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振动时效工艺

发布时间:2012/01/17 点击量:458

振动时效 机理

振动时效的实质是通过振动的形式给工件施加一个动应力,当动应力与工件本身的残余应力叠加后,达到或超过材料的微观屈服极限时,工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形,同时降低并均化工件内部的残余应力,最终达到防止工件变形与开裂,稳定工件尺寸与几何精度的目的。
振动时效工艺程序
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,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,一般累计振动时间不应超过40分钟。
可见,用振动调整残余应力技术是十分简单和可行的。
振动时效工艺守则
振动时效工艺守则是指导对振动时效技术应用及检查的总的原则,它应包括以下几方面的内容。
一、总则部分:它包括制定本守则的目的及使用范围。
二、生产前的准备:它包括对设备的检查、仪器的导线联接、工作场地的定置管理等。
三、预分析:根据工件的形状、分析可能出现的振型,以指导操作人员正确的进行对工件的支撑及激振器和传感器的装夹。
四、试振:它包括初步测试工件的固有频率和验证第三部分所做出的分析是否正确,如果预分析与实际有所差别,应通过这步工作调整过来。在这一部分中还包括主振器频率、激振力、振动时间的确定原则等。
五、振动处理过程:包括振动处理全过程的操作程序和各程序的确定原则。
六、质量管理制度:包括时效效果的检验方法及检验方式。
七、仪器的保养和维护。
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。 振动时效的几个重要参数是:“支撑点、振型、激振点、加速度、固有频率、时间”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定工艺效果的主要参数。
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20%~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.节省成本
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。
振动时效工艺发展
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系统,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。
据统计,截止到20世纪90年代,世界上正在使用的VSR系统约有一万台以上。美国采用振动时效工艺的有700多个公司,苏联和东欧一些国家也在大量使用,都取得了明显的经济效益。许多国家都已将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。在英国几乎没有一家公司不使用该项技术的。
振动时效工艺应用
振动处理在国外的应用范围比较广,被处理构件的类型也比较多。例如:
1.英国一机床公司生产大型精密机床,其床身与立柱要求精度为0.01mm/2m。过去采用热时效其精度保持性较差,后来改用振动时效,满足了精度要求,因此将振动时效定为该项产品的标准工艺。
2.英国生产的铝合金铸造精密泵体,其尺寸为275×300×150mm,也是用振动时效来保证其精度的。
3.美国PX工程公司,用振动时效来消除8吨重的焊接结构齿轮的内应力,用以减少焊接裂纹。
