振动时效现场
一、振动频率的确定
在共振状态下，可用小的振动能量，使工件产生大的振幅，得到大的动应力和动能量，从而使工件中的残余应力消除的更，工件获得的尺寸稳定性效果更好。
振动时效中的共振状态，是在外部激振器激振力的持续作用下，零件处于“受迫振动”时的一个特殊状态。它的条件是激振频率接近工件的固有频率，这时振动特性中的振幅—频率曲线出现一个峰值，振幅的陡然增大对振动时效产生附加动应力有利。
工件在振动时效时是一个振动体，它与其支撑用的弹性橡胶垫和激振器组成为一个振动系统，当该系统进行自由振动时，根据振动学原理，它的共振频率仅与系统本身的质量、刚度和阻尼有关。这个频率是由系统固有性质所决定的，称为固有频率。
振动时效中一个工件和它的支撑体组成振动学中一个质量和一个弹簧的振动系统，它的固有频率可用下列通式表示：
（4-1）
式中：-----固有频率（HZ）；K---弹簧的刚度（Kg/cm）；
m---振动体质量（Kg）。
图4-1示出了某均质等截面梁弯曲的频率及相应的振型。
由振动频率的方程解及上图可知，具有几个自由度的振动系统，有几个固有频率，按低至高
振动时效对零件尺寸精度的影响
国内外大量试验和实际应用已经证明，振动时效可使工件在长期使用中精度变化量比热时效小，工件尺寸稳定所需要的时间比热时效要短。因此说振动时效对于稳定工件的尺寸精度具有良好的作用。
齐齐哈尔机床厂对C5116A的滑枕的尺寸稳定性做了对比性检测，将9件滑枕静置在陈旧的水泥地面上，每月用合向水平仪检测一次平直性，共观测六个月。
其中02，06，07号滑枕未作任何处理。
01和03，04和05号滑枕采用串接式振动处理。用一阶固有频率激振25分钟后，再用二、三阶共振频率各激振2~5分钟。
08，09号滑枕在550℃热时效并保温6小时后，随炉冷至200℃出炉。
全部试样均在22℃±2℃下分七段（每段桥距200mm），测02导轨的平直性，测量精度2μm/m。对01，03，04和05号试样，在振前、振后各测一次观测其大变形量为24μm，说明振动处理使变形量提前发生。
在六个月的检测中，未时效件共测量144段，振动处理件测量192段，热时效件测量96段。其结果如下：
月大变形为未时效件8μm，振动时效件4.4μm，热时效件4.8μm。
3μm以上变形段数为未时效件30个，占总测量段数的20.8%；振动时效件20个，占总测量段数的10.4%；热时效件有11个，占总测量段数的11.4%。
表3.6和表3.7是CW6163床身尺寸稳定性检测结果。该床身为4500×500×600mm，重量为1.5t。用8件静置半年，每月测其导轨的平直性。每件17个测量段，每段桥距为200mm。
表3.5
未时效件 振动时效件 热时效件
大月变形 μm 14 8 8
测量频数 289 306 204
变形量
6μm以上 频 数 36 8 9
相对频数 12.5% 2.6% 4.4%
变形量
9μm以上 频 数 7 0 0
相对频数 2.4% 0 0
表3.6
未时效件 振动时效件 热时效件
大月变形 27μm 12μm 14μm
测量频数 45 45 30
变形量
6μm以上 频 数 36 8 9
相对频数 12.5% 2.6% 4.4%
变形量
9μm以上 频 数 7 0 0
相对频数 2.4% 0 0
从表3.5和表3.6中可见，热时效和振动时效均可使大变形减少一半以上，且大变形的频数显著降低。如月变形量6μm以上的频数，未时效件是振动时效件的4.8倍，是热时效件的2.9倍。而累计变形就更加明显，变形11μm以上的频数，未时效件是热时效件的7.2倍，是振动时效件的9.6倍。
振动时效和热时效都起着使尺寸稳定而提保持性的作用，而振动时效更优于热时效。这已为国内外大量试验验证而被广泛应用。
一项振动时效工艺是否成功，其后的检测方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但是振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它是需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅-时间参数曲线测试法并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现的。
（a）幅频特性曲线扫描法
图6-1幅频特性曲线二次扫描图
（图中实线为振前所测曲线、虚线为振后所测曲线）
在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，（如图6-1中所示f1变为f1′）、共振峰值的增高、频带变窄。振动处理前测得的幅-频特性曲线和振后幅频特性曲线对比可求出各参数的变化量△f,△h和△u。经过多个试件处理后可把这些变化量的统计值确定下来。这样就可在生产应用时进行监测。
