西安震动去焊接应力 振动时效工艺
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关 键 词：西安震动去焊接应力
行 业：机械 其他行业专用设备
发布时间：2020-11-26
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残余应力
§2.1残余应力分类
在各种金属构件加工制造过程中，构件内部不可避免地会产生残余应力。生产过程中应力产生主要工艺分为：铸造残余应力、焊接残余应力、压力加工残余应力、切削加工残余应力、热处理残余应力、镀层残余应力、表面硬化处理残余应力、校直残余应力等。
§2.2残余应力的产生
各种机械加工一如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内部出现不同程度的残余应力。从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类：
1. 由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。
2. 由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。
3. 由于装配公差产生的残余应力。
此外还有化学变化等多种原因都可产生残余应力。
由于产生残余应力的原因不同，因此构建内残余应力的分布和良知也不相同。某点的终残余应力的量值，是由各种原因产生的残余应力的综合值。
现将产生残余应力的几种主要原因的力学模型分述如下。
一、 机械加工引起的残余应力
这是金属构件在加工中易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。
这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拨、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。
二、 温度不均匀引起的残余应力
大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性至弹性的转变。以铸铁件和碳钢焊接件为例；无论是铸造和焊接均需要将构件加热到800℃以上。加工后放在自然温度环境中，构件都要经过这个塑性—弹性转变温度区间700---400℃，由于构件冷却是从外到内的，就会产生外部成弹性温度区间，而构件内部还处在塑性温度区间，通俗的讲就是构件外部已经固化，而内部因为继续冷却而收缩，构件外部不让其收缩产生残余应力。
振动时效的原理
国内外大量的应用实例证明，振动时效对消除和均化残余应力，稳定工件的尺寸精度具有良好的作用。同时对振动时效的机理也做了大量的研究和探讨。
从宏观角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力，无意识导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，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残余应力，特别是危险的峰值应力。振动时效同样可以降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低30~55﹪，同时也使峰值应力降低，使应力分布均匀化。
除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一种重要因素是松弛刚性，或零件的抗变形能力。
有时虽然零件具有较大的残余应力，但因其抗变形能力强，而不致造成大的变形。在这一方面，振动时效同样表现出明显的作用。由振动时效的加载实验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。通过振动而使材料得到强化，使零件的尺寸精度达到稳定。
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得石墨。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残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值时，在应力集中严重的部位就会超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残余应力峰值，并强化了金属机体。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残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性性别为止，此时，振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属作用。上述解释已由大量的试验加以证明。
此外，我更主张从错位、晶格滑移等金属学理论上去解释振动时效机理。其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下，给工件的每一部位（从微观角度说是工件里的每一个微观晶格）施加一定的动能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值（残余应力本身是一种势能）之和，足以克服微观组织周围的井势（也可以说是对恢复平衡的束缚力），则微观区域必然会产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地回复平衡状态，使应力集中处地位错得以滑移并重新钉扎，达到消除和均化残余应力的目的。对于残余应力集中的地方，残余应力值较大，其微观组织本身所具有的回复平衡状态的势能值也较大，所以，此处的残余应力在震动处理过程中消除的就越多。只有从这一观点上才能解释通许多用种观点所解释不通的一些现象，比如：在振动处理过程中我们只需施加一个方向的主动应力，就能消除包括垂直主动应力方向上的所有残余应力等
热时效
热时效是将构件由室温缓慢.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。
热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温度差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长会引起石墨化使构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。热时效降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。
降温速度对消除残余应力的影响
降低温度速度 ℃/小时 残余应力消除的百分数（%）
130 6—27
50 40—50
30 60—85
注：炉内温度差不大于25℃
热时效存在的问题： 建窑占地面积大，费用高（每立方米1—1.2万元）。 热时效能耗高，生产成本高。 热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。
热时效工件在炉内不同位置消除应力的测试结果
序号 工件在炉内的位置 残余应力的大小（kgf /mm2） 残余应力消除的百分比（%）
时效前 时效后
σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 平 均
1 炉后端 10.4 7.9 6.6 6.2 36.7 21.4 29.1
2 炉中部 10.4 7.9 5.1 1.6 51.2 79.6 65.4
3 炉门处 10.4 7.9 9.1 8.1 12.6 -2.4 5.1
可见：同一炉内，热时效消除应力不均匀。
4)热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。
振动时效工艺特点
振动时效之所以能够取代热时效，是由于该技术具有明显的优点。
1、 机械性能显着提高
经过振动时效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例比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。可以防止和减少由于热处理、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，从几十公斤到几十吨的构件都可以使用振动时效技术。特别是对于一些大型构件无法使用热时效时，振动时效就具有更加突出的优越性。
3、节省时间、能源和费用
振动时效只需30分钟即可进行下道工序。而热时效至少需要一至两天以上，且需要大量的煤油、电等能源。因此，相对与热时效来说，振动时效可节省能源90%以上，可节省费用95%以上，特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。
三、振动时效工艺的发展及应用
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，加上当时对振动时效消除残余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，因此该技术一直未得到实际应用。
超声波时效法是国外较流行的焊后处理、表面局部强化和消除余应力的方法。该方法首先在前苏联的乌克兰延生，于二十世纪六十年代在美国得到迅速发展，在第十三届国际焊接学会上被公认为是提高焊接结构疲劳性能方法，并在发达国家迅速得以推广应用，经过半个多世纪的发展，超声波时效处理的工艺及设备已日趋完善，该方法的执行机构轻巧，使用灵活方便、噪音小、效率高、成本低、节能、无污染。
