时效振动机 应力消除设备

近二十年来，振动消除应力技术的研究和应用，在我国取得了飞速的发展。在此期间，经国内许多单位的共同努力，在振动时效机理、振动时效工艺技术和应用方面，取得了突破性的成果，制定了我国部关于振动时效方面的国家行业标准“*共和国机械行业标准JB/T5926-2005”，指导了该项技术的应用和设备的生产，推动了该项技术在机械行业的广泛应用。我国生产办公室也将该项技术的推广应用列入了“八五规划”。
振动处理的关键在于消除或均化金属构件残余应力，而残余应力对于焊接构件疲劳寿命的影响是严重的，这已在近十年来得到公认。因此作为以消除残余应力为主要目的的振动时效技术，完全可以用来提高焊接构件的疲劳寿命。
国内外大量研究资料表明，振动时效对焊接结构件的根本作用在于“消除”残余应力。因此国外将其称做“振动消除应力”。焊接结构件残余应力分布较其不均，应力剃度相当大，而振动时效一个的特点就是使高残余应力下降，使应力分布均化，因此振动时效在“消除”焊接结构残余应力上效果十分明显。同时，由于残余应力的“消除”，振动时效还可以有效地延缓断裂裂纹的产生和降低应力腐蚀开裂。
回转臂是连铸机上的主要部件。上海重矿连铸技术工程有限公司生产的回转臂主要部分是复杂板焊接梁，其结构如图1。焊后有较高的焊接残余应力，由此引起焊后工件变形。一般焊接时为满足图纸尺寸要求，加一些工艺板，控制工件尺寸焊接后必须进行去应力，去应力后拆除工艺板，合适的去应力工艺可以保证工件不变形，一般去应力采用热处理工艺，这种方法耗资高、工期长。经研究，此次采用振动消除应力工艺，实验证明，振动后去除工艺板，完全满足了工件尺寸要求，效果良好。
二、振动时效工艺实验
1．振动时效：根据工件的结构特点，采用四点支撑，激振点在A处，拾振点选在B处，具体位置见图1。振动所使用的设备是上海乐展电器有限公司有限公司生产VSRDS-08型振动时效装置。这种设备有良好的使用性能，并可在振动的同时绘制幅频曲线，可观察振动效果。其曲线如图2。
2．残余应力测试：为观察振动时效效果，在振动后选主要焊缝处18点用盲孔松弛法测试了残余应力，测点位置标在图1。因为工期紧张，此次没有测试焊前的残余应力。根据以往其它单位的数据做参考，这种材料焊后焊缝中心残余应力，以σ1在190MPa左右，这样就可以计算工件振后的主应力的下降率。测试的振后的残余应力结果列在表2中。
三、结果分析
1．振后去除工艺板，工件没有变形，说明振动时效效果良好；
2．工件的焊缝比较复杂，可能出现低应力，甚至出现压应力，如17、18点的数据；
3．表1中除去3、6、17、18点，取14点的平均值94MPa，用190MPa计算工件振后σ1，下降率为51%是一个很好的效果。
四、结论
综上所论，首先振动时效满足了工件尺寸要求，其次振后残余应力主应力平均下降可达51%，大大满足了JB/T5926-2005标准要求。说明回转臂一类工件采用振动时效去应力，效果良好，工艺可行。
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；

底座振动时效处理
1．振动时效处理
a．主振：根据工件的结构特点采用四点支撑，激振点、拾振点具体位置见照片3。采用手动处理，激振频率4670RPM/min，时效时间30分钟，偏心档位8档。
b．振动：原支撑不变，激振点、拾振点旋转90°，采用手动处理，激振频率4720RPM/min，时效时间30分钟，偏心档位不变。
2．残余应力检测：为了验证振动时效效果，对构振前振后焊接残余应力测试。测试方法选用盲孔松弛法，测点选择14点测点分布见图3，测试结果列在表二中。
表二 底座振动时效测试数据表 单位：MPa
点号 δ1 δ2
振前 振后 消除率 振前 振后 消除率
1 280.90 201.72 -28.19 16.48 6.88 -58.27
2 227.86 153.40 -44.79 81.74 41.93 -48.71
3 431.62 221.26 -48.74 262.16 64.54 -75.38
4
5 171.13 115.28 -32.63 9.62 2.41 74.89
