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振動時效 機理    
     振動時效的實質是通過振動的形式給工件施加一個動應力,當動應力與工件本身的殘余應力疊加后,達到或超過材料的微觀屈服極限時,工件就會發生微觀或宏觀的局部、整體的彈性塑性變形,同時降低并均化工件內部的殘余應力,最終達到防止工件變形與開裂,穩定工件尺寸與幾何精度的目的。
振動時效 工藝程序
     振動處理技術又稱做振動消除應力,在我國又稱做振動時效。它是將一個具有偏心重塊的電機系統(稱做激振器)安放在構件上,并將構件用橡皮墊等彈性物體支承,通過控制器起動電機并調節其轉速,使構件處于共振狀態。約經20~30分鐘的振動處理即可達到調整殘余應力的目的,一般累計振動時間不應超過40分鐘。
     可見,用振動調整殘余應力技術是十分簡單和可行的。
振動時效 工藝守則
     振動時效工藝守則是指導對振動時效技術應用及檢查的總的原則,它應包括以下幾方面的內容。
一、總則部分:它包括制定本守則的目的及使用范圍。
二、生產前的準備:它包括對設備的檢查、儀器的導線聯接、工作場地的定置管理等。
三、預分析:根據工件的形狀、分析可能出現的振型,以指導操作人員正確的進行對工件的支撐及激振器和傳感器的裝夾。
四、試振:它包括初步測試工件的固有頻率和驗證第三部分所做出的分析是否正確,如果預分析與實際有所差別,應通過這步工作調整過來。在這一部分中還包括主振器頻率、激振力、振動時間的確定原則等。
五、振動處理過程:包括振動處理全過程的操作程序和各程序的確定原則。
六、質量管理制度:包括時效效果的檢驗方法及檢驗方式。
七、儀器的保養和維護。
振動時效 工藝特點
     振動時效之所以能夠部分地取代熱時效,是由于該項技術具有一些明顯的特點。 振動時效的幾個重要參數是:“支撐點、振型、激振點、加速度、固有頻率、時間”其中振動加速度、共振頻率、共振時間是決定工藝效果的主要參數。
1.機械性能顯著提高
     經過振動處理的構件其殘余應力可以被消除20%~80%左右,高拉應力區消除的比低應力區大。因此可以提高使用強度和疲勞壽命,降低應力腐蝕。
可以防止或減少由于熱處理、焊接等工藝過程造成的微觀裂紋的發生。
可以提高構件抗變形的能力,穩定構件的精度,提高機械質量。
2.適用性強
     由于設備簡單易于搬動,因此可以在任何場地上進行現場處理。它不受構件大小和材料的限制,從幾十公斤到幾百噸的構件都可使用振動時效技術。特別是對一些大型構件無法使用熱時效處理時,振動時效就具有更加突出的優越性。
3.節省成本
     振動時效只需30分鐘即可進行下道工序。而熱時效至少需一至二天以上,且需大量的煤油、電等能源。因此,相對于熱時效來說,振動時效可節省能源90%以上,可節省費用90%以上,特別是可以節省建造大型燜火窯的巨大投資。
振動時效 工藝發展
     用振動的方法消除金屬構件的殘余應力技術,于1900年在美國就取得了專利。但由于人們長期使用熱時效,加上當時對振動消除應力的機理還不十分明確,且高速電機尚未出現造成設備沉重、調節不便,因此該項技術一直未得到發展和應用。
     直到60年代由于能源危機,美國、英國、日本、聯邦德國等國才又開始研究振動時效的機理和應用工藝。特別是到70年代由于可調高速電機的出現,推動了振動消除應力裝置(VSR系統)的發展:1973年英國制成手提式VSR系統即VCM80系統,后來美國馬丁工程公司也研制出比較先進的設備LT-100R型VSR系統。法國和蘇聯也分別生產出PSV型和NB型VSR系統。這些比較先進的激振裝置,促進了振動消除應力工藝的發展和應用。
     據統計,截止到20世紀90年代,世界上正在使用的VSR系統約有一萬臺以上。美國采用振動時效工藝的有700多個公司,蘇聯和東歐一些國家也在大量使用,都取得了明顯的經濟效益。許多國家都已將振動時效定為某些機械構件必須采用的標準工藝。在英國幾乎沒有一家公司不使用該項技術的。
振動時效 工藝應用
     振動處理在國外的應用范圍比較廣,被處理構件的類型也比較多。例如:
1.英國一機床公司生產大型精密機床,其床身與立柱要求精度為0.01mm/2m。過去采用熱時效其精度保持性較差,后來改用振動時效,滿足了精度要求,因此將振動時效定為該項產品的標準工藝。
2.英國生產的鋁合金鑄造精密泵體,其尺寸為275×300×150mm,也是用振動時效來保證其精度的。
