冶金机械产品振动时效技术应用

某公司是一家专业机械制造厂，主要加工制造冶金行业焊接钢结构件及各类配套机械产品，每年承接钢结构件约4000吨。通常采用热时效工艺消除焊接结构件的残余应力，但公司退火炉炉膛尺寸过小，不能完全满足大型焊接件的热时效处理需要，且热时效工艺难以控制，成本极高，每吨处理费用一千元。经研究分析，公司决定采用振动时效工艺。

工件情况及设备介绍

设备采用聚航科技JH-600A交流振动时效设备，采用高速变频伺服电机，激振力大、寿命长、时效效果好。

中间罐体是钢铁厂冶炼常用备件，重量为22吨，外形尺寸5897*1685*1200mm。该工件需承重60吨，其各部焊缝焊脚尺寸较大，四周各支撑耳轴焊后要求同轴误差＜3mm，工件各截面主要焊缝均存在较大焊接应力。

振动时效工艺

工艺方案分析

其结构较形式综合了方箱体与梁形体的特点，且重量较重，为使振动时工件各面能获得足够大的动应力，在支撑点设置上采用三点固定支撑，激振器安装位置按“垂直平分线法”设置，激振器因设在远离支点的波峰处，其偏心轮旋转面平行于支点的平面，使工件上下两面呈剪切运动的共振，对工件垂直面及上下平面焊缝均能产生较大动应力，加速度传感器放置在边长较长的一边，以获得高的振动信号。

振动工艺采取多点、多频施振。以多点施振的变换激点位置，在振动过程中，每个截面通过不同振型产生大振幅的亚共振；多频施振在同一激振状态下，采用不同频率进行振动，以确保工件在高频、低频振动后残余应力完全趋于平衡状态，最终取得最佳振动效果。

工艺实施和操作

将工件按工艺方案支撑后，安装设备并将激振器偏心角调至20°，设备进行振前自动扫描确定共振频，转速上升至约3500r/min后，加速度78m/s²出现共振峰，后加速度曲线出现不规则状态，调整偏心角至30°，支点向工件中心内移，转速升至2609r/min，出现共振峰，完成振前扫描，进入亚共振状态，振动中通过撒沙法观察，沙子聚集形状符合弯振型形状，转速稳定在2590r/min左右，振动35min后，系统自动进行振后处理，打印出处理曲线图（如图1）。从图上显示的工艺数据及振后曲线较振前曲线明显右移，符合振动时效国家标准的曲线检测法。然后根据工艺方案依次进行多频、多点振动。

应注意的几个问题

1. 发生强迫共振：随着振动频率的升高，电机电流一直上升无下降趋势，这时即发生了强迫共振，这种现象一般是由被振工件的重量太小而刚性又太大所导致。

2. 找不到共振区：在扫频过程中发现随着频率的升高，电枢电流也缓慢增加，但是电流并不大，直到扫频结束加速度始终在增加并很小，这种现象一般都是由于工件的固有频率超出设备的控制频率范围。

如果发生以上情况，可以通过实验的方法解决。反复改变激振力和支撑点以及激振器的装卡位置；采用悬臂的方法（将工件一端固定，激振器装卡在另一端的方法），采用组合振动法（将多个工件刚性连接在一起可以降低工件的固有频率）。

结论

在钢结构焊接件、铸件及机械加工件上应用振动时效工艺处理后，工件应力平均可下降50%-70%，符合振动时效国家标准，可达到时效目的。

振动时效技术可替代热时效工艺，操作简单，可节约大量生产成本，减少污染，缩短处理周期。