汕头高温振动时效 超声波消除应力
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关 键 词：汕头高温振动时效
行 业：机械 其他行业**设备
发布时间：2020-11-22
从宏观角度分析振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化余应力并提高材料的抗变形能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析余应力松驰和零件变形中可知，余应力的存在及其不稳定性造成了应力松驰和再分布，使零件发生塑性变形。故通常采用热时效方法以消除和降低余应力，特别是危险的降值应力，振动时效同样可以降低余应力，零件在振动处理后余应力通常可降低30—80%，同时也使峰值应力降低使应力分布均匀化。
从微观方面分析振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加动应力，众所周知工程上采用的材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不同类型的微观缺陷，铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体的石墨。故而无论是钢、铸铁或其他金属，其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中，当受到振动时，施加于零件上的交变应力与零件中的余应力叠加。当应力叠加的结果到一定的数值时，在应力集中严重的部位就会**过材料的屈服极限而发生塑性变形。这种塑性变形降低了该处余应力降值，并强化了金属基体，而后振动又在一些应力集中较严重的部位上产生同样作用，直至振动附加应力与余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止，此时振动便不再产生消除和均化余应力及强化金属的作用。
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℃）；
振动时效的作用
（1）降低构件残余应力
108吨汽车车架组合焊接后产生较大的残余应力。按照上海乐展电器有限公司制定的工艺参数，对108吨汽车车架振动时效后，残余应力下降17.92~88.83%，总应力水平下降为47.62%（见表14）。其中易发生裂纹部位一中横梁与纵梁联结处（见图14）残余应力下降88.83%。
（2）防止或减少断裂裂纹，从动应力测试结果表明，应力集中部位正是车架多次发生断裂裂纹处，由此可见应力集中是车架裂纹的主要原因。用振动处理技术消除残余应力尽管是低应力下进行的，确能使残余应力大幅度下降。因此，在外界条件下（动载荷或温度变化等）而不产生微观断裂裂纹。总之，振动处理技术适用于各种焊接构件，其作用是，降低构件残余应力，提高构件疲劳寿命。
台振动时效后的108吨汽车车架，在霍林河矿区运行一年多，至今未发现任何裂纹迹象，仅按此时间计算，振动后车架的开裂寿命是未时效车架平均开裂寿命的二倍以上。
振动时效装置的选择
振动时效是用振动方法降低和均化焊接构件残余应力。选择振动时效装置必须能够实现频率自动上升或自动下降，可点升频率或点降频率。振动频率可调到任何一个转速。我们选用的微机控制的振动时效装置，可自动描绘被振工件的频率-幅值特性曲线，能写出共振峰的转速和加速度幅值对应坐标值。能绘制振动前后曲线。
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℃）；
回转臂、底座是连铸机上的主要部件，由厚钢板焊接而成，具有较大的焊接应力，必将造成应力腐蚀破坏，结构设计中提出对其进行时效处理。根据现场条件选用振动处理方法，确定如下具体实施方案：
1．对回转臂、底座进行现场振动时效处理；
2．分别做振前、振后的焊接残余应力检测，测试方法采用“盲孔法”按国家行业标准JB/T10375-2002评定效果。
3．给出检测报告。
在贵厂技术人员积极配合下，此项工作已全部完成，特此提出如下报告：
一、振动时效处理对金属构件的作用
振动时效又称振动消除应力，是对具有残余应力的金属构件做振动处理，使构件在共振频率下振动。当构件产生共振时，构件将按一定的振型产生弹性变形，当这个弹性变形与构件原有受约束的弹性应变相叠加时，高应力区进入了材料的屈服极限，使这些受约束的弹性应变（即产生残余应力的应变）转化成塑性应变，使约束得到缓解而释放应力。因此可以说振动时效是通过共振使构件受约束的应变得到释放，而降低和均化应力的。
振动时效既然可以降低和均化应力，则必然可以消除或降低残余应力对构件的影响。通过大量的实验和工程实际应用已充分证明它的如下技术作用：
1．降低和均化应力，消除应力集中，防止或延缓裂纹的发生；
2．防止或减少构件的变形；
3．防止或减少应力腐蚀；
4．可以提高焊缝的抗疲劳特性，提高使用寿命。
由于振动时效具有上述的作用，且具有操作简便、高效节能、实用性强等特点，因此得到广大企业的欢迎。目前全国在造船、冶金、机械制造、矿山机械、航空、铁路、机床制造等行业已广泛应用，同时也受到国家的重视和认可。2005年制定了国家行业标准JB/T5926-2005，并在2006年被国家经贸委批准为“科技成果重点推广计划”项目，在全国普遍推广。
二、回转臂振动时效处理
1．振动时效处理
a．主振：根据工件的结构特点采用对角十字四点支撑，激振点在A处，拾振点在B处，具体位置见图2。预置扫频范围6200RPM/min全自动处理。时效时间33分钟，偏心档位10档，振动特性曲线见图1。
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5863RPM/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，对构件做振前、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，
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℃）；
振动时效与热时效比较
振动时效与热时效比较具有节约能源、投资少、工艺简便、减少环境污染、效率高等优点。
1．操作时间对比：热时效108吨汽车车架需用24小时（旧焖火窑已经报废拆除），而振动时效仅需40分钟，即振动时效是热时效工时的1/36。
2．操作繁简程度对比：热时效要起吊、运输、装炉、加热、出炉、再运输、再起吊等一系列繁琐过程，而振动时效可在原焊接场地进行，没有客观条件等不利因素影响。
3．能源消耗对比：热时效仅烧柴油费就需4620元（一个车架需用三吨柴油，1540元/t×3t=4620元不考虑鼓风机用电费用）。
振动时效用电费仅为0.16元（0.3元/千瓦小时×0.8千瓦×小时=0.16元）。因此，振动时效与热时效相比，消耗能源相差悬殊。
4．设备投资费用对比：热时效需要建窑费用为35万元，不包括每年至少一次修窑费用。而振动时效设备一次投资费为6万元左右。即振动时效是热时效设备投资费用的1/6。
5．从材料性能分析：热时效容易造成材料硬度或其它机械性能下降，还容易使构件表面脱碳，并且热作用容易产生组织变化。振动时效可以提高构件的机械强度提高抗变形能力。
总之，振动时效处理比热时效处理更具**动性、灵活性和广泛的适用性。特别是像108吨汽车车架（长=9001mm）等大型焊接构件振动时效处理更为明显。当车架急需组装时，振动时效可随时在现场进行。
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℃）；
主要技术参数
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：2200W；
适宜处理工件重量：≤100吨
稳速精度：±1R/Min；
加速度量程：0-50.0g；
电机额定电流：80A；
电机额定电压：2000V；
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℃）；
