振動時(shí)效技術(shù)是對工件施加變化的循環(huán)載荷來消除和減少內(nèi)部殘余應(yīng)力。該技術(shù)具有耗能少、*、無污染、處理快速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于消除焊接件、重型工件的殘余應(yīng)力。

振動時(shí)效原理

　　振動時(shí)效是用激振設(shè)備在構(gòu)件殘余應(yīng)力集中處施加等幅交變循環(huán)激振力，構(gòu)件在共振狀態(tài)下獲得較大的激振動應(yīng)力，在某個方向上的合應(yīng)力超過材料的屈服極限，該處會產(chǎn)生屈服變形，引起殘余應(yīng)力松弛并釋放出來，使殘余應(yīng)力均勻分布。這種方法不僅能有效地降低峰值殘余應(yīng)力，而且能使整體殘余應(yīng)力值下降。

　　下圖為金屬材料受等幅交變應(yīng)變ε_B-ε_C作用時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖中OA為彈性載荷段，構(gòu)件的初始?xì)堄鄳?yīng)力為σ_A，ACB是次發(fā)生屈服變形后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。構(gòu)件內(nèi)的總應(yīng)力超過屈服點(diǎn)而發(fā)生變形，在C處殘余應(yīng)力沿彈性卸載荷線CB'下降，經(jīng)過D點(diǎn)后曲線偏離CB'至B點(diǎn)，完成一次交變應(yīng)變循環(huán)。經(jīng)過多次交變循環(huán)后，曲線循環(huán)穩(wěn)定為C'E'B"EC'，此時(shí)殘余應(yīng)力由σ_A減小至σ_E，殘余應(yīng)力減小至穩(wěn)定的過程就是振動時(shí)效宏觀機(jī)理的直觀表示。

　　要消除或減小工件中的殘余應(yīng)力，必須滿足以下條件：

　　(1)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力與激振器施加的激振動應(yīng)力疊加后的總應(yīng)力應(yīng)超過材料屈服極限。即σ_殘+σ_動>σ_s，其中：σ_殘為構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力，σ_動為激振動應(yīng)力，σ_s為材料的屈服極限。

　　(2)隨著振動時(shí)效時(shí)間的增長，構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力會由于發(fā)生塑性屈服而下降。當(dāng)殘余應(yīng)力降低到與振動應(yīng)力疊加后等于新的屈服極*，構(gòu)件內(nèi)的將達(dá)到平衡，使構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性得到提高。

　　(3)殘余應(yīng)力隨時(shí)效振動的進(jìn)行而降低，并終達(dá)到平衡，如果要繼續(xù)降低σ_殘，就必須增大σ_動，否則在構(gòu)件達(dá)到平衡后的振動是無效的。

　　從微觀角度來看，殘余應(yīng)力降低的本質(zhì)是通過某種微觀或局部的塑性變形使構(gòu)件中的彈性應(yīng)變能逐漸釋放的過程。構(gòu)件晶體內(nèi)有大量位錯存在，在循環(huán)應(yīng)變下，位錯克服阻力產(chǎn)生滑移，使晶體產(chǎn)生微觀塑性變形，殘余應(yīng)力的峰值降低，使構(gòu)件原來的內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生改變，內(nèi)應(yīng)力降低并重新分布,進(jìn)而達(dá)到平衡。

　　在振動交變應(yīng)力的連續(xù)激勵下，會不斷被激發(fā)出位錯。隨著不斷對構(gòu)件施加循環(huán)應(yīng)力，位錯將會變得更加均勻，位錯的移動，即晶體屈服的開始，此時(shí)材料開始發(fā)生塑性變形。上述過程將會使應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力減小，殘余應(yīng)力的峰值降低。

振動時(shí)效特點(diǎn)

　　在機(jī)械制造、航空、化工器械、動力機(jī)械等行業(yè)中，用鋼、鑄鐵、有色合金等材料制造的各類零件成功地采用了振動時(shí)效。振動時(shí)效之所以得到各方面的普遍重視，是由于它具有如下特點(diǎn)：

　　1、投資少。與熱時(shí)效相比，它無需龐大的時(shí)效爐，可節(jié)省占地面積與昂貴的設(shè)備投資。現(xiàn)代工業(yè)中的大型鑄件與焊接件，如采用熱時(shí)效消除應(yīng)力則需建造大型時(shí)效爐，不僅造價(jià)昂貴，利用率低，而且爐內(nèi)溫度很難均勻，消除應(yīng)力效果很差。采用振動時(shí)效可以*避免這些問題。

