一種履帶梁振動時效工藝應用

摘 要:介紹了焊接結構件中殘余應力的產生原因、危害以及振動時效的工作原理和工藝方案，對振動時效工藝與熱時效工藝進行了技術經濟分析，以振動時效工藝在一種履帶梁(焊接結構件)上的應用及試驗效果驗證，論述了振動時效對降低、均化金屬結構件的殘余應力，提高抗變形能力，穩定尺寸精度和防止裂紋有好的效果，可取代熱時效。

關鍵詞:振動時效熱時效退火殘余應力工藝改進履帶梁

中圖分類號:TG44文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0075-03

1 現狀

焊接結構件由于內部焊接殘余應力的存在，致使工件處于不穩定狀態，降低了工件的尺寸穩定性和機械物理性能，使工件在使用過程中因殘余應力的釋放而產生變形，導致機械設備出現不穩定、性能降低，因此有必要對這類工件進行消除殘余應力的處理。公司采用的削除焊接殘余應力、提高焊接結構件尺寸穩定性的工藝為熱時效(退火)及自然時效。因該種履帶梁對結構尺寸穩定性有較高的要求，工藝上采用了常用的熱時效(退火)工藝消除焊接殘余應力、提高其尺寸穩定性，保證質量要求。熱時效工藝過程為:將金屬結構件加熱到一定溫度，保溫后隨爐冷卻，達到消除殘余應力的目的，并保證工件尺寸的穩定性和防止裂紋產生。履帶梁工藝路線為:下料—焊接—熱時效(退火)—機加工，工件結構如圖1所示，工件重量430kg，因工件長度達3.2m，需采用1臺320kW電阻爐，電阻爐的用電量很大，其綜合熱時效成本為500元/噸。

履帶梁生產周期長達8天，為產品中生產周期最長的焊接結構件，其中熱時效(退火)工序周期1天(24小時)，嚴重阻礙了生產流程的優化和產能的提升，熱時效(退火)因周期過長成為制約生產的瓶頸。為提高滿爐率，履帶梁熱時效工序庫存多，且工件爐內多層擺放，熱時效中下層工件受重壓變形大。隨著公司精益制造的深入，產能的擴大，降低工序庫存、縮短生產周期已刻不容緩。

2 工藝改進

由于履帶梁熱時效(退火)工序周期長、成本高，為了縮短生產周期，改善工序瓶頸，提升產能，公司工藝裝備研究院經考察、研究及試驗，采用振動時效技術取代熱時效(退火)，并成功應用于生產。

2.1 振動時效的工作原理

振動時效是給被時效處理的工件，施加一個與固有諧振頻率相一致的周期激振力，使其產生振動，從而使工件獲得一定的振動能量，使工件內部產生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應力的晶格被漸漸地恢復平衡狀態，晶粒內部的位錯逐漸滑移并重新纏繞釘扎，從而使工件內部的殘余應力得以消除和均化，并使其尺寸精度達到穩定，防止工件在加工和使用過程中變形和開裂。

2.2 振動時效工藝方案

公司選用HK2009B1交流變頻振動時效設備，振動時效工藝過程簡便，其安裝示意見圖2，根據振動時效的工件形狀，確定進行時效工件的橡膠減振墊支撐位置、激振器的裝夾位置和傳感器的放置位置，并按下列步驟進入運行準備過程:

(1)選擇工件振動時效時振幅最小處(稱為節點)為支撐點，將工件放置在橡膠減振墊上，橡膠減振墊的數目以工件外形尺寸及重量來確定，支撐點越少越好，盡量采用3點支撐，但要保證工件平穩。

(2)選擇好激振器的放置位置后，將激振器用兩個弓形卡具夾緊，裝夾位置應盡量靠近工件共振時的波峰處。之后，調整激振器的偏心，偏心的調整以工件能夠順利起振，達到設備要求的振動強度范圍即可。若需要進行振動時效的工件是安裝在夾具或振動平臺上的，可適當增大偏心。

(3)將傳感器用磁座吸緊在工件共振時的波峰處，因工件共振時有多個波峰，所以傳感器和激振器盡量不要放在工件的同一個波峰處。若工件為非磁性的，需采用粘合劑將傳感器粘貼在工件上。

(4)連接好激振器電纜、傳感器電纜及控制器電源電纜線。

完成以上工作后啟動控制器進入工作狀態，HK2009B1交流變頻振動時效系統具有亞共振時效功能，即系統在頻譜諧波分析到最佳頻率后，自動掃描得到一個滿足處理條件的最佳共振峰值，根據工件的材料特性將自動在亞共振區選擇一個合適的振動點進行時效處理，自動按穩幅工藝判斷處理時間，處理完畢后，振動時效設備自動對被時效處理工件的參數進行再一次檢測，以便依據JB/T5926-2005或JB/T10375-2002標準，對振動時效進行定性判定，并記錄振前振后數據的變化，然后自動停機，整個時效處理結束。

以上方式在頻譜諧波分析的基礎上進行，準確分析到工件的殘余應力釋放點，整個過程始終保持低頻處理，保證了被處理工件在可承受的疲勞加載次數的前提下進行時效處理，既保證工件殘余應力得到最大程度的釋放，又保證了工件安全完好。

根據履帶梁的形狀、結構、重量，經試驗，橡膠減振墊支撐位置間距700mm、激振器與相鄰橡膠減振墊間距300mm、傳感器放置于工件末端，如圖3，激振器偏心位置調到30°，時效時間確定在40分鐘，時效處理效果最佳。

3 工藝實施及效果

3.1 振動時效效果判定

振動時效效果評定方法有參數曲線觀測法、殘余應力測試法、尺寸精度穩定性測試法。履帶梁為以尺寸穩定性為主要目的而進行振動時效處理的焊接構件，試驗采用尺寸精度穩定性測試法進行效果評定，具體方法如下:對履帶梁進行振后精度穩定性檢驗，精加工后檢驗，長期放置檢驗靜尺寸穩定性，在放置15天時第一次檢驗，以后每隔30天檢一次，對比履帶梁加工面(支重輪安裝面)平面度平均變化量。

履帶梁熱時效、振動時效對比試驗檢測數據如表1所示。

通過對上表試驗檢測數據進行分析，得出履帶梁加工面平面度平均變化量如表2所示。

從以上試驗分析，振動時效能有效釋放工件內殘余應力，減少履帶梁變形，振動時效比熱時效提高履帶梁尺寸穩定性50%。

3.2 履帶梁振動時效技術經濟分析

如表3所示。

從表3振動時效與熱時效技術經濟對比分析可看出，振動時效比熱時效投資少、成本低、生產效率高、去應力效果相當。與熱時效相比，履帶梁振動時效工序周期由24小時縮短為0.7小時，可以節省88萬元/年的時效成本，隨著產量的擴大，其經濟性更加顯著。

4 結論

振動時效對降低或均化金屬結構件的殘余應力，提高抗動載變形能力，穩定尺寸精度和防止裂紋有好的效果，在消除應力方面可取代熱時效。

實踐證明振動時效替代熱時效后可節約能源95%以上，提高抗變形能力30%以上，尺寸穩定性提高30%以上，疲勞壽命提高20%以上。處理時效通常只需15～45分鐘，不受工件尺寸、形狀、重量等限制。采用振動時效可大幅提高工效、縮短生產周期，是一項投資少、綜合效益顯著的工藝。由于振動時效的技術經濟效果日益顯著，其應用范圍也不斷擴大，現已廣泛應用于鑄造、鍛造和焊接等金屬構件的時效處理。