3.美國PX工程公司,用振動時效來消除8噸重的焊接結構齒輪的內應力,用以減少焊接裂紋。
4.美國Pont Land電子專業公司,用該項技術處理4噸重的鍛件毛坯。該公司規定鍛件進行三次振動處理:
(1)毛坯(2)粗加工后(3)精加工后。三次處理后即保證了鍛件的穩定性。
5.美國華盛頓鋼鐵公司,對該公司生產的47噸重的剪床座進行振動處理。剪床座是用152mm至203mm厚的鋼板焊成,加強筋厚為38mm至76mm這樣大而重的構件只用40分鐘的振動處理就代替了過去的熱時效處理。
6.美國西北工業公司對2800噸重的海洋鐵塔及1280噸重的鉆井平臺也采用過振動時效處理。
7.英國對陸上井口平臺采用振動時效,井口平臺是由管徑為200mm的鋼管焊成6m×6m×2m管型構架。
8.英國噴氣發動機火焰筒襯里,由于焊后熱膨脹而發生裂紋,報廢率占30%以上,后來采用振動時效工藝,報廢率幾乎為零。
9.英國生產的所有專用機床床身都是用振動時效代替熱時效。有三十多家機床廠和十多個鍛壓設備廠都是將振動時效作為標準的生產工藝。
     美、英等國在其它工業部門也大量采用振動時效,如造紙機械廠、船舶軸承廠、激光焊機廠、齒輪箱制造廠、紡織機械廠、軋鋼設備廠、印刷機械廠、泵制造廠、采油設備廠、發電設備廠、鍋爐廠等都應用振動時效來消除構件的應力。
     自1975年以來,特別是上世紀九十年代后,該項技術在我國也得到了較快的發展和推廣,已較廣泛地應用在各種焊接結構件,在機床鑄件上也取得了較大的突破。
     多年來,關于振動時效對焊接構件疲勞壽命的影響是國內外專家極為關心和爭論的焦點問題。我國一些單位做了許多研究,得出的結論認為,振動時效對金屬材料的力學性能有較大的影響,合理的振動時效工藝可以提高焊接構件的疲勞壽命。這些結論為振動時效在焊接構件上的應用奠定了理論基礎。
     振動時效工藝在國內經二十余年的理論研究,并經過近二十年的應用推廣,國內許多企業都在一些重要的基礎部件中應用了我公司所研究的振動時效產品。
1.大型電站設備中的發電機機座、端蓋、座環、水輪發電機導葉。
2.中國第一重型機器廠制造的軋鋼設備中的焊接結構件,大型鍛造轉軸。
3.組合機床床身焊接件和CD6140普通車床鑄造床身。
4.東風4D內燃機車轉向架焊接構件,用振動時效提高疲勞壽命和柴油機機體粗加工后的二次振動時效,防止機體在使用中出現疲勞裂紋。
5.一些無法進行時效處理的大型金屬結構,如爐殼、托圈、拱頂、鋼包回轉臺等。
6.航天領域中的重大項目中的大型金屬結構焊接后用振動消除應力。
7.單晶爐爐殼、爐門都由不銹鋼焊接制造,不能加熱時效處理,采用振動時效,既防止了變形,又提高了抗腐蝕能力。
振動時效 常見問題
     由于部分用戶對振動時效的機理不甚了解,盲目使用一些簡易的(所謂“全自動振動時效”)振動時效設備對產品進行時效。這種完全不針對工件特性、僅按照振動時效設備生產者預置的參數,對各種工件均采用一種或幾種工藝參數進行時效的方法,會導致被時效工件出現下列幾種情況:
1.1. 假時效:工件未發生共振或振幅很小或者雖然振幅較大,但工件整體做剛體振動或擺動,“全自動振動時效設備”也能按照預置的程序打印或輸出各種時效參數、曲線,誤導操作者和工藝員判斷,這樣工件根本沒有達到時效的效果;
1.2. 誤時效:工件雖然產生共振,但是發生的振型與工件所需要的振型不一致,動應力沒有加到工件需去應力的部位,這樣不能使工件達到預期的時效目的,影響時效的效果;
1.3. 過時效:由于不針對工件個性采用合理的時效參數,完全照盲目預置的參數,對工件進行時效,可能會因為共振過于強烈或振幅過大,導致工件內部的缺陷(裂紋、夾渣、氣孔、縮松等)繼續擴大、撕裂,甚至報廢的嚴重后果。
2、 振動時效的工藝分析
     由上述的振動時效工藝的現狀可以看出:用盲目的全自動振動時效工藝對工件時效處理是偽科學的,這不僅不能使工件達到時效目的,還會因此出現嚴重的后果,造成工件開裂,甚至報廢。
     那么,什么樣的振動時效工藝才是科學的呢?
     首先,應在時效前分析工件的殘余應力分布情況,形位精度要求,以及今后的工作載荷和可能失效的原因等,制訂合理的振動時效工藝,確定時效路線及重點時效部位。
2.1. 形位精度分析:
根據工件直線度、圓柱度、平面度、同軸度、對稱度等,應采取不同的激振力,選用不同的振型。
2.2. 共振頻率分析:
根據工件強度、剛性、批量選擇不同支撐方式或采用振動平臺進行處理。
