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××××集團公司的專業機械制造廠，主要加工制作冶金行業焊接鋼結構件及各類配套機械產品，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，大幅降低了生產成本，取得較好成效，也積累了一些應用經驗。
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，達到一定數值后,在應力最集中處,會超過屈服極限而產生微小的塑性變形，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，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，不承受比共振力更大外力作用，振后構件不會出現應力變形。振動時效也可看作在周期動應力作用下循環應變，金屬材料內部晶體位錯運動使微觀應力增加，達到調節應力穩定構件尺寸的過程。
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生共振，讓工件需時效部位產生一定幅度、一定周數的交變運動并吸收能量，以便讓工件內部發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，提高工件尺寸穩定性及疲勞壽命等性能。其控制系統具有自動、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據、曲線，最后按國家標準（JB/T10375-2002）的參數曲線檢測法，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，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：根據振動時效工件可能出現的振型，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,其節線一般位于距支點(2/9)L處，實際工作中應根據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域。經實踐經驗表明，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。
2、時效處理的頻率.波峰波節.支撐點的選擇：
利用手動掃頻到被振工件發出較大的振動聲時，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，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電阻應變儀來測定，若無儀器，可根據被振工件的形態依據材料力學介紹的"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。實際操作中可以經驗先選定一偏心距，再逐級調節，以避免振前掃描時出現過載現象。
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 |
表中數據只作參考，實際情況應根據被振工件的幾何形狀。材質.重量及檢查尺寸穩定性，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生大振幅的亞共振；多頻施振在同一激振狀態下（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，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出現共振峰，后加速度曲線出現不規則狀態，調整偏心角至30。，支點向工件中心內移，轉速升至2609r/min，出現共振峰，完成振前掃描，進入亞共振狀態，振動中通過撒沙法觀察，沙子聚集形狀符合彎振型形狀，轉速穩定在2590r/min左右，振動35min后，系統自動進行振后處理，打印出處理曲線圖。（如圖8所示）從圖上顯示的工藝數據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，這時即發生了強迫共振，這種現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：在掃頻過程中發現隨著頻率的升高，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，可節約大量生產成本，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