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振动时效在水轮机生产中的应用
四通（江西）电机有限责任公司（南昌市，330002）汪华 熊海仁
摘要：本文介绍了某型水轮机焊接座环的振动时效的工艺，并对振动时效后的应力调整结果进行了分析
1、前言
国内外的实践和研究表明，振动时效是一种介于自然时效和热时效两者之间的时效方法，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2-10% ，但是却较大地提高了工件的松弛刚度。因而工件的尺寸稳定性好，然而因时间较长，一般不采用。热时效通常认为可以消除残余应力为70-80%，我国若干厂家热时效消除残余应力的统计说明，实际生产中，热时效消除残余应力为20-60%，而且能耗大、成本高，振动时效可以消除残余应力20-50%，比热时效低，但比自然时效高，主要是降低残余应力峰值；它和自然时效一样，能提高工件的松弛刚度，而热时效能则工件的松弛刚度下降。因而振动时效工件的尺寸稳定性与热时效工件相当。此外，振动时效还具有投资小，生产周期短，节约能源，降低成本等优点。
我公司从1981年开始采用振动时效，对电动机、发电机的焊接结构件进行时效处理。十余年的实践证明，振动时效处理后的电机结构件能满足尺寸稳定性要求，未出现影响电机安装和使用的情况，我们曾经用盲孔法对1250KW柴油发电机机座和端盖进行振前、振后残余应力测试，测试结果表明机座和端盖的残余应力降幅的平均值分别为33.2% 、34.3%。由于我公司产品结构调整，水轮机结构件的外形尺寸越来越大，加工周期越来越短，为满足生产需要。我们对某型水轮机座环进行了振动时效工艺试验和振前、振后残余应力测试。
2、振动时效工艺过程：
2.1振动时效设备：
1）控制箱：SSIN100A型
2）激振器：功率2.2KW，最大激振力35KN，最高转速8000转/分
2.2工件支撑位置和激振器装夹位置：工件上环朝下、下环朝上水平放置于专用支撑垫上，对座环共振三次，第1次激振器装夹在上环，第2、3次振动在下环。
3、应力测试点位置：
本次应力测试采用磁测法，分别检测振动时效前、后的应变电流变化，根据应力测试的要求，测试点均选在座环上焊缝的焊趾处，分7个区（每个区测2个点），共选取14个测点。
振前、振后应变电流：
3.3应力测试的方法与结果：
3.3.1应力测试的方法：
本测试使用三维应力分布磁测仪，通过传感器和一定的电路将磁导率变化转变为电流量（或电压）的变化，建立应力和电流（或电压）的函数关系，通过电流量测量来确定的内应力。
应力和电流（或电压）之间不存在单值的函数关系，但在平面应力的状态下，主应力方向输出的电流差和主应力差有单值得线性关系，其表达式：
（I2-I1）=a（σ1-σ2）……（1）
其中：I1¬—最大主应力方向电流输出值，mA ;
I2—最小主应力方向电流输出值，mA ；
σ1—最大主应力，Mpa
σ2—最小主应力，Mpa
a— 灵敏系数，mA /Mpa
主应力方向未知时，可用下列公式确定主应力方向角和主应力差；
θ=tg-1(I0 、I45、I90) ……（2）
（σ1-σ2）=（I90-I1）/acos2θ……（3）
式中：0—最大主应力方向和X轴夹角；
I0、I45 、I90分别为0°、45°、90°三方面电流输出值mA
对此工件测试应力时，选择测量深度为1.96mm，探头尺寸为10×10mm2.。所测应力的平均应力。
4、应力测试结果分析和结论：
4.1结果分析：从应力测试结果可知上环缝振后应力降低幅度大于角焊缝。振前导叶与上环角接处凸型焊缝应力最大，但振后应力水平一般在2/3σS附近。]]
4.2测试结论：测量层深1.96mm的平均应力较为全面地反映整个机座焊缝处的宏观残余应力水平。振后整体应力比较均匀，一般在140Mpa—170Mpa区域，整体应力消除率在36%左右，满足JB/T5926-91标准。
综合上述情况，振动时效能解决水轮机大尺寸零件的消除应力，保证金加工后工件尺寸相对稳定的要求。
摘要：本文介绍了某型水轮机焊接座环的振动时效的工艺，并对振动时效后的应力调整结果进行了分析
1、前言
国内外的实践和研究表明，振动时效是一种介于自然时效和热时效两者之间的时效方法，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2-10% ，但是却较大地提高了工件的松弛刚度。因而工件的尺寸稳定性好，然而因时间较长，一般不采用。热时效通常认为可以消除残余应力为70-80%，我国若干厂家热时效消除残余应力的统计说明，实际生产中，热时效消除残余应力为20-60%，而且能耗大、成本高，振动时效可以消除残余应力20-50%，比热时效低，但比自然时效高，主要是降低残余应力峰值；它和自然时效一样，能提高工件的松弛刚度，而热时效能则工件的松弛刚度下降。因而振动时效工件的尺寸稳定性与热时效工件相当。此外，振动时效还具有投资小，生产周期短，节约能源，降低成本等优点。