2.3. 振型分析:
不同的頻率對應不同的振型,不同的振型對應不同動應力場。
2.4. 工作載荷: 針對工件今后的工作變形狀況,應重點消除工況狀態工件載荷較大部位的殘余應力,選用與之相對應的振型進行時效處理。
2.5. 工況失效分析:根據今后可能出現的問題,應選用不同的激振力不同的時間進行時效處理。
其次,應根據被時效的工件,科學地選擇振動時效設備。不應該選擇一些簡易的、所謂“全自動振動時效設備”;而應該深入了解振動時效機理后通過比較,選擇這樣的振動時效設備:
a) 運行穩定、轉速閉環控制、定速可靠、在線打印、性價比高:
b) 強弱電隔離、自我保護功能強、故障率低、易于維修:
c) 操作方便、能夠人機對話,并能通過面板輸入口令設置設備運行參數, 而不需要改變硬件設置:
d) 不論使用何種操作模式(手動、半自動、全自動、編程)均能實現多峰值自動識別、多振型時效,并能實現局部掃描、局部打印;并且能針對工件的特性,采用超級手動(可根據操作者的經驗及意愿直接快速完成振前掃描、打印、識別、時效、振后掃描)完成有用峰的振動時效,避免處理無效峰;而且還能夠通過超級手動找出大量工藝參數,作科學的分析,找出相同零件的共性,迅速、方便地在面板上編制程序并儲存,以便今后隨時調用對工件科學全自動的時效處理;
關于 振動焊接技術
     振動焊接技術是在振動時效技術的基礎上發展起來的,但振動焊接技術的作用明顯優於振動時效技術。焊接構件的振動時效技術是對已焊接成型的構件進行處理,用以降低和均化由于焊接造成的殘余應力。而振動焊接是首先將被焊構件進行振動,且邊振動邊焊接,直至焊完為止。這種振動是在一定頻率范圍內的輕微振動,其作用如下:首先,當焊縫金屬在溶溶狀態時,振動可以使組織發生變化,晶粒得以細化。焊縫晶粒細化必將使材料力學性能得到提高,其次在有溫度作用下,焊縫處材料屈服極限很低,因此振動很容易使熱應力場得到緩解,極易發生熱塑性變形,而釋放受約束的應變,使應力場梯度減少,故使最后的焊縫殘余應力得到降低和均化、平緩,降低應力集中,提高焊接質量,因此振動焊接可以有效的防止焊接裂紋和變形,提高構件的疲勞壽命,增強機械性能。
     振動時效技術是在構件焊好后使用的處理技術,只能對焊接殘余應力起到降低和均化作用。而振動焊接技術從焊接開始就起到細化晶粒的作用,接著在熱狀態下通過熱塑性變形來調整應變來降低殘余應力。因此,可以說振動焊接從一開始就起到了防止焊接裂紋和減少變形的作用。提高焊接質量是優於振動時效技術的最突出優點。做為振動焊接技術,它并不要求構件必須達到共振狀態,只要達到某一頻率范圍內且具有一定的振幅就可以,因此振動焊接技術可以在任何構件上使用。特別是在大型結構件焊接修復時,振動焊接技術就可以完全實現,焊后不再使用熱時效處理。在這里說明的是“振動焊接技術”包括兩個方面,即“焊接技術”與“振動焊接技術”兩個內容。“焊接技術”就是正常的焊接技術,而“振動焊接技術”就是在焊接過程中根據不同的工件施加一種不同參數的機械振動。
振動焊接技術特點
     振動焊接技術的特點決定了該項技術的適用性,各種實驗證明了該項技術有如下特點:
1、焊接結晶過程可使晶粒細化,因此使焊縫材料力學性能顯著提高,材料的屈服極限σs、強度極限σь  均可提高10%~30%,這有助于防止焊接熱裂紋和冷裂紋的發生。  
2、降低焊接應應力30%以上,這有助于防止或減少焊接構件使用中發生裂紋,延長使用壽命,穩定構件的尺寸精度。  
3、降低變形30%以上,如果采用“予鋼度法”和"予應力法"則變形可降低60%以上,達到設計要求。  
4、由于晶粒細化和殘余應力的降低,提高了焊縫斷裂韌性20%以上,極大的提高焊縫的抗開裂能力。  
5、提高疲勞極限15%以上,提高焊縫疲勞壽命70%以上。這是各種效果的綜合值,提高使用壽命這也是各種附加工藝所追求的最終目標。  
6、減少沙眼、跳焊等,使焊縫紋理細密,減少根部的應力集中,顯著提高焊接質量。
7、可免除焊接預熱過程或降低預熱溫度。  
8、可排除焊后的熱時效或振動時效處理。  
9、顯著的防治或減少焊接裂紋,這是振動焊接技術最突出的特點。  
     根據上述,可以說振動焊接技術在所有技術的焊接過程中均可應用,特別是對于焊接中易出現裂紋和變形的構件應最先選用振動焊接技術。
     由于振動焊接技術工藝參數只有頻率和振幅,而不需要更多的調整,其設備操作簡單方便,而且該設備應具備振動時效的功能。
 
