振动时效技术在石油机械制造中的应用

【摘要】能源工程中很多构件在服役或超期服役过程中有的经受高温、高压并带有放射性物质的作用或兼有介质腐蚀的环境，有的承受疲劳、冲击及中子辐照等工况条件，这往往会引发材质恶化，应力变动以及产生新的裂纹，给结构的安全运行带来不利的影响，应采取合理的技术措施防止上述问题的发生。振动时效以其工艺简单方便、适用性强等突出特点在大型起重机械、大型火电、核电力设备以及航空、航天构件等的制造中受到广泛应用。

【关键词】振动时效；石油机械制造

中图分类号：TQ171文献标识码： A 文章编号：

一、振动时效机理简述

振动时效最早是由一个美国的物理学家提出来的，其基本思想是通过对应力工件施以循环载荷，使工件内应力释放从而使工件残余应力降低，尺寸稳定下来而达到时效之目的。 由于其降低残余应力效果与热时效相当工件尺寸稳定性，抗疲劳强度极限还优于热时效，加上无须建一系列热时效，所需固定设备生产周期短、处理地点灵活、购置一套装置投入少、时效时耗能少(据统计、振动时效的能耗约为热时效的2%以下、生产费用约为10%以下) ，无环境污染等优点，故而在国外应用已相当普遍，许多国家已将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。

我国从20世纪70年代就开始对振动时效技术进行研究、试验取得了大量成果，并于 1991年被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目，1993 年又被国家科委列为“部级科技成果重点推广计划项目”G。然而自 1991年至今此项技术显然没能在机械行业得到显著推广究其原因，笔者认为:首先是振动时效机理现在尚无定论，这使具体使用者对他的实效产生疑惑。其次，振动时效工艺参数具体如何确定的问题目前很少有系统介绍，给此项技术的使用带来一定不便。再者，振动时效效果的检测，由于测振动前后残余应力来知道消除情况的方法较麻烦，而对参数曲线评价方法(一种利用振动前后幅频曲线的变化等来评价效果的方法)感觉没把握，这也多少影响了此技术的接受率和广泛推广。

振动时效即振动消除应力法，是通过与所需时效工件刚性相连的激振器的振动频率、偏心档位、激振时间，将激振器所产生的周期性外力施加于工件，使工件产生振动，利用振动能量达到降低和均匀化残余应力，提高尺寸精度的目的。对于振动时效的机理可以从宏观和微观两个方面来理解。

从宏观上讲，在周期性外载作用下，工件各部分产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加，在应力较高的区域，产生了微小的塑性变形，使残余应力的峰值下降，改变了工件原有的内应力场，最终使工件的残余应力降低并重新分布，从而在较低的应力水平下达到平衡。

从微观上讲，振动能量的输入提高了构件内部晶体的动能，加快了畸变晶格恢复平衡位置的速度，引起位错密度的增加，位错移动受阻，从而强化了基体，降低了构件的微观残余应力，提高了工件的抗变形能力及尺寸稳定性。

二、振动时效工艺的基本原则

（一）激振力的选择

从振动时效的机理可知，振动时效的过程实质上是金属材料内部位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错，在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加，在应力较高的区域，就可产生位错的滑移，出现微小塑性变形，从而残余应力得到降低并重新分布，达到平衡。所以，金属工件残余应力调整的必要参数是动应力而不是频率，激振力的大小直接影响到振动处理效果的好坏。

激振力的大小是通过工件所承受的动应力值来衡量的。动应力的选择，有的以构件内的残余应力作为选择依据，有的以材料类别作为选择依据，有的以工件的实际载荷作为选择依据。这些数据都带有一定的经验性，其适用性还需进一步的验证。

（二）激振频率的选择

根据扫频线或锤击法可以获得工件的各阶固有频率。另外，根据工件的功率谱可知，一般在第一阶固有频率上振动，动力放大作用最明显，能最有效地发挥激振器的作用，但由于工件处于共振状态时振动不稳定，而且这时激振器的工作条件比较差，甚至可能被损坏。所以一般选择在工件的同有频率附近激振较好，考虑到随着振动时间的增加，工件的固有频率还会变化，所以一般采用幅频特性曲线上的亚共振区的频率激振工件。这样一方面可以更好地发挥放大激振力的作用，同时振动也比较稳定。根据理论计算及实验验证，可将共振峰值的4／5处对应的频率作为激振频率，这样可避免在工件固有频率上共振，出现振动不稳定。

