振動時效設備 振動時效儀 振動時效技術在冶金機械中的應用
摘要：本文簡要介紹了振動時效技術原理、典型工藝及在焊接結構件的振動處理工藝及操作實施。
前言：我公司是隸屬××××集團公司的專業(yè)機械制造廠，主要加工制作冶金行業(yè)焊接鋼結構件及各類配套機械產(chǎn)品，每年所承接鋼結構件約4000噸。在焊接結構件的殘余應力的消除處理上常采用熱時效工藝，但我公司只配備兩座鑄件退火爐，爐膛尺寸過小，無法完全滿足大型焊接件的熱時效處理需要，且熱時效工藝不易控制，成本極高，每噸處理費用一千元。我公司經(jīng)研究分析，決定采用目前國內近年來興起的振動時效（VSR）技術，經(jīng)一年多的實踐應用，解決了焊接結構件的殘余應力處理問題，大幅降低了生產(chǎn)成本，取得較好成效，也積累了一些應用經(jīng)驗。
一、振動時效設備 振動時效儀 振動時效技術原理及設備
振動時效(VSR)就是在激振設備周期性——激振力的作用下在某一頻率使金屬構件共振，形成的動應力使構件在半小時內進行數(shù)萬次較大振幅的亞共振振動,使其內部殘余應力疊加，達到一定數(shù)值后,在應力最集中處,會超過屈服極限而產(chǎn)生微小的塑性變形，降低該處殘余應力,并強化金屬基體；而后振動在其余應力集中部分產(chǎn)生同樣作用，直至不能引起任何部分塑性變形為止，從而使構件內殘余應力降低和重新分布，處于平衡狀態(tài)，提高材料的強度。構件在后序安裝使用中，因不再處于共振狀態(tài)，不承受比共振力更大外力作用，振后構件不會出現(xiàn)應力變形。振動時效也可看作在周期動應力作用下循環(huán)應變，金屬材料內部晶體位錯運動使微觀應力增加，達到調節(jié)應力穩(wěn)定構件尺寸的過程。
國內目前主流的振動時效設備RSR2000（G）應用這一技術原理，結合計算機控制技術，控制激振器的轉速和偏心使工件發(fā)生共振，讓工件需時效部位產(chǎn)生一定幅度、一定周數(shù)的交變運動并吸收能量，以便讓工件內部發(fā)生一定的微觀粘彈塑料性金屬力學變化，在一定程度上降低和均化工件內部的殘余應力，提高工件尺寸穩(wěn)定性及疲勞壽命等性能。其控制系統(tǒng)具有自動、手動振前掃頻功能，得出構件本身固有頻率，并自動選擇最佳亞共振峰進行時效處理，自動進行振后掃頻和記錄振動時效工藝數(shù)據(jù)、曲線，最后按國家標準（JB/T10375-2002）的參數(shù)曲線檢測法，通過比較時效前后及過程中工件的有效固有頻率及其加速度等參數(shù)的變化來定性地判斷時效效果。
二、典型工件振動時效工藝
在實際加工中，工件的重量、體積、結構形狀具有多樣性，在振動時效前很準確制定出各工藝參數(shù)，工件的主振頻率、輔振頻率、激振力及激振點和支承點位置等參數(shù)必須通過調整才能準確得出。實際操作中常借鑒典型工件的工藝方案，總結形成適合：
1、分析：根據(jù)振動時效工件可能出現(xiàn)的振型，合理地支撐工件及裝卡激振器的位置。
梁型件(如圖1)，支撐一般應用4點距一端2/9和7/9處。激振器一般裝卡在中間波峰附近，加速度計安裝在一端的波峰附近。主振頻率多以彎振型較多,其節(jié)線一般位于距支點(2/9)L處，實際工作中應根據(jù)工件具體結構形式采取兩點、三點或四點支承方式，對于冶金設備的重型梁架構件，支點位置的設置可采用垂直平分線法，即以三個支點中心為頂點作三角形，三角形三條邊垂直平分線
與邊緣線的交點位置為激振器的固定區(qū)域。經(jīng)實踐經(jīng)驗表明，振動中阻力較小，易獲得振幅較大的共振及振動效果。
板型件(如圖3)板型工件隨著長寬比不同，其主振型有彎曲振型和扭曲振型。長寬比小的工件常為扭曲振型，支撐點為三點(互成120度)；長寬比大的工件主振型一般為彎彎振型，采用4點(對角)支撐再邊緣處，激振器一般裝卡在兩橡膠墊中間邊緣波峰附近，加速度計安裝在一側兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。
圓板型件(如圖4)一般采用3點(互成120度)或4點(對角)支撐再邊緣處，激振器一般裝卡在兩橡膠墊中間邊緣波峰附近，加速度計安裝在一側兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。
方箱型件(如圖5)一般采用3點支撐再較長的邊緣處，激振器一般裝卡在上邊鋼性較大的邊緣波峰附近，加速度計安裝在邊緣的波峰附近。
振動時效設備 振動時效儀 振動時效技術在冶金機械中的應用
大部分機械產(chǎn)品均為幾公斤至幾百公斤的小型件，因重量、體積過小無法單獨振動，常采用平臺振動時效法，即將批量工件安裝至特制平臺上，對平臺進行振動使工件同時產(chǎn)生共振，達到與對單個大型工件振動同樣的效果。平臺的結構為長矩形（長寬比3—4），厚度50~80mm，激振器采用夾持或螺孔安裝，平臺主振型為彎曲振型，以四點支撐，工件呈縱向放置。對軸類、法蘭類零件及機加工后不便于熱處理的工件的處理效果較顯著。
上述只是簡要的介紹一般常規(guī)工件的支撐與激振器的裝卡位置，具體情況還需要反復試驗(利用手動工作模式)來找出合適的振動時效工藝參數(shù)。
2、時效處理的頻率.波峰波節(jié).支撐點的選擇：