振動時效工藝 適用材質    
     適用于碳素結構鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬(銅、鋁、鈦及其合金)等材質的鑄件、鍛件、焊接件、模具、機加工件。
 
振動時效工藝 術語和定義
  1  全程掃頻和局部掃頻 Span scanning & local scanning
  時效裝置從最低轉速到當前偏心矩下最大轉速全范圍內掃頻稱全程掃頻。
  時效裝置在當前偏心矩下某一段轉速范圍內掃頻稱局部掃頻。
  2  振型 Vibration mode
  工件受某一頻率激勵產生共振,在其某一點位移達到最大值的瞬間,工件各點的位移形成的線或面稱為振型。
  3  節點和節線 Vibration node & Vibration nodal line
  工件共振時,振型上振幅最小處稱為該振型的節點,簡稱節點。
  節點連成的線稱為該振型的節線,簡稱節線。共振時,工件可能有多個節點或節線。
  4  振型有效區 Effective area of vibration mode
  工件共振時,在工件相鄰節線之間或相交節線所圍區域內,其動應力等效值在該區域內動應力等效值峰值的0.707倍以上的區域稱為該振型的振型有效區,簡稱振型有效區。
  5  有效頻率和有效振型 Effective vibration frequency & Effective vibration mode
  工件以某頻率共振,若其振型有效區能覆蓋工件被重點關注區域或其殘余應力較大區域,則該頻率對應的振型稱為有效振型,該共振頻率稱為有效頻率。
  6     時效頻率 Eging frequency
  當選定某一有效振型對工件進行時效時,為使振型有效區的動應力等效值峰值達到一定數值,在該有效振型對應的有效頻率的亞共振頻率區內具體選擇的激振頻率稱為時效頻率。
  7     殘余應力等效值 Equivalent residual stress

