点击数：49542020-10-18来源: 振动时效仪
节能先进技术——振动时效
山秋萍 刘衍绪
大连起重机器厂
摘要
本文介绍了振动时效技术的原理、机理、设备、应用范围及国内外应用概况。与热时效及自然时效进行了多方面的比较，扼要地论述了振动时效工艺及其效果检验方法，突出了其节能、节省资金的经济效益分析，预见该技术应用有广阔的前途。
主题词：振动时效
一、国内外应用概况
振动时效技术源于本世纪初。目前在国外已经得到广泛的应用。它克服了传统的热时效方法投资大、耗能多、生产周期长的缺点，在世界性能源危机的形势下，越来越得到工业界的青睐。过去，曾经由于对其机理的探讨及使用方法的不成热，妨碍了它的使用，六十年代以后，该技术的研究和应用迅速发展。现在，世界上有万余厂家、美国有七百多厂家，还有英、德、苏、法等国家，都在不同程度上将振动时效技术应用于航空、海洋、钻探、矿山、机床纺织、石油、运输等各种轻、重工业的铸、锻、焊件及有色金属工业中。
国内从七十年代开始对先进的振动时效技术进行研究。北京机床研究所首先将该技术用于机床行业中，并进行了系统的研究。哈尔滨焊接研究所、大连理工大学、哈尔滨工业大学也都作了大量的研究工作。齐齐哈尔第一机床厂，几乎所有的系列产品都采用振动时效技术，并纳入正式工艺。目前，振动时效技术也在重机、矿山起重、工程机械、石化、机械等行业的铸、锻、焊体上得到应用。
振动时效在国内首先用在机床行业上，特别是铸体上，85年以前主要是这方面的论文，本文主要对近几年来振动时效技术在焊接结构件上的应用作一扼要综述。
二、特点、原理、应用范围及设备
1.三种时效方法的比较
构件经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺过程，其内部产生了残余应力，它极大地影响了构件的尺寸稳定性、刚度、强度和机械加工性能，甚至会导致裂纹和应力腐蚀。“时效”是降低残余应力，使构件尺寸精度稳定的方法。时效的方法主要有三种，即自然时效、热失效和振动时效。
自然时效是最古老的方法，它是把构件置于室外，让其经过气候、温度的反复变化在反复的温度应力作用下，使残余应力松弛，尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降0.2%，但是却较大地提高了工件的松弛刚度，因而工件的尺寸稳定性很好，但因时间太长，一般不采用。
热时效是传统的时效方法，它是把工件加热到550℃左右，保温后控制降温。通常认为可以消除残余应力70—80%，表2中我国若干厂家热时效消除残余应力的统计说明，实际生产中，热时效消除残余应力为20—60%，而且能耗大、成本高。
振动时效是介于自然时效和热时效两者之间的方法，即工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。振动时效可以消除残余应力20—50%，比热时效低一些，但比自然时效高，主要降是低残余应力峰值；它和自然时效一样，能提高工件的松弛刚度，而热时效却使工件的松弛刚度下降，因而振动时效工件的尺寸稳定性可以与热时效工件媲美。
表1将振动时效与热时效进行多方面的比较，可以看出，振动时效法的节能、降低生产费用的经济效益异常突出，而且它占地面积小、生产周期短，不受工件大小限制不污染环境和金属表面，特别是提高了材料的松弛刚度，工件尺寸精度完全可以满足生产要求，被国家机电部等六个部委列为“七五”计划期间推广的节能项目，因此，虽然人们对振动时效技术的凝虑重重，它仍在工业上得到越来越广泛的应用。
2. 振动时效的原理
振动时效的工作原理如图 1 所示， 频率在一定范围内连续可调的激振器， 固定在工件的适当部位上， 并向工件施加周期性外力， 调节激振器的频率， 使工件在共振频率范围内振动，达到时效的目的。
图1
振动时效使工件获得尺寸稳定性， 其机理可以从宏观和微观两方面解释：
宏观上， 当 动应力 + 残余应力 ≥ 材料屈服强度 时， 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均匀化。 同时， 由于包辛格效应， 经过一定时间的循环后， 工件材料的当量屈服强度由原来的 o 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， 此时弹塑性变形变成了弹性变形， 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， 因金属具有将振动机械能转变成热能的性质， 即使在 动应力 + 残余应力 ＜ 材料屈服强度 的情况下， 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， 产生微观塑性变形； 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。
3. 应用范围
