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通过振动时效保证大型平板硫化机焊接工作台的尺寸精度
青岛环球集团有限公司（266000） 尹 强
摘要：大型平板硫化机的焊接机身采用热时效不能保证其尺寸精度。采用振动时效后，尺寸精度全部满足，一年后仍无超差。
关键词：振动时效；焊接件；尺寸精度稳定性；大型焊接件
残余应力的存在在对焊接件的强度、疲劳寿命、结构变形等方面的影响是相当大的，且是影响焊接件尺寸精度稳定性的关键因素之一。通过近年试验应用表明，特别对大型工件，振动时效是消除、均化残余应力的有效方法。振动时效技术，国外称之为“Vibrating Stress Relief ”（简称“VSR”），又称振动消除应力，旨在通过控制专用的时效设备—激振器的激振频率，使工件发生共振（最多数十分钟），让工件产生适当的交变运动并吸收部分能量，致使内部发生微观粘弹塑性力学变化，从而降低工件局部峰值应力和均化工件的残余应力场（尤其是表面的应力集中区域），最终防止工件变形与开裂，保证以后的尺寸稳定精度。这是一项投资少、节能、高效、快捷、实用的先进技术。
构件经过焊接等工艺过程，其内部产生了残余应力，它极大地影响到构件的尺寸稳定性、刚度、强度、疲劳寿命和机械加工性能，甚至会导致裂纹和应力腐蚀。“时效”是降低残余应力，使构件尺寸精度稳定的方法。时效的方法目前主要有三种，即自然时效、热时效、振动时效。
自然时效是最古老的方法，它是把构件置于室外，让其经过气候、温度的反复变化，在反复的稳定应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力可下降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很好。但因耽搁时间太长，一般不采用。
热时效是传统的时效方法，它是把工件加热到550℃左右，保温后控制降温。
热时效由于其费用高、生产周期长、加热温度难以控制、时效质量比较差（特别是大型工件，由于厂商追求效率，往往未到热时效时间即出炉）等因素而影响了生产成本和进度。针对环球集团焊接件多而大的情况，笔者曾采用超声冲击方式消除焊接应力，结果仍然开裂。考虑振动时效的优点并经多方考察，环球集团引进济南西格马科技有限公司的SSIN100A型振动时效设备，经实际使用，现在大大改善了焊接件的时效状况，对焊接件尺寸精度的稳定性有了很好的控制。
一、振动时效机理
振动时效是介于自然时效和热时效两者之间的方法，即工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。振动时效可以消除残余应力20% -50% ，比热时效低一些，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，而热时效却使工件的松弛刚度下降。因此振动时效的工件的尺寸稳定性可以与热时的工件媲美。
振动时效 是利用工件的共振给工件施加附加交变应力或变形，当附加交变应力与残余应力叠加通过材料内摩擦吸收能量达到或超过材料的某一个阈值时，工件发生微观或宏观粘弹塑性变化，从而降低和均化工件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。
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型能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本因素。从微观角度分析，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。其实，笔者更主张从位错、晶格滑移等金属理论上去解释振动时效的机理。其主要观点为振动时效是通过在工件的共振状态下，给工件的关键部位施加一定的动能（该动能不是工件整体跳动的机械运动动能，而是弯曲变形时内阻尼产生的热能），这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织周围的热能时，则微观区域必然产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使应力集中处的位错得以滑移，达到消除和均化残余应力的目的。
二、振动时效工艺
振动时效工件的固有频率、振形、给工件施加的振动能量（动应力）和振动处理时间是工件振动时效处理的主要工艺参数，其参数选择的优劣直接影响到工件的时效效果。在实际时效前我们还需分析工件的残余应力场分布、尺寸精度要求、以后的使用载荷及可能出现的失效原因，以便决定工件的时效路线及时效重点部位。
三、 振动时效处理硫化机机身
1、工件的焊接结构示意图（见图1所示）
2、振动时效工艺曲线跟踪
3、图2为振前扫频，图3为振动后扫频，图4为又振10min后扫频，根据JB/T5926-91中4.1.2，该工艺已达到时效效果。
4、 尺寸精度跟踪
以前，对于大型平板硫化机的工作台和横梁背对背焊接需进行周期达半个多月的热时效，割开后发现其变形量特别大，若保证各形位公差则不能保证总厚度尺寸，并且装配三个月后检查，又出现严重翘曲变形，现在经振动时效处理的长为8m的工作台，其加工余量仅为4-6mm，经一年使用跟踪检测，无开裂点，基本无变形。
四、结论
1、振动时效消除残余应力的效果要好于热时效，成本低，而且方便、灵活，特别适合生产周期和交货期短的市场经济要求。