各種 常見時效工藝 對比
   
機械加工過程中,特別是鑄鍛焊件,在冷熱加工過程中,產生殘余應力,高者在屈服極限附近。構件中的殘余應力大多數表現出很大的有害作用;如降低構件的實際強度,降低疲勞極限,造成應力腐蝕和脆性斷裂。并且由于殘余應力的松弛,使零件產生翹曲,大大的影響了構件的尺寸精度。因此降低構件的殘余應力,是十分必要的。
    傳統的時效方法有:熱時效、振動時效、自然時效、靜態過載時效、熱沖擊時效等。后兩種方法應用較少,這里不作介紹。
    自然時效(NSR)是將工件長時間露天放置(一般長達六個月至一年左右),利用環境溫度的季節性變化和時間效應使殘余應力釋放,在溫度應力形成的過載下,促使殘余應力發生松弛而使尺寸精度獲得穩定。由于周期太長和占地面積大,僅適應長期單一品種的批量生產和效果不理想,目前應用的較少。
    熱時效(TSR)是將構件由室溫(或不高于150℃)緩慢、均勻加熱至550℃左右,保溫4~8小時,再嚴格控制降溫速度至150℃以下出爐,達到消除殘余應力的目的,可以保證加工精度和防止裂紋產生。
  振動時效(VSR)又稱振動消除應力法,是將工件(包括鑄件、鍛件、焊接構件等)在其固有頻率下進行數分鐘至數十分鐘的振動處理,以振動的形式給工件施加附加應力,當附加應力與殘余應力疊加后,達到或超過材料的屈服極限時,工件發生微觀或宏觀塑性變形,從而降低和均化工件內的殘余應力,使尺寸精度獲得穩定的一種方法。這種工藝具有耗能少、時間短、效果顯著等特點。近年來在國內外都得到迅速發展和廣泛應用。

超聲時效沖擊槍提高焊接接頭疲勞性能的原理 
      焊接造成的殘余內應力如何消除一直是行業內普遍存在的問題。因為殘余內應力的存在,產品在內應力釋放的過程中,就會在應力殘留位置產生翹曲、變形甚至開裂的情況。另外對于結構剛度、桿件穩定性、靜載強度、疲勞強度、構件脆性也有一定影響。
      消除應力普遍的解決辦法是進行熱時效處理,但熱時效同時存在許多方面的問題,比如需要處理的工件尺寸超過時效爐的最大處理范圍,時效過程中升降溫速度難以控制等。而且熱時效的成本非常高,運輸也較為繁瑣。
      超聲沖擊設備徹底解決了熱時效存在的諸多問題,可就地針對焊縫進行時效處理,不需要更換場地,而且大大降低了時效成本,改善了時效效果的不確定性。超聲沖擊技術是目前焊接應力消除最有效的方法。應力消除率高于熱處理和振動時效處理,最高可達到100%。針對焊接焊縫,進行超聲波沖擊處理,不但能消除殘余內應力,而且可以延長焊接區得疲勞壽命和強度,減少應力腐蝕開裂的可能性,提高抗脆裂性和增強材料強度。
      超聲沖擊設備利用大功率的能量推動沖擊頭以每秒約2萬次的頻率沖擊金屬物體表面,高頻、高效和聚焦下的大能量使金屬表層產生較大的壓縮塑性變形;同時超聲沖擊改變了原有的應力場,產生有益的壓應力;高能量沖擊下金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻,使作用區表層金屬組織發生變化,沖擊部位得以強化,應力得以消除或均化。