　　2、生產(chǎn)周期短。自然時(shí)效需經(jīng)幾個月的放置，熱時(shí)效亦需經(jīng)數(shù)十小時(shí)的周期方能完成，而振動時(shí)效一般只需振動數(shù)十分鐘即可完成。而且，振動時(shí)效不受場地限制，可減少工件在時(shí)效前后的往返運(yùn)輸。如將振動設(shè)備安置在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，不僅使生產(chǎn)安排更緊湊，而且可以消除加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

　　3、使用方便。振動設(shè)備體積小，重量輕，便于攜帶。由于振動處理不受場地限制，振動裝置又可攜至現(xiàn)場，所以這種工藝與熱時(shí)效相比，使用簡便，適應(yīng)性較強(qiáng)。

　　4、節(jié)約能源，降低成本。在工件的共振頻率下進(jìn)行時(shí)效處理，耗能極小。實(shí)踐證明，功率為186~746W的機(jī)械式激振器可振動150t以下的工件，故粗略計(jì)算其能源消耗僅為熱時(shí)效的3%~5%，成本僅為熱時(shí)效的8%~10%。

　　5、振動時(shí)效操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動化。可避免金屬工件在熱時(shí)效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，是目前能進(jìn)行二次時(shí)效的方法。

振動時(shí)效工藝

　　1、運(yùn)用振動理論對工件進(jìn)行預(yù)分析

　　根據(jù)工件形狀，分析可能出現(xiàn)的振型。

　?、倭盒土慵汗ぜ拈L與寬比>3、與厚度比>5。

　　支撐方式：兩端自由，用3-4個橡膠墊支撐工件在距一端2/9處和7/9處。

　　激振器固定在工件或中間一側(cè)。

　?、谙湫土慵汗ぜL、寬、高比例接近，因其固有頻率高，一般激振器電動機(jī)轉(zhuǎn)速難以達(dá)到，可以通過剛性連接方式形成梁型工件加以處理。

　?、郯逍土慵汗ぜL寬接近，長度與厚度比>5。

　　支撐方式：兩端自由，用4個橡膠墊支撐工件在距一端1/3處和2/3處。

　　激振器固定在工件中間。

　?、軋A形工件：直徑與厚度比>5，以4點(diǎn)支撐為住，布置在互垂直的兩直徑端部。激振器剛性卡在兩支點(diǎn)之間。

　　⑤若工件長寬比很大、剛度小，應(yīng)考慮多階振型激振方式。

　?、扌⌒土慵?yīng)采用振動臺集中處理方式。

　　2、振動掃描工件固有頻率和振動強(qiáng)度

　　①處理對象的選擇：工件在振動時(shí)效時(shí)是一個振動體，它的共振頻率與其自身的質(zhì)量、剛度、阻尼有關(guān)。采用振動時(shí)效要使工件能在激振器的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，也即工件與激振器固定后振動體固有頻率應(yīng)小于激振器頻率。因?yàn)榇蟛糠謬a(chǎn)激振器電動機(jī)轉(zhuǎn)速10000r/min，只能激發(fā)固有頻率在167Hz以內(nèi)的工件。當(dāng)然可以采用單臂懸伸、多件剛性連接等降頻措施，或?qū)嵭斜额l共振等技術(shù)。

　　②掃描工件頻率：振動時(shí)效設(shè)備以自動掃描方式檢測出被時(shí)效處理工件的共振頻率和合適的振動能盤強(qiáng)度。

　?、壅駝訌?qiáng)度是指振動處理時(shí)激振器施加給工件的動應(yīng)力。附加動應(yīng)力與工件殘余應(yīng)力疊加后，造成工件局部或整體塑性變形能夠使工件殘余應(yīng)力釋放、均化、消除，進(jìn)而提高基體抗變形能力。研究表明過載系數(shù)K=動應(yīng)力/殘余應(yīng)力，能夠體現(xiàn)振動時(shí)效處理的有效性，通常K值為0.45取值較合理。在沒有動應(yīng)力檢測的條件下可以用振幅指標(biāo)替代。

　　3、振動處理

　?、偌ふ瘢赫{(diào)節(jié)振動時(shí)效設(shè)備達(dá)到掃描檢測的工件固有頻率，回復(fù)至亞共振狀態(tài)，給予適度的激振力，保持激振時(shí)間獲得時(shí)效效果。

　?、诩ふ駮r(shí)間：振動時(shí)間的長短意味著加載次數(shù)，根據(jù)美國馬丁公司“二次掃描分析法”：1t以內(nèi)，10～15min;1~3t，15-20min;3～5t，20～30min;5t以上，30～40min。