利用手動掃頻到被振工件發(fā)出較大的振動聲時，往工件上撒一些沙子，沙子會劇烈的跳動，沙子聚攏處為波節(jié)，反之為波峰，共振頻率是在電流和加速度值最大時相對應的頻率。波峰.波節(jié)要反復找多次，使支撐更加合理。
3、激振力的選擇：
激振力大小的選擇應根據(jù)工件的不同材質.幾何形狀.剛度的大小及重量等因素來確定。實驗和國內外的資料證明，工件的動應力應在20mpa-35mpa之間。焊接件大一些(35mpa)鑄件小一些(20mpa)效果較好。動應力的大小可用動態(tài)電阻應變儀來測定，若無儀器，可根據(jù)被振工件的形態(tài)依據(jù)材料力學介紹的"理想體"來進行估算。動應力大小的調整是通過改變激振力的大小來完成的，改變激振力是通過改變激振器的偏心距來實現(xiàn)。實際操作中可以經(jīng)驗先選定一偏心距，再逐級調節(jié)，以避免振前掃描時出現(xiàn)過載現(xiàn)象。
4、振動時間的選擇：
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構件重量(噸) |
處理時間(分鐘) |
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<1 |
15--20 |
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1~5 |
20~25 |
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>5 |
25~35 |
表中數(shù)據(jù)只作參考，實際情況應根據(jù)被振工件的幾何形狀。材質.重量及檢查尺寸穩(wěn)定性，通過實驗找出最佳時間。
三、工作實例
中間罐體（如圖7所示）是鋼鐵廠冶煉常用備件，重量為22噸，外形尺寸（長×寬×高mm ）5897×1685×1200。該工件需承重60噸，其各部焊縫
腳尺寸大，四周各支撐耳軸焊后要求同軸誤差<3mm，工件各截面主要焊縫均存在較大焊接應力。
1、工藝方案分析
其結構較形式綜合了方箱體與梁型體的特點，且重量較重，為使振動時工件各面能獲得足夠在的動應力，在支撐點設置上采用三點固定支撐，激振器安裝位置按“垂直平分線法”設置，，激振器因設在遠離支點的波峰處，其偏心輪旋轉面平行于支點的平面，使工件上下兩面呈剪切運動的共振，對工件垂直面及上下平面焊縫均能產(chǎn)生較大動應力，加速度傳感器放置在邊長較長的一邊，（如圖7所示）以獲得高的振動信號。
振動工藝采取多點、多頻施振。以多點施振的變換激點位置，在振動中通過不同振型使各截面產(chǎn)生大振幅的亞共振；多頻施振在同一激振狀態(tài)下（支點、激點位置不變），采用不同頻率進行振動，以確保工件在高頻、低頻振動后殘余應力完全趨于平衡狀態(tài)，最終取得最佳振動效果。
2、工藝實施和操作
將工件按工藝方案支撐后，安裝設備并將激振器偏心角調至20。，設備進行振前自動掃描確定共振頻，轉速上升至約3500r/min后，加速度78m/s2出現(xiàn)共振峰，后加速度曲線出現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，調整偏心角至30。，支點向工件中心內移，轉速升至2609r/min，出現(xiàn)共振峰，完成振前掃描，進入亞共振狀態(tài)，振動中通過撒沙法觀察，沙子聚集形狀符合彎振型形狀，轉速穩(wěn)定在2590r/min左右，振動35min后，系統(tǒng)自動進行振后處理，打印出處理曲線圖。（如圖8所示）從圖上顯示的工藝數(shù)據(jù)及振后曲線較振前曲線明顯右移，符合振動時效國家標準的曲線檢測法。再按工藝方案依次進行多頻、多點振動。
四、振動時效設備 振動時效儀 振動時效技術在冶金機械中的應用應注意的幾個問題
1、發(fā)生強迫共振：隨著振動頻率的升高，電機電流一直上升無下降趨勢，這時即發(fā)生了強迫共振，這種現(xiàn)象一般是由被振工件的重量太小而剛性又太大所導致。
2、找不到共振區(qū)：在掃頻過程中發(fā)現(xiàn)隨著頻率的升高，電樞電流也緩慢增加，但是電流并不大，直到掃頻結束加速度始終在增加并很小，這種現(xiàn)象一般都是由于工件的固有頻率超出設備的控制頻率范圍。
3、發(fā)生以上情況，通過實驗的方法可以解決。反復改變激振力和支撐點以及激振器的裝卡位置；采用懸臂的方法(將工件一端固定.激振器裝卡在另一端的方法)。.采用組合振動法(將多個工件剛性連接在一起可以降低工件的固有頻率)。
五、結論
在鋼結構焊接件、鑄件及機械加工件上應用振動時效工藝處理后，工件應力平均可下降30%~40%，符合振動時效國家標準，可達到時效的目的。
使用振動時效技術替代熱時效工藝，操作簡便，可節(jié)約大量生產(chǎn)成本，減少污染，縮短處理周期，我公司1~11月共處理各類鋼構件1200噸，節(jié)約處理費用96萬元，時效時間由原12小時縮短至約30分鐘，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。
振動時效設備 振動時效儀 振動時效技術在冶金機械中的應用