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关 键 词：常州叶轮振动时效
行 业：机械 其他行业**设备
发布时间：2021-04-14
振动时效技术又称“振动消除应力法”，国外简称“VSR”技术。它的实施过程是通过振动时效装置的控制系统控制激振器的转数和偏心作用在工件上产生离心力，使工件发生共振（谐振），让工件需时效部位产生一定幅度、一定周期的交变运动，并吸收能量，经过一定时间的振动引起工件微小塑性变形及晶粒内部位错逐渐滑移，并重新缠绕钉扎使得余应力被消除和均化，防止工件变形和开裂，从而达到提高工件尺寸精度稳定性，增强工件的抗变形能力和提高疲劳寿命。
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、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，近年来不仅已在航天航空、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、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。、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℃）；
振动时效设备的构造原理
振动时效技术应用需要有的振动时效设备，振动时效设备大体上由控制器，激振器，传感器等三部分组成。
一、控制器：控制器是振动时效装置的心脏，它的主要功能是控制激振器上的电动机按操作者得指令要求运转，并吧测得的有关数据给予显示和打印，控制器的技术指标代表着整体设备的水平。
控制器一般由CPU板、控制板、硬件、显示板和打印机等组成。原有的控制器一般是通过大量的电子元件之间的控制实现控制器的基本功能，
二、激振器：激振器是振动时效装置的执行部分，对于构件的振动时效处理，就是通过激振器来完成的。激振器主要有调速电机、偏心块和偏心箱组成，电机的转速及升降的速度是由控制器来控制的，电机带动偏心两可调的偏心块运转，产生一定的周期激振力，激振力通过偏心箱作用在被时效的工件上，以实现对工作的振动时效处理。
三、传感器：传感器是用来测试工件的振动情况的，它将工件的实际振动变成电信号传输给微机处理，帮助微机实现对工件的振动监视。
HK系列振动时效装置是根据十多年的振动时效实际工作经验，并对包括美国马丁公司产品在内的多种振动时效装置的实际长期使用、摸索、研究后，结合建伟成熟的振动时效理论及工艺研究而研制成功的具有全自动系统控制体系的振动时效装置，它与现有的振动时效装置相比，**的优点是：
1.控制其中的系统会自动地确定振动时效工艺参数，如果是操作者自己选择参数，当参数不合适时，控制器会自动关机，并告知不合适的原因，指示您再调整。
2.对振动处理的数据及曲线，微机先记忆起来，然后按操作者的需求方式给予打印。
3.由于采用的是软件控制，所以控制器不仅具有可编程功能，而且电子元件个数大大减少，故障率较低，又由于采用的插板式结构，即使一般人员维修起来也特别方便。
4.由于激振器各部分是经过严格挑选的，所以其可靠性大大提高。
5. 一台控制器各可控制多种规格的激振器。
6.时效过程中动态检测工件应力的消除情况，做到适时停机。
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℃）；
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：1200W；
适宜处理工件重量：≤10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℃）；