2、振动时效能够满足对焊接件尺寸稳定性的要求
摘要：大型平板硫化机的焊接机身采用热时效不能保证其尺寸精度。采用振动时效后，尺寸精度全部满足，一年后仍无超差。
关键词：振动时效；焊接件；尺寸精度稳定性；大型焊接件
残余应力的存在在对焊接件的强度、疲劳寿命、结构变形等方面的影响是相当大的，且是影响焊接件尺寸精度稳定性的关键因素之一。通过近年试验应用表明，特别对大型工件，振动时效是消除、均化残余应力的有效方法。振动时效技术，国外称之为“Vibrating Stress Relief ”（简称“VSR”），又称振动消除应力，旨在通过控制专用的时效设备—激振器的激振频率，使工件发生共振（最多数十分钟），让工件产生适当的交变运动并吸收部分能量，致使内部发生微观粘弹塑性力学变化，从而降低工件局部峰值应力和均化工件的残余应力场（尤其是表面的应力集中区域），最终防止工件变形与开裂，保证以后的尺寸稳定精度。这是一项投资少、节能、高效、快捷、实用的先进技术。
构件经过焊接等工艺过程，其内部产生了残余应力，它极大地影响到构件的尺寸稳定性、刚度、强度、疲劳寿命和机械加工性能，甚至会导致裂纹和应力腐蚀。“时效”是降低残余应力，使构件尺寸精度稳定的方法。时效的方法目前主要有三种，即自然时效、热时效、振动时效。
自然时效是最古老的方法，它是把构件置于室外，让其经过气候、温度的反复变化，在反复的稳定应力作用下，使残余应力松弛、尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力可下降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很好。但因耽搁时间太长，一般不采用。
热时效是传统的时效方法，它是把工件加热到550℃左右，保温后控制降温。
热时效由于其费用高、生产周期长、加热温度难以控制、时效质量比较差（特别是大型工件，由于厂商追求效率，往往未到热时效时间即出炉）等因素而影响了生产成本和进度。针对环球集团焊接件多而大的情况，笔者曾采用超声冲击方式消除焊接应力，结果仍然开裂。考虑振动时效的优点并经多方考察，环球集团引进济南西格马科技有限公司的SSIN100A型振动时效设备，经实际使用，现在大大改善了焊接件的时效状况，对焊接件尺寸精度的稳定性有了很好的控制。
一、振动时效机理
振动时效是介于自然时效和热时效两者之间的方法，即工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。振动时效可以消除残余应力20% -50% ，比热时效低一些，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，而热时效却使工件的松弛刚度下降。因此振动时效的工件的尺寸稳定性可以与热时的工件媲美。
振动时效 是利用工件的共振给工件施加附加交变应力或变形，当附加交变应力与残余应力叠加通过材料内摩擦吸收能量达到或超过材料的某一个阈值时，工件发生微观或宏观粘弹塑性变化，从而降低和均化工件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。
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型能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本因素。从微观角度分析，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。其实，笔者更主张从位错、晶格滑移等金属理论上去解释振动时效的机理。其主要观点为振动时效是通过在工件的共振状态下，给工件的关键部位施加一定的动能（该动能不是工件整体跳动的机械运动动能，而是弯曲变形时内阻尼产生的热能），这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织周围的热能时，则微观区域必然产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使应力集中处的位错得以滑移，达到消除和均化残余应力的目的。
二、振动时效工艺
振动时效工件的固有频率、振形、给工件施加的振动能量（动应力）和振动处理时间是工件振动时效处理的主要工艺参数，其参数选择的优劣直接影响到工件的时效效果。在实际时效前我们还需分析工件的残余应力场分布、尺寸精度要求、以后的使用载荷及可能出现的失效原因，以便决定工件的时效路线及时效重点部位。
三、 振动时效处理硫化机机身
1、工件的焊接结构示意图（见图1所示）
2、振动时效工艺曲线跟踪
3、图2为振前扫频，图3为振动后扫频，图4为又振10min后扫频，根据JB/T5926-91中4.1.2，该工艺已达到时效效果。
4、 尺寸精度跟踪
以前，对于大型平板硫化机的工作台和横梁背对背焊接需进行周期达半个多月的热时效，割开后发现其变形量特别大，若保证各形位公差则不能保证总厚度尺寸，并且装配三个月后检查，又出现严重翘曲变形，现在经振动时效处理的长为8m的工作台，其加工余量仅为4-6mm，经一年使用跟踪检测，无开裂点，基本无变形。
四、结论
1、振动时效消除残余应力的效果要好于热时效，成本低，而且方便、灵活，特别适合生产周期和交货期短的市场经济要求。
2、振动时效能够满足对焊接件尺寸稳定性的要求