4.美国Pont Land电子专业公司,用该项技术处理4吨重的锻件毛坯。该公司规定锻件进行三次振动处理:
(1)毛坯(2)粗加工后(3)精加工后。三次处理后即保证了锻件的稳定性。
5.美国华盛顿钢铁公司,对该公司生产的47吨重的剪床座进行振动处理。剪床座是用152mm至203mm厚的钢板焊成,加强筋厚为38mm至76mm这样大而重的构件只用40分钟的振动处理就代替了过去的热时效处理。
6.美国西北工业公司对2800吨重的海洋铁塔及1280吨重的钻井平台也采用过振动时效处理。
7.英国对陆上井口平台采用振动时效,井口平台是由管径为200mm的钢管焊成6m×6m×2m管型构架。
8.英国喷气发动机火焰筒衬里,由于焊后热膨胀而发生裂纹,报废率占30%以上,后来采用振动时效工艺,报废率几乎为零。
9.英国生产的所有专用机床床身都是用振动时效代替热时效。有三十多家机床厂和十多个锻压设备厂都是将振动时效作为标准的生产工艺。
美、英等国在其它工业部门也大量采用振动时效,如造纸机械厂、船舶轴承厂、激光焊机厂、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、泵制造厂、采油设备厂、发电设备厂、锅炉厂等都应用振动时效来消除构件的应力。
自1975年以来,特别是上世纪九十年代后,该项技术在我国也得到了较快的发展和推广,已较广泛地应用在各种焊接结构件,在机床铸件上也取得了较大的突破。
多年来,关于振动时效对焊接构件疲劳寿命的影响是国内外专家极为关心和争论的焦点问题。我国一些单位做了许多研究,得出的结论认为,振动时效对金属材料的力学性能有较大的影响,合理的振动时效工艺可以提高焊接构件的疲劳寿命。这些结论为振动时效在焊接构件上的应用奠定了理论基础。
振动时效工艺在国内经二十余年的理论研究,并经过近二十年的应用推广,国内许多企业都在一些重要的基础部件中应用了我公司所研究的振动时效产品。
1.大型电站设备中的发电机机座、端盖、座环、水轮发电机导叶。
2.中国第一重型机器厂制造的轧钢设备中的焊接结构件,大型锻造转轴。
3.组合机床床身焊接件和CD6140普通车床铸造床身。
4.东风4D内燃机车转向架焊接构件,用振动时效提高疲劳寿命和柴油机机体粗加工后的二次振动时效,防止机体在使用中出现疲劳裂纹。
5.一些无法进行时效处理的大型金属结构,如炉壳、托圈、拱顶、钢包回转台等。
6.航天领域中的重大项目中的大型金属结构焊接后用振动消除应力。
7.单晶炉炉壳、炉门都由不锈钢焊接制造,不能加热时效处理,采用振动时效,既防止了变形,又提高了抗腐蚀能力。
振动时效常见问题
由于部分用户对振动时效的机理不甚了解,盲目使用一些简易的(所谓“全自动振动时效”)振动时效设备对产品进行时效。这种完全不针对工件特性、仅按照振动时效设备生产者预置的参数,对各种工件均采用一种或几种工艺参数进行时效的方法,会导致被时效工件出现下列几种情况:
1.1.假时效:工件未发生共振或振幅很小或者虽然振幅较大,但工件整体做刚体振动或摆动,“全自动振动时效设备”也能按照预置的程序打印或输出各种时效参数、曲线,误导操作者和工艺员判断,这样工件根本没有达到时效的效果;
1.2.误时效:工件虽然产生共振,但是发生的振型与工件所需要的振型不一致,动应力没有加到工件需去应力的部位,这样不能使工件达到预期的时效目的,影响时效的效果;
1.3.过时效:由于不针对工件个性采用合理的时效参数,完全照盲目预置的参数,对工件进行时效,可能会因为共振过于强烈或振幅过大,导致工件内部的缺陷(裂纹、夹渣、气孔、缩松等)继续扩大、撕裂,甚至报废的严重后果。
2、 振动时效的工艺分析
由上述的振动时效工艺的现状可以看出:用盲目的全自动振动时效工艺对工件时效处理是伪科学的,这不仅不能使工件达到时效目的,还会因此出现严重的后果,造成工件开裂,甚至报废。
那么,什么样的振动时效工艺才是科学的呢?