我公司从1981年开始采用振动时效，对电动机、发电机的焊接结构件进行时效处理。十余年的实践证明，振动时效处理后的电机结构件能满足尺寸稳定性要求，未出现影响电机安装和使用的情况，我们曾经用盲孔法对1250KW柴油发电机机座和端盖进行振前、振后残余应力测试，测试结果表明机座和端盖的残余应力降幅的平均值分别为33.2% 、34.3%。由于我公司产品结构调整，水轮机结构件的外形尺寸越来越大，加工周期越来越短，为满足生产需要。我们对某型水轮机座环进行了振动时效工艺试验和振前、振后残余应力测试。
2、振动时效工艺过程：
2.1振动时效设备：
1）控制箱：SSIN100A型
2）激振器：功率2.2KW，最大激振力35KN，最高转速8000转/分
2.2工件支撑位置和激振器装夹位置：工件上环朝下、下环朝上水平放置于专用支撑垫上，对座环共振三次，第1次激振器装夹在上环，第2、3次振动在下环。
| 次数 | 偏心角（°） | 转速（N/min） | 时间（min） | 加速度m/s2 |
| 1 | 45 | 4530 | 5 | ＞6 |
| 2 | 60 | 5500 | 10 | ＞6 |
| 3 | 20 | 5438 | 20 | ＞6 |
3、应力测试点位置：
本次应力测试采用磁测法，分别检测振动时效前、后的应变电流变化，根据应力测试的要求，测试点均选在座环上焊缝的焊趾处，分7个区（每个区测2个点），共选取14个测点。
振前、振后应变电流：
测点 序号 | 振前电流值(mA) | 振后电流值(mA) | ||||
| I0 | I0 | I0 | I0 | I0 | I0 | |
| 1 | -0.64 | 0.08 | 0.79 | -4.84 | -2.85 | -4.5 |
| 2 | -2.64 | -3.36 | -2.64 | -4.6 | -4.57 | -5.87 |
| 3 | -3.80 | -3.87 | 7.87 | -3.3 | -2.6 | -2.9 |
| 4 | -4.65 | -3.24 | -2.69 | -4.7 | -4.6 | -3.35 |
| 5 | -5.18 | -3.80 | -4.35 | -4.41 | -4.25 | -4.44 |
| 6 | -4.7 | -5.36 | -7.4 | -3.54 | -3.47 | -4.8 |
| 7 | -4.58 | -7.82 | -7.21 | -2.99 | -3.85 | -5.46 |
| 8 | -7.14 | -6.47 | -8.33 | -6.56 | -6.03 | -5.0 |
| 9 | 1.2 | 0.9 | -0.33 | 0.53 | 0.26 | 1.00 |
| 10 | 1.37 | 1.6 | -0.92 | 1.11 | 0.40 | 1.16 |
| 11 | -2.88 | -2.55 | -2.04 | -2.66 | -2.18 | -3.88 |
| 12 | -4.94 | -4.94 | -5.87 | -3.47 | -4.33 | -3.43 |
| 13 | -1.67 | -0.59 | -1.12 | -0.78 | -0.88 | -0.83 |
| 14 | -3.58 | -1.84 | -2.61 | -1.63 | -1.25 | -2.59 |
3.3应力测试的方法与结果：
3.3.1应力测试的方法：
本测试使用三维应力分布磁测仪，通过传感器和一定的电路将磁导率变化转变为电流量（或电压）的变化，建立应力和电流（或电压）的函数关系，通过电流量测量来确定的内应力。
应力和电流（或电压）之间不存在单值的函数关系，但在平面应力的状态下，主应力方向输出的电流差和主应力差有单值得线性关系，其表达式：
（I2-I1）=a（σ1-σ2）……（1）
其中：I1¬—最大主应力方向电流输出值，mA ;
I2—最小主应力方向电流输出值，mA ；
σ1—最大主应力，Mpa
σ2—最小主应力，Mpa
a— 灵敏系数，mA /Mpa
主应力方向未知时，可用下列公式确定主应力方向角和主应力差；
θ=tg-1(I0 、I45、I90) ……（2）
（σ1-σ2）=（I90-I1）/acos2θ……（3）
式中：0—最大主应力方向和X轴夹角；
I0、I45 、I90分别为0°、45°、90°三方面电流输出值mA
对此工件测试应力时，选择测量深度为1.96mm，探头尺寸为10×10mm2.。所测应力的平均应力。
4、应力测试结果分析和结论：
4.1结果分析：从应力测试结果可知上环缝振后应力降低幅度大于角焊缝。振前导叶与上环角接处凸型焊缝应力最大，但振后应力水平一般在2/3σS附近。]]
4.2测试结论：测量层深1.96mm的平均应力较为全面地反映整个机座焊缝处的宏观残余应力水平。振后整体应力比较均匀，一般在140Mpa—170Mpa区域，整体应力消除率在36%左右，满足JB/T5926-91标准。
综合上述情况，振动时效能解决水轮机大尺寸零件的消除应力，保证金加工后工件尺寸相对稳定的要求。