6 251.44 136.90 -45.55 111.71 52.38 -53.11
7 200.82 163.27 -18.70 9.10 5.34 -41.35
8 137.92 96.80 -29.81 31.01 24.73 -20.26
9 130.67 95.86 -26.64 12.64 7.02 -44.46
10 187.61 128.43 -31.54 61.64 28.73 -53.39
11 242.37 145.12 -40.13 33.36 25.98 -22.11
12 240.76 151.70 -36.99 250.62 62.19 -75.19
13 213.33 104.40 -51.06 51.38 33.24 -35.30
14 179.57 131.41 -26.82 55.97 30.83 -44.91
平均应力 226.62 141.96 -35.51 75.95 29.71 -49.79
注：测点4应变片损坏
3．结果分析
从测试数据上看，振前平均主应力为226.62MPa，振后平均主应力为141.96MPa，降率为-35.51%。且均化较好。
4．结论
本次工艺处理，残余应力下降率为-35.51%。且均化较好。完全满足了国家行业标准JB/T5926-2005标准要求。说明连铸机底座工件采用振动时效去应力，效果较好，工艺可行
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；

在水工金属结构、水力机械行业，广泛存在特大型构件、多种材质组合件、现场焊接构件等特殊水工构件，由于不具备特大型退火炉，而且处理时间长、运输困难，无法采用热时效进行消除应力处理。如浙江省水利水电勘测设计院（简称我院）设计的浙江省白水坑水电站压力钢管出口处的钢岔管，为卜型岔管，主要直径3.85m，两只管直径各为2.27m，岔道全长10.78m，宽7.35m，材质为16Mn，重量36000Kg，承压静水头115m。该工件结构复杂，由多片不规则钢板及较厚的月牙肋组焊而成，存在着较大的焊接残余应力，尤其是在月牙肋与主管和支管间的焊缝附近。由于该岔管属于大型焊接构件，因此迫切需要寻求一种可靠、高效的消除残余应力工艺方法。
2 振动时效工艺
振动时效工艺（Vibratory Stress Relief）简称VSR技术，自20世纪70年代末从国外引进，经过国内的系统研究和消化吸收后，近年来不仅已在**航空、石化、机床、机车车辆、冶金、造船、矿石机械、水工机械、等行业推广使用，而且还制定了相应的行业指导技术文件和推荐标准——HB/Z229—93《振动时效主要参数及技术要求》，以及JB/T5926—91《振动时效工艺参数选择及技术要求》。这些足以说明振动时效技术、已成熟，并已有据可依。
振动时效是基于谐波共振原理，将激振器产生的周期性振动力通过共振因子放大，从而使被处理的构建获得相应的能量，此能量相当于热时效的热能，驱使工件内原子产生更大的振动，材料发生局部屈服，使晶体内部错位和晶界产生微观滑移，引起微观塑性变形，致使残余应力在量值上减少和整体应力在较低水平上的重新分布；在宏观上，通过外加的交变应力与工件内残余应力叠加使工件在较大残余应力区产生局部屈服，从而引起应力松弛和残余应力在量值上的减低。它不会改变材料的机械性能，也不会引起任何材料金相组织的变化。
压力钢管在制作过程中会产生较大的残余应力，尤其是岔管，由于结构复杂，焊接后其内部残余应力较大，为**钢岔管运行的可靠性，必须对焊接后的岔管进行消除残余应力处理。降低残余应力的方法在DL5017—93《压力钢管制造安装及验收规范》有明确规定。由于热处理的工艺设备投资大，处理时间长，且大口径岔管整体热处理后运输难度大，而振动时效技术作为一种高效节能技术，在相关行业已成熟应用，其设备便携，操作方便，对要求不改变构件材料金相组织的压力钢管来说，是一种高效地处理其残余应力的方案。
3 白水坑水电站钢岔管的振动时效处理
