振动时效工艺在空气预热器产品制造中的应用

振动时效工艺在空气预热器产品制造中的应用庄志伟摘要：本公司回转式空气预热器产品有大量的焊接件需去应力处理，过去采用TSR（退火）工艺方法，成本高，周期长，现在引进VSR振动时效新工艺，降低了生产成本，加快了生产周期，达到降本增效的目的，然而新工艺能否达到老工艺的效果，就需要对VSR振动时效新工艺进行一次效果验证，以决定采用新工艺是否可行。本文以空气预热器扇形板VSR应力消除率试验为例，通过振动时效前、后检测的内部残余应力比较，证明振动时效消除焊接内部残余应力具有良好的效果，通过试验论证了振动时效在空气预热器生产中的应用是可行的，并可取代热时效。关键字：振动时效空气预热器工艺试验0.前言随着世界范围的工业化进程，世界各大企业为提高市场竟争力，降低生产成本、节约能源、减少污染和树立良好的企业形象，纷纷改进传统工艺，加大技术含量和采用高技术设备，使得整个世界工业化大生产正处于一个日新月异高速发展阶段。近年来,国内外用共振原理来消除残余应力,称为振动时效(VibrationStressRelief,VSR).这项技术是美国著名物理学家J.W.Stratt提出的,其基本思想是通过对应力工件施以循环载荷,使工件内应力释放,从而使工件残余应力降低,尺寸稳定下来而达到时效之目的[2].它具有节省能源、效率高、投资少、适应性强、使用方便、无“三废”污染等特点,并且是目前惟一能进行二次时效的方法,在某些方面正迅速取代传统的热时效和自然时效[3,4]。1.残余应力的产生及消除金属结构件在生产制造过程中，将受到折弯、压制、焊接等多种工艺因素的作用与影响，构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用力与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残余应力。残余应力产生的原因，可分为外部作用的外在原因和源于物体内部组织结构不均匀的内在原因。残余应力是有害的，会影响零件尺寸的稳定性及精密度，甚至影响零件的使用寿命，所以必须采用一种或多种手段加以消除。生产中常用的消除残余应力的方法是时效处理，时效处理的方法主要有三种，即自然时效、热时效和振动时效。自然时效，是将工件在室外自然环境，日晒雨淋条件下放置一年左右，自然释放残余应力的技术，它生产周期长，不能满足生产进度的要求。热时效（TSR）工艺是目前在制造业中广泛采用的，去除焊接、铸造等产生的应力传统工艺方法，其原理是将金属结构件加热到一定温度，使金属晶体再结晶，达到晶粒均化、细化，保温后控制降温，产生应力松弛，达到消除残余应力的目的。但TSR工艺消耗能源大，对环境造成的污染之大也是有目共睹的。振动时效（VSR）是上世纪八十年代，世界上发达国家在一些领域开始推广使用振动时效新工艺。它是取代传统的自然时效和热时效的一种新技术。这种工艺是将振动器牢固地夹持在被处理构件的适当位置上，通过振动设备的控制部分，根据构件的大小和形状调节激振力，并根据构件的固有频率调节激振频率，直至连接在工件上的振动传感器（速度计或加速计）所接收的信号达到最大值，此时即标志工件已达到共振状态。在这种情况下持续振荡一段时间，通过共振使构件产生应力松弛，达到消除残余应力和稳定尺寸精度的目的。2.振动时效原理2.1振动时效的机理从宏观角度分析，振动时效能降低和均化残余应力并提供材料的抗变形能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，使零件发生塑性变形。故通常采用热时效方法以消除和降低残余应力，特别是危险的峰值应力。振动时效同样可以降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低30~55%，同时也使峰值应力降低，使应力分布均匀化。除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一重要因素是松弛刚性，或零件的抗变形能力。有时虽然零件具有较大的残余应力，但因其抗变形能力强，而不致造成大的变形。在这一方面，振动时效同样表现出明显的作用。由振动时效的加载试验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。通过振动而使材料得到强化，使零件的尺寸精度达到稳定。从微观方面分析，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。众所周知，工程上采用的材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不同类型的微观缺陷。铸铁中更是存在着大量形状各异的切割基体的石墨。故而无论是钢、铸铁或其他金属，其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。当受到振动时，施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值时，在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形。这种塑性变形降低了该处残余应力峰值，并强化了金属基体。而后，振动又在一些应力集中较严重的部位上产生同样作用，直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止，此时，振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属的作用。上述解释已由大量试验加以证明。2.2振动时效的工艺过程概括起来讲振动时效的工艺过程分四步进行：第一步：首先用弹性橡胶垫将要时效处理的工件在其节线附近支撑起来，并将激振器用弓形卡具卡紧在工件振动时的波峰处，将测试工件振动情况的传感器用磁座吸紧在工件上，并用专用电缆线将激振器、传感器和控制器连接起来，这一步又称准备过程。第二步：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效处理工件的固有共振频率和应该给工件振动能量的大小，这一步又称为振前扫描。第三步：振动时效设备以第二步测得参数为依据自动确定出对工件进行振动处理的振动频率，并对工件进行振动时效处理，在处理过程中随时检测振动参数和工件残余应力的变化，而残余应力不在消除时即适时停止处理过程，这一步又称为振动处理过程。