首先,应在时效前分析工件的残余应力分布情况,形位精度要求,以及今后的工作载荷和可能失效的原因等,制订合理的振动时效工艺,确定时效路线及重点时效部位。
2.1. 形位精度分析:
根据工件直线度、圆柱度、平面度、同轴度、对称度等,应采取不同的激振力,选用不同的振型。
2.2. 共振频率分析:
根据工件强度、刚性、批量选择不同支撑方式或采用振动平台进行处理。
2.3. 振型分析:
不同的频率对应不同的振型,不同的振型对应不同动应力场。
2.4. 工作载荷: 针对工件今后的工作变形状况,应重点消除工况状态工件载荷较大部位的残余应力,选用与之相对应的振型进行时效处理。
2.5. 工况失效分析:根据今后可能出现的问题,应选用不同的激振力不同的时间进行时效处理。
其次,应根据被时效的工件,科学地选择振动时效设备。不应该选择一些简易的、所谓“全自动振动时效设备”;而应该深入了解振动时效机理后通过比较,选择这样的振动时效设备:
a) 运行稳定、转速闭环控制、定速可靠、在线打印、性价比高:
b) 强弱电隔离、自我保护功能强、故障率低、易于维修:
c) 操作方便、能够人机对话,并能通过面板输入口令设置设备运行参数, 而不需要改变硬件设置:
d) 不论使用何种操作模式(手动、半自动、全自动、编程)均能实现多峰值自动识别、多振型时效,并能实现局部扫描、局部打印;并且能针对工件的特性,采用超级手动(可根据操作者的经验及意愿直接快速完成振前扫描、打印、识别、时效、振后扫描)完成有用峰的振动时效,避免处理无效峰;而且还能够通过超级手动找出大量工艺参数,作科学的分析,找出相同零件的共性,迅速、方便地在面板上编制程序并储存,以便今后随时调用对工件科学全自动的时效处理;
关于 振动焊接技术
振动焊接技术是在振动时效技术的基础上发展起来的,但振动焊接技术的作用明显优於振动时效技术。焊接构件的振动时效技术是对已焊接成型的构件进行处理,用以降低和均化由于焊接造成的残余应力。而振动焊接是首先将被焊构件进行振动,且边振动边焊接,直至焊完为止。这种振动是在一定频率范围内的轻微振动,其作用如下:首先,当焊缝金属在溶溶状态时,振动可以使组织发生变化,晶粒得以细化。焊缝晶粒细化必将使材料力学性能得到提高,其次在有温度作用下,焊缝处材料屈服极限很低,因此振动很容易使热应力场得到缓解,极易发生热塑性变形,而释放受约束的应变,使应力场梯度减少,故使最后的焊缝残余应力得到降低和均化、平缓,降低应力集中,提高焊接质量,因此振动焊接可以有效的防止焊接裂纹和变形,提高构件的疲劳寿命,增强机械性能。
振动时效技术是在构件焊好后使用的处理技术,只能对焊接残余应力起到降低和均化作用。而振动焊接技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用,接着在热状态下通过热塑性变形来调整应变来降低残余应力。因此,可以说振动焊接从一开始就起到了防止焊接裂纹和减少变形的作用。提高焊接质量是优於振动时效技术的最突出优点。做为振动焊接技术,它并不要求构件必须达到共振状态,只要达到某一频率范围内且具有一定的振幅就可以,因此振动焊接技术可以在任何构件上使用。特别是在大型结构件焊接修复时,振动焊接技术就可以完全实现,焊后不再使用热时效处理。在这里说明的是“振动焊接技术”包括两个方面,即“焊接技术”与“振动焊接技术”两个内容。“焊接技术”就是正常的焊接技术,而“振动焊接技术”就是在焊接过程中根据不同的工件施加一种不同参数的机械振动。
振动焊接技术特点
振动焊接技术的特点决定了该项技术的适用性,各种实验证明了该项技术有如下特点:
1、焊接结晶过程可使晶粒细化,因此使焊缝材料力学性能显著提高,材料的屈服极限σs、强度极限σь  均可提高10%~30%,这有助于防止焊接热裂纹和冷裂纹的发生。
2、降低焊接应应力30%以上,这有助于防止或减少焊接构件使用中发生裂纹,延长使用寿命,稳定构件的尺寸精度。
3、降低变形30%以上,如果采用“予钢度法”和"予应力法"则变形可降低60%以上,达到设计要求。
4、由于晶粒细化和残余应力的降低,提高了焊缝断裂韧性20%以上,极大的提高焊缝的抗开裂能力。
5、提高疲劳极限15%以上,提高焊缝疲劳寿命70%以上。这是各种效果的综合值,提高使用寿命这也是各种附加工艺所追求的最终目标。