如果激振器的频率能够满足第二阶固有频率的要求，则先在第一阶固有频率的哑共振区频率振动一定时间后再在第二阶固有频率的亚共振区振动一定时间，这样比单纯在一阶哑共振区频率振动得到更好的振动时效质量。但一般没必要在第三阶或更高阶固有频率振动，虽然从理沦上来讲，三阶或多阶振动可以使残余应力消除更均匀，但实际上，一方面由于振动时效装置的工件频率一般达不到那么高的频率，另一方面，高阶固有频率附近的振动位移比较小，效果往往并不十分显著并且噪声较大。如果工件频率较高，可考虑采用如下方法降频：工件串接法、悬臂法、振动台法。

一般通过扫频寻找固有频率，操作有一定的盲目性。另外对构件在同有频率下的振型通常用撒沙子的方式获得，但对于形状复杂的构件则不容易得到。可以通过ANSYS建立模型，应用有限元结构动力学和实验模态分析振动时效系统的同有频率、振型及动应力情况，并验证了与实测的结果的一致性。

三、振动时效处理的关键参数

振动时效处理的关键技术就是结合工件特点，制定合理的工艺参数、位置参数(激振电机安装位置、加速度计安装位置、工件支承位置等)和技术参数(激振力、激振频率、激振时间等)。

（一）激振力

激振力的作用是在工件上产生一个附加动应力场，它类似于热时效中的加热温度。大量试验表明：动应力越大残余应力降低越多。因此激振力是振动时效处理的关键参数，没有足够的激振力就无法有效地降低残余应力。

振动时效处理是对构件施加一个与疲劳载荷相似的交变载荷，过大的激振力必然对构件造成疲劳损伤。因此在对构件进行振动时效处理时，必须将激振力控制在一个适当的范围内。一般振动处理时的动应力大致等于构件承受的疲劳载荷应力的一半。

（二）激振频率

在振动时效处理过程中，为了能用较小的激振力获得较大的动应力，利用了“共振”特有的放大作用，将激振频率选在靠近固有频率的亚共振区，这样就保证了能产生有效的振动，又避免了由于转速的微小变化而造成的振动不稳定的现象。

（三）激振时间

振动时效对残余应力的消除，实质上是使构件从高残余应力的不稳定状态变为较稳定的低应力状态的一个动态过程。这一过程需要一定的时间，因此，在保证有足够的动应力的前提下，必须持续一定的振动时间，才能使残余应力下降到一个较低的、相对稳定的状态。因此激振力、激振频率、激振时间是振动时效处理的三大要素，三者之间必须相互协调。另外，还必须辅之以正确的构件支撑形式、正确的激振器及拾振器安装位置等，这样才能达到理想的处理效果。

四、重型焊接构件中应用振动时效的技术特点

石油机械中的重型焊接构件与一般的中、小型构件相比，具有结构复杂、重量大、体积大、残余内应力分布极不均匀等特点，要取得理想的处理效果，必须采取特殊的工艺参数。

(1)要采用功率(激振力)较大的激振电机振动处理时，激振电机所需的功率与被振工件的重量是成正比的，即在其它条件如频率、阻尼等不变的情况下，构件重量越大，所需的激振功率就越大，必须用功率较大的激振电机才能在重型构件内产生能够降低和均匀化残余应力所必需的动应力。

(2)要采用多频、多点激振相结合的方法。由于重型焊接构件结构较复杂，焊接量大，焊接残余应力的分布和变化也比较复杂，如采取单点激振的方法，很难在整个构件上产生所期望的振动，而采用多频、多点激振相结合的方法，可以在整个构件上产生剪切、扭转、弯曲等形式的复合振动，有利于构件整体的残余应力的降低和均匀化。

(3)对于尺寸过大、由多部分组装或焊接而成的构件，可采用先分段振动处理，然后再整体振动处理的方法。这样，不仅能减小组装时的变形，而且保证了构件总体应力水平的降低和均匀化。

五 结 论

振动时效技术是一项高效节能、工艺简单，具有显著经济效益和社会效益的技术。它节约能源，减少环境污染，生产周期短、效率高，在很大范围内可以代替热时效，在石油机械制造中的大型焊接件中效果尤为显著。

参考文献

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