白水坑水电站装机容量2*20MW，为引水式水电站，设计静水头115m，一管二机布置，压力钢管出口处的钢岔管为卜形岔管，由厚度20.22.25mm的钢板卷拼成型，岔管月牙肋的厚度70mm，材料均为16Mn。该岔管的进口端中径3850mm，出口端中径各为2270mm，重量36000kg，于2002年9月由浙江省正邦水电建设有限公司制作完成。由于在岔管的成型和焊接使会产生大量的残余应力，我院设计要求岔管应经过退火消除残余应力处理，而就近的退火炉根本无法满足该岔管的退火工艺要求，且工程建设施工周期十分紧迫。经过多次消除残余应力方案研究及论证，并委托水利部产品质量标准研究所对岔管固有频率进行估算，认为采用振动时效技术降低及均化岔管残余应力是可行的。鉴于全国振动时效技术的推广中心华东分中心长期使用振动时效技术的经验，为此经业主、设计、监理等有关各方协商，本次白水坑水电站钢岔管的振动时效处理委托该中心进行。
2002年10月23~25日，水利部全国振动时效技术推广中心华东分中心携设备赴白水坑水电站施工现场对上述钢岔管进行振动时效消除应力处理。业主、设计、制作、监理、等有关各方常见本次实施过程。
3.1 岔管振动时效处理工艺方案
转数范围：2000 R/Min-8000 R/Min；
激振力调整范围：0-50KN；
电机额定功率：1500W；
适宜处理工件重量：≤30吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：10A；
电机额定电压：150V；
供电电源电压：交流220V±10%，50HZ±4%；
绝缘等级：E级；
工作条件：环境温度：-10℃—+40℃；相对湿度：不大于80%（25℃）；

柴油机机体粗加工后的振动时效处理
在对机体内应力检测的基础上，得出了机体在粗加工后有较大的内应力是机体在后序加工和使用中变形的主要原因，因此需进行二次时效处理。但在粗加工后再进行热时效，必将引起机体变形**差，并破坏加工面光洁度。经过测试数据分析证明，机体粗加工后增加振动时效处理作为二次时效工艺是可行的。现将振动时效处理的试验情况报告如下：
1．振动时效设备
本次试验选用了由上海乐展电器有限公司研制的“智能型振动消除应力系统”来处理机体，它是目前国内先进的新产品，自动化程度高，工艺确定后整个处理及工艺就自动一次完成。
2．机体振动时效试验
先用一台粗加工后废弃机体（16D0033号机体）进行先期试验积累数据，再用两台粗加工后的机体为试件；台用于振动时效技术参数选择（支撑点、激振点、激振器偏心档级、拾振点、激振频率、扫频频率），经振动后进行应力检测，观察振动时效消除应力的效果。*二台用于优化振动时效参数，观察台振动时效参数的稳定性，终确定振动时效工艺规程。
3．台柴油机机体（机体主轴承号：2001—063）振动时效处理
（1）手动操作程序：
①将机体立放于平地上，并做三点支撑：一侧面中间支撑一点，另一侧面两点支撑，均用厚橡胶垫为支撑物。
②将激振器（A型）装卡在右**板七、八缸孔之间，调整偏心为二档。
③将拾振器吸在靠近一号缸孔的端部右**板角处。
④连接电机-控制箱，拾振器-控制箱间连线。
⑤连接电源线。
⑥手调节电机转速至4200r/min振动处理30min。
⑦振动处理同时记录加速度指数随时间变化的量值。
（2）自动操作
①现场布置同“手动操作程序”的①②③④⑤
②将扫频值定在4500r/min。
③按自动处理钮后全过程自动完成。
处理曲线见图一、图二。
（3）工艺效果检测
①由图一、图二见振动处理过程中，幅频特性曲线左移峰值上升，时间—振幅曲线由上升逐渐变平，完全符合国家标准JB/T5926-98要求。
②测试表明，振后残余应力普遍降低和均化，但应力总水平下降率只有21.6%低于国家标准（JB/T5926-98）中的有关规定。
③结论：工艺基本符合，但需加大激振力。
4．*二台机体（机体主轴承号：96-098）振动时效处理
（1）*二台机体的振动时效处理与台不同之处在于两点：
①将A型激振器改为B型，以增大激振力。
②将激振点选在两处进行试验，即次在1~2缸孔之间，*二次在7~8缸孔之间，即为二次振动。其他参数不变。
（2）工艺效果检测
①幅频特性曲线及时间—振幅曲线变化正常。
②由表七可见，振后残余应力普遍下降，且总应力水平下降40%以上，已完全符合国家标准（JB/T5926-98）要求。