第四步：振动处理完毕后，振动时效设备自动对时效处理工件的参数进行再一次检测，以便依据JB/T5926-2005标准，对振动时效进行判定。这一步又称为时效效果检测过程或振后扫描。2.3振动时效的效果评定一项振动时效工艺是否成功，其最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。但在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/T5926-2005标准中第5.1条款验收来实现的。即参数曲线观测法，可根据振动实效中打印的实效曲线（a-t曲线）或震后扫频曲线（a–n曲线）相对震前打印曲线的变化来评定。见下图2-1所示为典型的工件振动工艺曲线变化示意图，这种参数曲线观测法是一种直观、定性、快速的评定方法，从工件参数的改变可以获得由于工件阻尼的降低而造成自身松弛刚性和抗变形能力提高的性息。图2-1工件振动前后工艺曲线3.振动时效工艺在空气预热器产品中的应用空气预热器产品的结构，50%左右是焊接结构件，它是将钢板、型材和管子等金属材料通过划线、下料、压制、卷板、弯曲装配、和焊接等加工手段，成为所需要金属构件。更由于构件的尺寸不受限制，为产品的大型化提供了独特的条件。但冷作工艺方式并不能全部满足制造机械产品，它还需要机械加工，热处理等工艺相互配合。随着空气预热器产品的提高，产品的体积及重量越来越大，如图2-1a所示，该构件是空气预热器下梁，其几何尺寸19000X3386X3300，重量71362Kg要求焊后去应力处理，若采用热时效处理，热处理炉容积不可能完全适应所有大型结构件尺寸，产品结构越复杂，炉温越不容易控制均匀，工件因受热不均匀可能产生裂纹，或在冷却过程中产生新的应力。此外，热时效劳动条件差，环境污染严重，工件易氧化，增加了清理工作量及热处理后变形校正困难。图2-1b所示是空预器传动装置支撑，要求机加工前去应力处理，该构件结构不大，但生产周期长（经常因等待并炉热处理），图2-1c所示为空预器扇形密封板，该构件要求扇形密封板平面度≤1mm，热处理后平面变形较大必须进行精加工，因此扇形密封板底平面钢板δ13mm，必须放加工余量到δ25mm，去应力退火、校正后，机加工铣底平面至图纸尺寸δ13mm，基于上述等构件热处理的许多缺点，我们引进振动时效新工艺，现工艺过程是扇形密封板底平面钢板不放余量，装配焊接后，振动时效处理，再校正到图纸尺寸，由此可见，采用新工艺扇形密封板底平面钢板取消机加工，节省了原材料及机加工费用，缩短了产品的制造周期，达到了降本增效的目的。那新工艺能否达到原工艺的效果呢？下面我们以扇形密封板为例进行工艺试验。a)空气预热器下梁b)空预器传动装置支架c)空气预热器扇形密封板图2-14.扇形密封板工艺试验4.1实验目的回转式空气预热器有大量的焊接件需去应力处理，以往采用TSR（退火）工艺方法，成本高，周期长，现引进VSR振动时效新工艺。为了降低生产成本，加快生产周期，对VSR振动时效新工艺进行一次效果验证，以本公司的典型产品扇形板作为试件，委托上海交通大学工程力学实验中心作振动时效残余应力测试试验。对扇形板VSR振动时效前、后，进行应力测试比较。验证是否达到JB/T5926-2005标准的要求。4.2试验仪器设备选用RX120二向应变片（直角应变花），试验粘结剂选用LOCTITE液态超能胶，采用703/4/5单组份室温硅胶作为密封剂。应变测量的仪器为NEC7V14C数据采样器(1台)，残余应力钻孔装置（1套）。4.3测点布置（图3-1）图3-1每个测点均为二向应变片4.4测试数据测点ε1（με）ε2（με）σ1（Mpa）σ2(Mpa)未振试件161-2911.49449-2.351652463012.08799.6263643-5927-11.18682.0439544562614.021969.406584584-5015.16482-5.45054已振试件130217.9780146.59342-22-5-5.16483-2.549453-29-10-7.03296-4.109894-30-11-7.31867-4.39565-40-24-10.3736-7.91208应力计算中取E=200Gpa，μ=0.34.5数据分析取最大应力σ1的绝对值作相对应力消除率比较：测点未振试件（Mpa）已振试件（Mpa）应力消除率（%）111.494497.97801430.59212.08795.1648357.27311.18687.0329637.13414.021967.3186747.81515.1648210.373631.59从表中可得知应力消除率最大为57%，最小为30%，满足JB/T5926-2005行业执行试验标准。3.6试验结论根据以上试验报告可知，振动时效可明显降低工件的焊接残余应力，同时可使残余应力分布均匀，工件尺寸稳定性好。没有工件在退火时产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度下降等缺点。对照JB/T5926-2005行业标准，本次试验达到VSR新工艺的要求，各项数值符合JB/T5926-2005行业标准。振动时效是热时效的补充和发展，可在一定范围内代替热时效。4.应用结果经过对震动实效处理的产品质量跟踪，如青岛等电厂扇形板一年后的使用情况跟踪，扇形板未出现变形，使用情况良好，对传动装置支架，在精加工后尺寸稳定，完全达到退火处理的效果。5.经济效益分析通过对热时效工艺特点的比较，振动时效工艺能节约能源，降低成本。见表6-1所示：表6-1振动时效与热时效特点比较表项目热时效振动时效应力消除40~80%30~55%能源消耗能耗高比热时效节能95%环境保护有烟气粉尘废渣排放无污染尺寸稳定性较好比热时效提高30%以上生产费用200~400元/吨4~10元/吨时效周期20~60小时1小时以内抗变形能力较差比热时效提高30~50%时效变形较大可忽略不计时效氧化有无大型工件无法进炉处理可方便就地处理7.推广运用通过工艺试验验证，引进的新工艺振动实效”VSR”技术，降低了生产成本，加快了生产周期，达到了降本增效的目的。它可在一定范围内代替热时效，抛砖引玉，希望在其它要退火的组件上逐步推广VSR振动时效新工艺，争取更大的经济效率。参考