6、减少沙眼、跳焊等,使焊缝纹理细密,减少根部的应力集中,显著提高焊接质量。
7、可免除焊接预热过程或降低预热温度。
8、可排除焊后的热时效或振动时效处理。
9、显著的防治或减少焊接裂纹,这是振动焊接技术最突出的特点。
根据上述,可以说振动焊接技术在所有技术的焊接过程中均可应用,特别是对于焊接中易出现裂纹和变形的构件应最先选用振动焊接技术。
由于振动焊接技术工艺参数只有频率和振幅,而不需要更多的调整,其设备操作简单方便,而且该设备应具备振动时效的功能。
振动时效工艺 适用材质
适用于碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属(铜、铝、钛及其合金)等材质的铸件、锻件、焊接件、模具、机加工件。
振动时效工艺术语和定义
1  全程扫频和局部扫频 Span scanning & local scanning
时效装置从最低转速到当前偏心矩下最大转速全范围内扫频称全程扫频。
时效装置在当前偏心矩下某一段转速范围内扫频称局部扫频。
2  振型 Vibration mode
工件受某一频率激励产生共振,在其某一点位移达到最大值的瞬间,工件各点的位移形成的线或面称为振型。
3  节点和节线 Vibration node & Vibration nodal line
工件共振时,振型上振幅最小处称为该振型的节点,简称节点。
节点连成的线称为该振型的节线,简称节线。共振时,工件可能有多个节点或节线。
4  振型有效区 Effective area of vibration mode
工件共振时,在工件相邻节线之间或相交节线所围区域内,其动应力等效值在该区域内动应力等效值峰值的0.707倍以上的区域称为该振型的振型有效区,简称振型有效区。
5  有效频率和有效振型 Effective vibration frequency & Effective vibration mode
工件以某频率共振,若其振型有效区能覆盖工件被重点关注区域或其残余应力较大区域,则该频率对应的振型称为有效振型,该共振频率称为有效频率。
6     时效频率 Eging frequency
当选定某一有效振型对工件进行时效时,为使振型有效区的动应力等效值峰值达到一定数值,在该有效振型对应的有效频率的亚共振频率区内具体选择的激振频率称为时效频率。
7     残余应力等效值 Equivalent residual stress


各种 常见时效工艺对比
机械加工过程中,特别是铸锻焊件,在冷热加工过程中,产生残余应力,高者在屈服极限附近。构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用;如降低构件的实际强度,降低疲劳极限,造成应力腐蚀和脆性断裂。并且由于残余应力的松弛,使零件产生翘曲,大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低构件的残余应力,是十分必要的。
传统的时效方法有:热时效、振动时效、自然时效、静态过载时效、热冲击时效等。后两种方法应用较少,这里不作介绍。
自然时效(NSR)是将工件长时间露天放置(一般长达六个月至一年左右),利用环境温度的季节性变化和时间效应使残余应力释放,在温度应力形成的过载下,促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。由于周期太长和占地面积大,仅适应长期单一品种的批量生产和效果不理想,目前应用的较少。
热时效(TSR)是将构件由室温(或不高于150℃)缓慢、均匀加热至550℃左右,保温4~8小时,再严格控制降温速度至150℃以下出炉,达到消除残余应力的目的,可以保证加工精度和防止裂纹产生。
振动时效(VSR)又称振动消除应力法,是将工件(包括铸件、锻件、焊接构件等)在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理,以振动的形式给工件施加附加应力,当附加应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观或宏观塑性变形,从而降低和均化工件内的残余应力,使尺寸精度获得稳定的一种方法。这种工艺具有耗能少、时间短、效果显著等特点。近年来在国内外都得到迅速发展和广泛应用。