振动时效适用的材料有： 碳素结构钢、 低碳合金结构钢、 不锈钢（冷拔、 冷拉、 冷轧钢及沉淀硬化钢除外） 铸铁（灰口铸铁、 球墨铸铁、 可锻铸铁等） 、 有色金属（铝合金、 铜合金） 。 统计结果表明： 国内外都有中碳合金钢采用振动时效工艺的实例就工件类别而言， 振动时效工艺多用于大、 中型铸件和焊接件（ 压力容器慎用） 。 就工件大小而言， 小至 100余公斤重的零件， 大至上百吨重的构件， 都有应用实例， 按照设备说明书， 国产设备适用工件达 350 吨重， 美国 VSR-790A 设备可时效最大工件达 750 吨， 表 2 为国内振动时效的典型焊接构件一览表。
4. 振动时效设备
振动时效设备有机械式、 液（气） 动式和电磁式三种， 其中以机械式设技术最成熟， 应用范围最广。 它的工作原理是： 偏心质量旋转产生的离心力对工件激振。 其最重要的工作特性是转速（或频率） 和激振力， 并应保证转速（或频率） 的稳定性在±0.1Hz 以内。
国外生产振动时效设备的国家主要是美国、 西德和英国。 八十年代初我国进口了若干台美国马丁公司生产的 VSR-790A 振动消除应力设备， 该设备性能良好， 但价格昂贵。
国内从七六年开始联合研制， 并由黑龙江省海伦振动时效设备厂制造出 ZJK-01 型振动时效设备， 填补国内空白； 八六年生产出 WZ-86 型微电脑控制的振动时效设备达到国际同类产品的先进水平： 八九年又生产出 Q91100A-1 型设备， 被列为替代进口产品， 目前国内还有株州湘中仪器厂、 本溪高中频电源设备厂等其它厂家也生产振动时效设备。
三、 振动时效技术
振动时效设备的使用虽然比较简单， 但是振动时效工艺却是一项综合性技术， 只有正确地选择工艺参数， 才能获得良好的时效效果。 这里仅介绍主要工艺参数选择的原则：
1. 激振频率 f： 应选择在共振区明显处， 一般铸件可以采用中频率大激振力， 焊接应在高、 中、 低三个频率上分别激振。
2. 激振力： 由构件上最大的动应力来确定， 即应保证 动应力 + 残余应力 ≥ 材料屈服强度。 激振力与构体的材料和结构有关， 一般铸件为± 2kgf/mm²， 软钢件为±7kgf/mm²。
3. 激振时间 T： 振动的前 5 分钟残余应力变化最快， 15 分钟以后趋于稳定， 一般认为处理 20 — 40 分钟即可， 下表可供参考：
4. 激振点和支撑点： 支撑点应在工件振动的节线上， 激振点一般在两个支撑点间刚性较大的位置上。
这里， 人们自然会提出检测振动时效效果的问题。 这的确是个比较复杂的问题也是振动时效技术能否被人们接受的关键。
1. 毫无疑问， 对振动时效的构件进行尺寸稳定性的直接检测应该是最终的检验标准，但是， 这需要的时间较长， 只适用于批量生产的构件。
2. 实测残余应力到底消除了多少， 似乎是很科学的， 因为残余应力导致了工件的尺寸不稳定性， 这不但涉及专门的测试手段， 而且， 特别应该指出的是： 工件的尺寸稳定性是不能单纯地以消除残余应力的多少来衡量的。 自然时效消除残余应力最少， 尺寸稳定性最佳；同样振动时效虽然消除残余应力的百分数比热时效低， 但由于增大了松弛刚度， 其构件的尺寸稳定性甚至比热时效件还好。 因此， 测试残余应力的方法在科研中应用较多。
3. 用振动时效过程中测出的动态参数曲线， 根据曲线的变化、 现场， 及时判断振动时效的效果， 这是国内外推荐的， 生产中应用最多的简要方法。
（1） 如图 2 所示加速度—频率曲线， 比较振前、 振后扫描的两条曲线， 若振后共振峰值增大、 共振峰左移、 峰宽变窄、 峰数增加， 加速度曲线上升， 及可以认为振动时效效果良好。
图 2 加速度—频率曲线
（2） 图 3 所示振幅—时间曲线， 是在工件振动时效过程中记录下来的。 根据“稳幅”工艺原则， 只要工件振幅稳定在某一值 2—3 分钟以上， 测出的升幅稳幅、 降幅稳幅和升降幅稳幅曲线， 都能说明振动时效效果良好 3。
图 3 振幅—时间曲线
四、 结束语
由表 2 所列振动时效工件消除残余应力的统计可以看出， 认为振动时效消除残余应力20-50%是有充分根据的， 而热时效却由于种种原因， 消除残余应力百分数达不到 70-80%，由于残余应力的下降， 特别是由于钢材比铸铁更易发生位错的滑移， 使振动时效技术在焊接体上的效果更为突出。 表 2 中全部构件的尺寸精度检测都满足生产要求， 尺寸精度稳定性比热时效效果好， 至少与之相当， 取代了传统的热时效方法。
国内的研究表明： 焊接构件振动时效后， 机械性能变化不大， 疲劳裂纹扩展速率有所减小， 疲劳寿命有所提高； 断裂韧性有所提高； 能防止应力腐蚀。 而且， 还提出不少实用的振动时效新工艺方法； 并联、 串联组合振动时效法； 不同振型联合应用法——扭振法； 分频处理法； 悬臂法； 用振动台处理中小型工件； 大刚度焊接件的附加梁起振法等， 极大地丰富了振动时效工艺方法。 可以认为国内对振动时效的研究比国外还要深入、 全面。
凡是进行过振动时效经济效益计算的， 无不被其结果所震惊， 表 3 给出 8 个厂家的统计结果。显然， 振动时效的能耗为热失效的 2%以下， 身缠费用为 10%以下， 节约巨额建设炉窑投资，这是振动时效技术迅速发展的根本原因所在。 可以预见， 堪称时效高技术的振动时效技术在我国应用有着广阔的前途。
表2 国内振动时效的典型焊接结构件一览表
表 3 振动时效与热时效相比经济效益统计