      超聲波驅動電源通過電纜與設置在外殼內的超聲波換能器連接,換能器的振動輸出端部與變幅桿連接,變幅桿端部裝有沖擊針。
      超聲波驅動電源將市電轉換成高頻高電壓交流電流,輸給超聲波換能器。然后超聲波換能器將輸入的電能轉換成機械能,即超聲波,其表現形式是換能器在縱向作往復伸縮運動;伸縮運動的頻率等同于驅動電源的交流電流頻率,伸縮的位移量在十幾微米左右。變幅桿的作用一是將換能器的輸出振幅放大,達到100微米以上,另一方面對沖擊針施加沖擊力,推動沖擊針高速前沖。沖擊針沖擊工件后,能量向焊縫傳遞,以達到消除內應力的作用。沖擊頭受工件的反作用后回彈,碰到高頻振動的變幅桿后,再次受到激發,又一次高速度撞向焊縫,如此反復多次,完成沖擊作業。

超聲沖擊 特點
: 
獨有的穩頻、恒幅控制電路,沖擊效果穩定一致
功率高,不虛標,沖擊效果好
不受工件形狀、結構、材質、重量、鋼板厚度、場地之限制
進口器件,可靠性高,使用壽命長
重量輕,便攜,操作非常方便
一流老廠家,設計精良,使用面廣
經濟、實用、環保、節能、安全、無污染
顯著節能,降低費用 

 
超聲沖擊 功效:
1、  使金屬焊縫的表面層內的殘余拉伸應力變為壓應力,從而大幅提高金屬結構的疲勞壽命。
2、  改變表面層內的金屬晶粒結構,使之產生塑性變形層,從而使金屬表面層的強度和硬度都有顯著的提高。
3、  改善焊趾的幾何形狀,降低應力集中。
4、  改變焊接應力場,明顯減少焊接變形,提高工件的尺寸穩定性。
5、  應力消除效果優于熱時效;
6、  適用于戶外作業及大型結構件,不受形狀、尺寸等限制。
6、  適用于材質廣泛,不受材質限制。
7、  疲勞強度可提高0.5-5倍;疲勞壽命提高5-10倍;耐腐蝕性提高四倍;延長工件使用壽命。
8、  消除焊縫表層微小裂紋及溶渣,抑制裂紋發生。
 
沖擊槍應用領域對焊接處的穩定性和強度方面要求較嚴格的行業。如:橋梁、電力、造船、壓力容器、鋼結構等行業的金屬焊接處理。
(1)船舶與海洋工程
(2)鐵路與公路橋梁的焊接處
(3)管道與壓力容器
(4)焊接結構復雜、高拘束狀態下的超大型的構件
(5)工程機械、起重機械
(6)受交變動載荷威脅的易疲勞件

項 目
自然時效
熱時效
振動時效
應力消除率
10%左右
30-80%
30-80%
尺寸穩定性
較差
較好
時效成本
占場地、占資金
150-300元/噸
10元/噸
時效周期
一般半年以上
20-60小時
一小時以內
環境保護
無污染
污染較嚴重
無污染
抗變形能力
較好
比時效前降低
比熱時效提高30-50%
時效變形量
可忽略不計
較大
可忽略不計
工作適應性
幾乎任何工件
受工件尺寸、材質限制
幾乎任何工件
工序安排
須在精加工前
須在精加工前
可排在任何工序之前
 

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