超声时效冲击枪提高焊接接头疲劳性能的原理
焊接造成的残余内应力如何消除一直是行业内普遍存在的问题。因为残余内应力的存在,产品在内应力释放的过程中,就会在应力残留位置产生翘曲、变形甚至开裂的情况。另外对于结构刚度、杆件稳定性、静载强度、疲劳强度、构件脆性也有一定影响。
消除应力普遍的解决办法是进行热时效处理,但热时效同时存在许多方面的问题,比如需要处理的工件尺寸超过时效炉的最大处理范围,时效过程中升降温速度难以控制等。而且热时效的成本非常高,运输也较为繁琐。
超声冲击设备彻底解决了热时效存在的诸多问题,可就地针对焊缝进行时效处理,不需要更换场地,而且大大降低了时效成本,改善了时效效果的不确定性。超声冲击技术是目前焊接应力消除最有效的方法。应力消除率高于热处理和振动时效处理,最高可达到100%。针对焊接焊缝,进行超声波冲击处理,不但能消除残余内应力,而且可以延长焊接区得疲劳寿命和强度,减少应力腐蚀开裂的可能性,提高抗脆裂性和增强材料强度。
超声冲击设备利用大功率的能量推动冲击头以每秒约2万次的频率冲击金属物体表面,高频、高效和聚焦下的大能量使金属表层产生较大的压缩塑性变形;同时超声冲击改变了原有的应力场,产生有益的压应力;高能量冲击下金属表面温度极速升高又迅速冷却,使作用区表层金属组织发生变化,冲击部位得以强化,应力得以消除或均化。
超声波驱动电源通过电缆与设置在外壳内的超声波换能器连接,换能器的振动输出端部与变幅杆连接,变幅杆端部装有冲击针。
超声波驱动电源将市电转换成高频高电压交流电流,输给超声波换能器。然后超声波换能器将输入的电能转换成机械能,即超声波,其表现形式是换能器在纵向作往复伸缩运动;伸缩运动的频率等同于驱动电源的交流电流频率,伸缩的位移量在十几微米左右。变幅杆的作用一是将换能器的输出振幅放大,达到100微米以上,另一方面对冲击针施加冲击力,推动冲击针高速前冲。冲击针冲击工件后,能量向焊缝传递,以达到消除内应力的作用。冲击头受工件的反作用后回弹,碰到高频振动的变幅杆后,再次受到激发,又一次高速度撞向焊缝,如此反复多次,完成冲击作业。

超声冲击 特点:
独有的稳频、恒幅控制电路,冲击效果稳定一致
功率高,不虚标,冲击效果好
不受工件形状、结构、材质、重量、钢板厚度、场地之限制
进口器件,可靠性高,使用寿命长
重量轻,便携,操作非常方便
一流老厂家,设计精良,使用面广
经济、实用、环保、节能、安全、无污染
显著节能,降低费用


超声冲击功效:
1、  使金属焊缝的表面层内的残余拉伸应力变为压应力,从而大幅提高金属结构的疲劳寿命。
2、  改变表面层内的金属晶粒结构,使之产生塑性变形层,从而使金属表面层的强度和硬度都有显著的提高。
3、  改善焊趾的几何形状,降低应力集中。
4、  改变焊接应力场,明显减少焊接变形,提高工件的尺寸稳定性。
5、  应力消除效果优于热时效;
6、  适用于户外作业及大型结构件,不受形状、尺寸等限制。
6、  适用于材质广泛,不受材质限制。
7、  疲劳强度可提高0.5-5倍;疲劳寿命提高5-10倍;耐腐蚀性提高四倍;延长工件使用寿命。
8、  消除焊缝表层微小裂纹及溶渣,抑制裂纹发生。

冲击枪应用领域:对焊接处的稳定性和强度方面要求较严格的行业。如:桥梁、电力、造船、压力容器、钢结构等行业的金属焊接处理。
(1)船舶与海洋工程
(2)铁路与公路桥梁的焊接处
(3)管道与压力容器
(4)焊接结构复杂、高拘束状态下的超大型的构件
(5)工程机械、起重机械
(6)受交变动载荷威胁的易疲劳件
项 目
自然时效
热时效
振动时效
应力消除率
10%左右
30-80%
30-80%
尺寸稳定性
较差
较好
时效成本
占场地、占资金
150-300元/吨
10元/吨
时效周期
一般半年以上
20-60小时
一小时以内
环境保护
无污染
污染较严重
无污染
抗变形能力
较好
比时效前降低
比热时效提高30-50%
时效变形量
可忽略不计
较大
可忽略不计
工作适应性
几乎任何工件
受工件尺寸、材质限制
几乎任何工件
工序安排
须在精加工前
须在精加工前
可排在任何工序之前