　?、酃ぜ吸c(diǎn)及激振點(diǎn)的選擇：不同類型的工件具有不同的振型，支撐位置應(yīng)該是工件振動波的節(jié)點(diǎn)處，支撐處采用彈性材料(橡膠墊等)。激振點(diǎn)是工件振動波的波峰處，將激振器剛性夾持戲此處，能夠激起大的共振幅值和動應(yīng)力。

振動時(shí)效效果評定

　　1、殘余應(yīng)力測試法：通常有切割法、小盲孔法、X射線檢測法，由于上述方法有一定的破壞性，現(xiàn)場難以操作僅作為實(shí)驗(yàn)使用。

　　磁檢測法：具有設(shè)備簡單、易于操作、數(shù)據(jù)直觀等特點(diǎn)，它不僅可以檢測殘余應(yīng)力也可以測量載荷作用下的應(yīng)力變化。原理為：在磁場作用下應(yīng)力產(chǎn)生磁異性，將磁導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為電信號，通過傳感器和電路，輸出的電流(或電壓)值反映應(yīng)力的變化。該種方法隨著技術(shù)和產(chǎn)品的不斷成熟會擴(kuò)大應(yīng)用，但工件表面粗糙度有一些影響。

　　2、尺寸穩(wěn)定性檢測：尺寸穩(wěn)定性是定期對工件尺寸精度的測量來實(shí)現(xiàn)的。一是觀測工件尺寸精度隨時(shí)間延長發(fā)生的變化，二是測量工件在動、靜載荷作用下的尺寸變化(可與熱時(shí)效比較)。此種方法效果好，但時(shí)間在3個月以上，只適用在驗(yàn)證新型零件或新型工藝上。

　　3、參數(shù)曲線觀測法：可根據(jù)振動時(shí)效設(shè)備處理過程實(shí)時(shí)打印a-t曲線的變化及a-n曲線振前后的變化評估振動時(shí)效效果。出現(xiàn)下列現(xiàn)象可判定振動時(shí)效有效：①a-t曲線上升后變平;②a-t曲線上升后下降，終變平;③a-n曲線振后共振峰出現(xiàn)振幅升高、降低、左移、右移;④a-n曲線變得簡潔而平滑;⑤a-n曲線振后出現(xiàn)低幅振峰增值現(xiàn)象。

振動時(shí)效技術(shù)的發(fā)展方向和前景

　　目前，振動時(shí)效技術(shù)已在建筑、機(jī)械、裝備制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。振動時(shí)效技術(shù)與自然時(shí)效和熱時(shí)效技術(shù)相比，具有低能耗、率、低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。隨著產(chǎn)品制造技術(shù)的發(fā)展，對構(gòu)件性能的要求越來越高，新的時(shí)效工藝和理論也在相應(yīng)地不斷發(fā)展。綜合當(dāng)前的研究成果，振動時(shí)效技術(shù)仍存在以下問題值得深入研究探索：

　　1、應(yīng)力調(diào)控的微觀作用機(jī)理

　　需要研究如何利用振動或蠕動的頻率、功率和時(shí)間去打破、消弱或增強(qiáng)晶格間約束力的機(jī)理，以及研究高能聲波在材料內(nèi)部以強(qiáng)烈振幅傳播所造成的局部升溫對材料晶體原子克服位錯阻力做功的關(guān)系。終通過有效地控制晶格間的約束力和松弛狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)和控制殘余應(yīng)力。

　　2、振動時(shí)效效果檢測技術(shù)

　　參數(shù)曲線觀測法及精度穩(wěn)定性檢測法均屬于定性檢測技術(shù)，難以獲得定量數(shù)據(jù)。殘余應(yīng)力測量法雖然屬于定量檢測技術(shù)，但各種檢測方法均包含一定的缺點(diǎn)，檢測精度不高，誤差較大，特別是對于低幅值的殘余應(yīng)力檢測能力不能滿足需求。

　　3、殘余應(yīng)力調(diào)控閉環(huán)裝置的研發(fā)

　　在通過振動調(diào)控殘余應(yīng)力的同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測調(diào)控區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力，將殘余應(yīng)力值作為反饋信號提供給調(diào)控系統(tǒng)，使得調(diào)控系統(tǒng)及時(shí)判斷下一步的調(diào)控指令，從而實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的局部原位定量閉環(huán)調(diào)控。目前，國內(nèi)外還沒有該類閉環(huán)裝置。該裝置的研發(fā)與生產(chǎn)將對機(jī)械制造工藝方案和在役構(gòu)件的安全服役產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，具有良好的應(yīng)用前景。