在着拉伸残余应力，人们首先考虑的是如何来改变这种应力分布以提高疲劳寿命，这就是调整残余应力问题，这与考虑残余应力对变形的影响是不相同的，后者考虑的是如何降低或消除残余应力以保证变形的稳定性。
实际上，残余应力对疲劳的影响因条件和环境的不同而改变。他与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响是既要考虑宏观残余应力的影响，也要考虑微观残余应力的影响。
可以认为，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变盈利水平，较大的影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，使该部分产生应力集中，并使组织内发生裂纹。这些影响比起对静强度的影响来说，在实用上将更为重要。

振动时效工艺的发展及应用
用振动的方法消除金属构件的残余应力技术，于1900年在美国就取得了专利。但由于人们长期使用热时效，加上当时对振动消除应力的机理还不十分明确，且高速电机尚未出现造成设备沉重、调节不便，因此该项技术一直未得到发展和应用。
直到60年代由于能源危机，美国、英国、日本、联邦德国等国才又开始研究振动时效的机理和应用工艺。特别是到70年代由于可调高速电机的出现，推动了振动消除应力装置（VSR系统）的发展：1973年英国制成手提式VSR系统即VCM80，后来美国马丁工程公司也研制出比较先进的设备LT-100R型VSR系统。法国和苏联也分别生产出PSV型和NB型VSR系统。这些比较先进的激振装置，促进了振动消除应力工艺的发展和应用。
国内开展这项工作比较晚，首先由孙照清总工程师等老一辈的工程技术专家74年出国考察访问时，把这项技术带回国内，并开始在机械部、航空部研究一直，并于“六五”期间在机械部提出的攻关课题之一----------提高机床铸件产品质量的大课题里面确定了“振动时效可行性研究”这一子课题，并指定由北京击穿研究所和四大机床厂来完成这一课题，我们在七九年自行研制成功交流串激式振动时效简易设备的基础上不断地试验研究，经过几年的努力与其他兄弟院所工厂一期取得了一定的成果，证明振动时效工艺的可行性，机床所大连理工大学、抚顺石油机械学院等对机理也进行了较深入的研究。由于受当时简易设备的限制，一些工艺参数很难测得也限制了这项技术的研究和应用，于是八五年机械部特批贰万伍千美金，我们与美国马丁公司合作引进了一整套当时世界上的VSR-790型振动时效设备及相关技术。为进一步推动振动时效工艺研究和设备的开发奠定了基础。后来随着使用振动时效设备的厂家不断增多和不少院校对这项技术深入的研究。特别是九一年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术要求》标准的诞生，使得这项技术得以较快的推广和发展，到目前为止，我国已有几千台振动时效设备投入使用，涉及领域包括机床、冶金、航空、航天、**、轻工、电力、纺织、风机、建筑、造纸等机械制造行业。
超声波时效法是国外较流行的焊后处理、表面局部强化和消除余应力的方法。该方法首先在前苏联的乌克兰延生，于二十世纪六十年代在美国得到迅速发展，在第十三届国际焊接学会上被公认为是提高焊接结构疲劳性能方法，并在发达国家迅速得以推广应用，经过半个多世纪的发展，超声波时效处理的工艺及设备已日趋完善，该方法的执行机构轻巧，使用灵活方便、噪音小、效率高、成本低、节能、无污染。