如果生产中所得的参数变化与确定的数值相近，说明振动处理的效果已达到。如果远远偏小，说明效果欠佳，尚需在激振参数（主要是激振力）上做适当调整，或支承方式上需做调整。
总之，幅-频特性曲线监测法是国内外普遍采用的较为成熟的方法。
（b）振幅-时间曲线监测法
幅-频特性曲线是振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线。这要比种方法更为简单，它既可以通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可以通过振幅的变化量来监测残余应力的变化情况。
焊接构件的振动时效技术是对已焊接成型的构件进行振动处理，用以降低和均化由于焊接造成的残余应力。而振动焊接是将被焊部件进行振动，且边振动边焊接，直到焊完为止。这种振动是在一定频率范围内的轻微振动，其作用如下：，当焊缝金属在熔溶状态时，振动可以使组织发生变化，晶粒得以细化。焊缝晶粒细化必将使材料力学性能得到提高；其次在有温度作用下，焊缝处材料屈服极限很低，因此振动很容易使热应力场得到缓解，极易发生热塑性变形，而释放受约束应变，使应力场梯度减少，故使后的焊接残余应力得到降低或均化；第三由于振动，在结晶过程中使气泡杂质等容易上浮，氢气易排除，焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓，降低应力集中，提高焊接质量。因此振动焊接可以有效地防止焊接裂纹和变形，提高构件的疲劳寿命，增强机械性能。
振动焊接技术是在振动时效技术基础上发展起来的。但振动焊接技术的作用明显优于振动时效技术。振动时效技术是在构件焊好后使用的处理技术，只能对焊接残余应力起到降低和均化作用，而振动焊接技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用，接着在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低残余应力。因此，可以说振动焊接从一开始就起到了防止焊接裂纹和减少变形的作用。提高焊接质量是优于振动时效技术的优点。做为振动焊接，它并不要求构件达到共振状态，只要达到某一频率范围内且具有一定的振幅就可以，因此振动焊接技术可以在任何构件上应用。特别是在大型结构件焊接修复时，振动焊接就完全可以实现，焊后不再使用热时效处理。
在这里说明的是“振动焊接技术”包括两个方面，即“焊接技术”与“焊接振动技术”两个内容。这里说的“焊接技术”就是正常的焊接技术，而“焊接振动技术”就是在焊接过程中根据不同构件施加一种不同参数的机械振动。这一章就是研究关于“振动焊接”的作用和“振动焊接”的工艺参数选择原理。
振动焊接技术的特点决定了该项技术的适用性。各种实验验证了该项技术有如下的特点：
．焊接结晶过程中振动可使晶粒细化，因此使焊缝材料力学性能显著提高，材料的屈服极限σS、强度极限σb均可提高10%~30%，这有助于防止焊接热裂纹和冷裂纹的发生。
．降低焊接残余应力30%以上，这有助于于防止或减少焊接构件使用中发生裂纹，延长使用寿命，稳定构件的尺寸精度。
．降低焊接变形30%以上，如果采用“予刚度法”和“予应力法”则变形可降低60%以上，达到设计要求。
．由于晶粒细化和残余应力的降低，提高了焊缝断裂韧性20%以上，的提高了焊缝材料抗开裂的能力。
．提高疲劳极限15%以上，提高焊缝疲劳寿命70%以上。这是各种效果的综合值，提高使用寿命这也是各种附加工艺所追求的终目标。
．减少砂眼、跳焊等，使焊接纹理细密，减少根部的应力集中，显著提高焊接质量。
．可免除焊接予热过程或降低予热温度。
．可排除焊后的热时效或振动时效处理。
．显著的防止或减少焊接裂纹，这是振动焊接一项的特点。
根据上述优点，我们不难看出振动焊接技术比起振动时效来说具有更广阔的前途和更大的适用性。可以说振动焊接技术在所有的焊接过程中均可应用，特别是对于焊接中易出现裂纹和变形的构件应先选用振动焊接。对于压力容器，如能采用振动焊接一定会获得更好效果，必将大大增加设备的安全度。
圆环型构件的振动时效工艺
某厂生产的SYI1920/2850型风机叶轮是为发电厂引排粉尘设备配套的，以直沿用热时效方式来消除焊接应力，由于量大，交货期短，热时效变形较严重，故委托我公司进行振动时效处理。
该叶轮外径2850mm，内径1920mm，厚度350mm，为焊接结构，属较典型园环形件，我们采用三点支撑，沿圆周上三点均布。激振器用C形卡具卡紧在内圆处，传感器放在叶轮的外圆周上，如图7-3.
图8-3 叶轮振动时效示意图
用VSRDS-08型振动时效装置测得该叶轮固有频率为10532r/min，共振峰值为43.3m/，这时选择的是K2型激振器，偏心量为28%左右。我们选择在峰值43.3m/的1/3所对应的频率10486 r/min下进行振动时效处理12分钟，在进行第二次扫频，可知，对该叶轮的振动时效处理时间为14分钟。该叶轮的参数及曲线如图7-4.
