振動時效

振動時效處理是工程材料常用的一種消除其內部殘餘內應力的方法，是通過振動，使工件內部殘餘的內應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以鬆弛和減輕。

基本介紹

• 中文名：振動時效
• 領域：機械工程
• 作用：消除其內部殘餘內應力
• 學科：機械學

國家標準

中華人民共和國國家標準GB/T25712-2010 《振動時效工藝參數選擇及效果評定方法》於2010-12-23發布，將於2011-7-1實施

本標準由：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會發布

標準前言： 本標準按照GB/T1.1-2009給出的規則起草

本標準由中國機械工業聯合會提出

本標準由全國鑄造機械標準化技術委員會（SAC/TC186）歸口

本標準主要起草人：湯小牛、劉久明、盧軍

振動時效工藝參數選擇及效果評定方法
1　範圍
本標準規定了振動時效工藝參數的選擇及技術要求和振動時效效果評定方法。
本標準適用於碳素結構鋼、低合金鋼、不鏽鋼、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、機加工件的振動時效工藝及其裝置。
2　規範性引用檔案
下列檔案對於本檔案的套用是必不可少的。凡是注日期的引用檔案，僅所注日期的版本適用於本檔案。凡是不注日期的引用檔案，其最新版本（包括所有的修改單）適用於本檔案。
GB/T×××× 機械式振動時效裝置（同期報批）
3　術語和定義
GB/T××××中確立的以及下列術語和定義適用於本標準。
3.1　
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範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範圍內掃頻稱局部掃頻。
3.2　
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。
3.3　
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。
3.4　
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。
3.5　
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餘應力較大區域，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。
3.6
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。
3.7
殘餘應力等效值 Equivalent residual stress

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餘應力疊加後，達到或超過材料的微觀屈服極限時，工件就會發生微觀或巨觀的局部、整體的彈性塑性變形，同時降低並均化工件內部的殘餘應力，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。

工藝程式

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，並將構件用橡皮墊等彈性物體支承，通過控制器起動電機並調節其轉速，使構件處於共振狀態。約經20~30分鐘的振動處理即可達到調整殘餘應力的目的，一般累計振動時間不應超過40分鐘。

可見，用振動調整殘餘應力技術是十分簡單和可行的。

工藝守則

振動時效工藝守則是指導對振動時效技術套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範圍。

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感測器的裝夾。

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式和各程式的確定原則。

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。

工藝特點

振動時效之所以能夠部分地取代熱時效，是由於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餘應力可以被消除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。

可以防止或減少由於熱處理、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

由於設備簡單易於搬動，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，相對於熱時效來說，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。

工藝發展

用振動的方法消除金屬構件的殘餘應力技術，於1900年在美國就取得了專利。但由於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套用。

直到60年代由於能源危機，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套用工藝。特別是到70年代由於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年英國製成手提式VSR系統即VCM80，後來美國馬丁工程公司也研製出比較先進的設備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套用。

據統計，截止到20世紀90年代，世界上正在使用的VSR系統約有一萬台以上。美國採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採用的標準工藝。在英國幾乎沒有一家公司不使用該項技術的。

工藝套用

振動處理在國外的套用範圍比較廣，被處理構件的類型也比較多。例如：

1．英國一工具機公司生產大型精密工具機，其床身與立柱要求精度為0.01mm/2m。過去採用熱時效其精度保持性較差，後來改用振動時效，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）粗加工後（3）精加工後。三次處理後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噸重的鑽井平台也採用過振動時效處理。

7．英國對陸上井口平台採用振動時效，井口平台是由管徑為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裡，由於焊後熱膨脹而發生裂紋，報廢率占30%以上，後來採用振動時效工藝，報廢率幾乎為零。

9．英國生產的所有專用工具機床身都是用振動時效代替熱時效。有三十多家工具機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里採用振動時效，如造紙機械廠、船舶軸承廠、雷射焊機廠、齒輪箱製造廠、紡織機械廠、軋鋼設備廠、印刷機械廠、泵製造廠、採油設備廠、發電設備廠、鍋爐廠等都套用振動時效來消除構件的應力。

自1975年以來，該項技術在我國也得到了較快的發展和推廣，在工具機鑄件上取得了較大的突破。

多年來，關於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套用奠定了理論基礎。

振動時效工藝在國內經二十餘年的研究套用，許多企業都在一些重要的基礎部件中套用了振動時效技術。

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製造的軋鋼設備中的焊接結構件，大型鍛造轉軸。

3．組合工具機床身焊接件和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後的二次振動時效，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、鋼包迴轉台等。

6．航天領域中的重大項目中的大型金屬結構焊接後用振動消除應力。

7．單晶爐爐殼、爐門都由不鏽鋼焊接製造，不能加熱時效處理，採用振動時效，即防止了變形，又提高了抗腐蝕能力。

常見問題

由於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個性、僅按照振動時效設備生產者預置的參數，對各種工件均採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”也能按照預置的程式列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：由於不針對工件個性採用合理的時效參數，完全照盲目預置的參數，對工件進行時效，可能會因為共振過於強烈或振幅過大，導致工件內部的缺陷（裂紋、夾渣、氣孔、縮松等）繼續擴大、撕裂，甚至報廢的嚴重後果。

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後果，造成工件開裂，甚至機毀人亡。

那么，什麼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餘應力分布情況，形位精度要求，以及今後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，應採取不同的激振力，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採用振動平台進行處理。

3.3． 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： 針對工件今後的工作變形狀況，應重點消除工況狀態工件載荷較大部位的殘餘應力，選用與之相對應的振型進行時效處理。

2.5． 工況失效分析：根據今後可能出現的問題，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後，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、線上列印、性價比高：

b) 強弱電隔離、自我保護功能強、故障率低、易於維修：

c) 操作方便、能夠人機對話，並能通過面板輸入口令設定設備運行參數， 而不需要改變硬體設定：

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，並能實現局部掃描、局部列印；並且能針對工件的個性，採用超級手動（可根據操作者的經驗及意願直接快速完成振前掃描、列印、識別、時效、振後掃描）完成有用峰的振動時效，避免處理無用峰；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、方便地在面板上編製程序並儲存，以便今後隨時調用對工件科學全自動的時效處理；

e) 能遙控操作：對大型零件，能使操作者一邊觸摸觀察工件的情況，一邊遠距離操控設備，調整運行參數，完成時效的全過程；同時還能讓操作者遠離噪聲，保護操作者。

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，用以降低和均化由於焊接造成的殘餘應力。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範圍內的輕微振動，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，焊縫處於材料屈服極限很低，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，而釋放受約束得應變，使應力場梯度減少。故使最後的焊縫殘餘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。

關於振動焊接技術

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。振動時效技術是在構件焊好後使用的處理技術，只能對焊接殘餘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餘應力。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，它並不要求構件必須達到共振狀態，只要達到某一頻率範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，焊後不在使用熱時效處理。 　在這裡說明的是“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%，這有助於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，這有助於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，如果採用“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、由於晶粒細化和殘餘應力的降低，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、可排除焊後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套用，特別是對於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。

由於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。