摘 要    本文介绍了振动时效这种消除工件残余应力的新技术,和振动时效与传统热时效相比较所具有的明显优越特征及其广阔的应用领域。
  关键词    振动时效    消除残余应力   优越特征   应用领域
 
  振动时效又称振动消除应力,指在通过控制激振器的激振频率,使工件发生共振,让工件产生适当的交变运动并吸收部分能量,以致内部发生微观粘弹塑性力学变化,从而降低工件局部峰值应力和均化工件的残余应力场尤其是表面的应力集中区域,最终防止工件变形与开裂,保证以后的尺寸稳定精度。它是上个世纪初期开始出现并在五十年代以来获得广泛应用的一项消除应力的新技术。
  构件经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺过程,在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、疲劳寿命和机械加工性能,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。目前时效的方法主要有三种,即自然时效、热时效和振动时效。
  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2~10%,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。但因其时间太长,一般不在实际生产中采用。
  热时效是传统的时效方法,它是利用热处理当中的退火技术,通常是将工件加热到500~650℃进行较长时间的保温后再缓慢冷却至室温。在热的作用下通过原子扩散及塑性变形使内应力消除。从理论上讲采用热时效时,只要退火温度和时间适宜,应力可以完全消除。但在实际生产中通常认为最好可以消除残余应力的70~80%,与此同时它能造成工件材料表面氧化、硬度及机械性能下降等缺陷。因此,人们一直在研究更好的方法来消除残余应力。
  振动时效是在上个世纪初期产生并发展起来的消除应力新方法。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。也就是在机械的作用下,使构件产生局部的塑性变形,从而使残余应力得到释放,以达到降低和调整残余应力的目的。但机械作用使应力消除的程度是有限的,不可能完全消除。因此振动时效往往是把应力降低(主要是降低残余应力峰值)和重新分布作为主要目的。
  振动消除应力是对构件施加一交变应力,如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时,这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,也同样会产生微观的塑性变形,况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大点上,因此使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是用振动时效可以消除残余应力的机理。
  用振动的方法消除金属构件的残余应力技术,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当时的振动时效设备沉重、调节不便,因此该项技术一直未得到大的发展和广泛应用。直到上世纪50—60年代由于能源危机的出现,美、英等国才又开始研究振动时效的机理和应用工艺。特别是到上世纪70年代由于可调高速电机的出现大大推动了振动消除应力装置的发展:1973年英国制成手提式振动时效系统VCM80,后来美国马丁工程公司也研制出比较先进的LT-100R型振动时效系统。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实际应用。由于这种工艺日趋成熟,振动和控制设备日臻完善,目前振动时效已在英、美、俄、德等国被普遍采用,他们几乎所有机械厂都配备了振动时效装置,尤其是起重机械厂的大件和基础零件全部采用了振动时效。我国也从上世纪70年代后期开始引进和使用振动时效技术。
  现在的振动工艺装备如图所示:它是将一个具有偏心重块的电机系统(激振器)用卡具安放在工件上并将工件用胶垫等弹性物体支承,如图所示。通过主机控起动电机并调节其转速,使工件处于共振状态。一般工件经30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。
 
 
可见,采用振动时效来调整残余应力的技术是十分简单和可行的。
振动时效之所以能够部分地取代热时效,在实际当中被广泛应用,是与该项技术具有的一些明显的优越特征分不开的。
1、投资少适用性强。与传统的热时效相比它无需庞大的时效炉,现代工业中的大型铸件与焊接件越来越多也越来越大,如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉,不仅造价昂贵、利用率低,而且炉内温度很难均匀,消除应力效果差。采用振动时效可以完全避免这些问题。因此,目前对长达几米至几十米的桥梁、船舶、化工器械的大型焊接件和重达几吨至几十吨的超重型铸件,较多地采用了振动时效。
2、生产周期短效率高。热时效往往需要经过数十小时的周期方能完成,而振动时效一般只需数十分钟即可完成。而且,振动时效不受场地限制可减少工件在时效前后的往返运输。如将振动设备安置在机械加工生产线上,不仅使生产安排更加紧凑而且可以消除加工过程中产生的应力。
3、使用方便。振动时效设备体积小、重量轻,便于携带,我国目前生产的激振器可振动处理300吨以下的工件,但振动装置本身仅重几十公斤。国外生产的可振动处理5公斤至150吨工件的全套振动设备其总重也不过一百公斤。正是由于振动处理不受场地限制,振动装置又可携至现场,所以这种工艺与热时效相比,使用简便,适应性较强,可排在任何工序之间也可多次进行。
4、节约能源,降低成本,无废渣、废气及辐射等污染。在工件的共振频率下进行时效处理,耗能极小。实践证明,功率为0.25至1马力的机械式激振器可振动150吨以下的工件。其能源消耗仅为热时效的3~5%,成本仅为热时效的8~10%。加之热时效时均需要以煤、油等做为燃料不可必免地要排出大量的废渣、废气等不能够满足越来越高的环保要求。故振动时效已逐渐成为去应力的第一选择。
5、机械性能显著提高。经过振动时效处理的工件其残余应力可以被消除20~80%左右,高拉应力区消除的比低应力区大。可提高使用强度和疲劳寿命,而且从根本上防止了金属在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。还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。
实践证明,振动时效适用于碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属(铜、铝、锌及其合金)等材质的铸件、锻件、焊接件及机加工件的应力消除。
当然振动时效也存在着一定的局限性;首先它有一定的噪声特别对于箱形和板形工件时效噪声较大;其次工艺效果在很大程度上取决于工艺员对工件关键部位及需重点去应力部位的理解和现场有效振型的选择;再有,它不适于高压容器、残余应力较小的工件、大尺寸的薄板焊件、薄壁铸件、大部分冷加工件、弹性结构应力为主的工件、刚性过大或尺寸过小的工件。
尽管振动时效有一些局限性但在部分行业和部分材质的零件上的时效效果还是非常显著的。随着人们对振动时效技术的进一步了解,可以逐步减小它的局限现性。如通过对工件采取隔离,或错开工作时间等办法可降低时效的噪声;对于部分不适用激振器进行时效处理的可通过振动平台来进时效处理;以及对相关工艺人员进行培训的方法等等,到目前为止我国已有数千家机械厂在使用振动时效。正是由于振动时效技术的不断发展、经济效果日益明显,才使其应用范围不断扩大。在机械制造、航空、化工器械、动力机械、造船等行业中,铸件、锻件、焊接件及有色合金等材料制造的各类零件均成功地采用了振动时效。振动时效已越来越受到各方面的重视,其应用领域也越来越广阔。

 

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