应力消除(振动时效消除构件残余应力技术及其发展)

Posted 2023-05-25

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应力消除(振动时效消除构件残余应力技术及其发展)

构件在经过焊接、切削、热处理等一系列加工制造工艺后，其内部不可避免地会产生残余应力，影响构件的尺寸稳定性、精度、疲劳强度以及机械加工等性能，甚至促进构件内部的裂纹萌生、扩展以及应力腐蚀。

因此需要采用不同的时效方法来调整构件内部的残余应力分布状态，消除构件内部的峰值应力，从而达到消除和均化构件内部残余应力的目的。

时效技术大盘点

消除残余应力的技术称为时效技术，一般包括自然时效、热时效以及振动时效。

1、自然时效

自然时效是将工件长时间置于自然条件下，比如露天、海洋等场所，利用昼夜的温差和复杂多样的“环境震荡”，使金属发生缓慢、细微的收缩和膨胀，经长期积累得到释放残余应力的目的。

自然时效对应力的均化效果较好，但其周期长、效率低且占用场地大，难以适应现代生产需要。

2、热时效

热时效是在合适的温度下，对工件进行退火或回火处理，可以很好地起到消除残余应力的目的。

作为传统工艺，热时效能够很好地对工件中残余应力进行消除，并能一定程度上改善材料特性。然而，热时效需要专用的加热炉，费用高（通常1～1.2万元/m2），能耗高，生产成本高，污染大。并且炉内温度不均匀，容易产生新的变形和二次应力。

3、振动时效

振动时效技术起源于对锤击法消除构件局部残余应力的实践摸索，最早于1906年由美国物理学家J.W.Stratt提出并取得专利，发展至今仅有百余年历史。

有别于传统热时效，振动时效的宏观机理是通过动应力与残余应力的叠加大于材料的屈服极限，是一种非热的残余应力消除与均化方法，不产生氧化皮与热变形的同时，具有能耗低、占地小、时间短，对处理材料的限制少等特点，因此具有可观的经济效益与应用价值。

经实验证明，振动时效不仅可消除残余应力，还能削除残余应力峰值、均化残余应力，从而增强零件尺寸稳定性，且工件的材料性能和疲劳寿命都有所提高。

例如，经过振动时效处理的铸件，两个月之后变形量很小，尺寸稳定所需的时间很短。而且由于振动时效具有节能、环保、高效等特点，同自然时效和热时效相比有显著的优越性。运用振动时效有助于企业降低成本，提高生产效率，增强产品的竞争力，同时也正是当今资源节约型、环境友好型社会所极力倡导的。

振动时效概述

随着振动时效理论的发展，诸多技术障碍得到突破，振动时效工艺在欧美国家被广泛应用。随后，我国也陆续出现各种振动时效系统，比如亚共振、频谱谐波、模态宽频等。

1、亚共振时效技术

亚共振是一种传统振动时效，用激振器对工件施加周期性外力，通常在1000-10000rpm范围内，从低速到高速扫频，当施加外力的频率与工件固有频率合拍时，产生共振，寻找所有能产生共振的固有频率，然后在共振频率的亚共振区对工件施加振动，产生动应力，与残余应力叠加，发生塑性屈服，从而降低峰值残余应力，使残余应力分布均化。

当然，亚共振时效的缺点也比较明显。首先是可应用工件范围窄。一般振动时效设备频率范围为0~166.7Hz，机械制造业超过这个范围的高刚性、高固有频率工件有77%之多，对这些工件无法振动。

其次效果不佳。通过在振动时效设备频率范围内扫描寻找到的振动频率非常少，有效振型太少，无法进行多维残余应力消除，处理效果很难达到热时效效果。

最后，传统振动时效设备处理工件时，调整激振点、支撑点和拾振点很繁琐，而且很难达到最佳状态，百种工件，制定百种工艺。完全靠操作者技能和经验来调整振动时效工艺参数，不同的人使用，带来不同的处理效果，这样很难纳入正式生产工艺。

2、频谱谐波时效

频谱谐波时效技术是北京翔博科技自主研发的一种振动时效技术(专利号ZL2005100929856)，使用傅里叶分析方法，对工件进行频谱分析，找出工件的几十种谐波频率，再优选出五种频率对工件进行处理，从而达到消除残余应力的目的。现已入选世界最佳十项节能技术、中国双十佳节能技术、被列为国家重点推广节能技术。

频谱谐波时效技术不依赖操作者经验，可应用的工件范围广，目前已多次参与中国航空航天事业建设。比如长征系列火箭，就运用过频谱谐波时效技术进行应力的均化，保证零件的圆度及稳定性。

除此之外，“嫦娥二号”、“天宫一号”的关键零部件也采用了频谱谐波时效技术进行处理。基于后期的广泛验证及运用，北京翔博科技的频谱谐波振动时效技术已经成为很多航天零件的定型时效工艺技术。

（频谱谐波时效的应用案例）

3、模态宽频时效技术

频谱谐波时效针对大中型构件的残余应力均化具有很好的效果，但在航空航天构件生产中，薄壁件占了很大部分。如何去除薄壁件的残余应力呢？

随着振动时效技术的叠加和更新，北京翔博科技独立研发了模态宽频时效专利技术，获得自主知识产权。

模态宽频时效技术作为振动时效的一种，采用高频率、低动应力振动加速零件的时效进程，使零件内部残余应力降低并达到稳定状态，对于减少应力集中降低开裂失效风险、提高零件的加工尺寸精度和尺寸稳定性具有积极作用，能够有效解决产品交付后延迟变形、疲劳裂纹等问题，提高产品交付后稳定性、可靠性。

模态宽频时效因其高频率、动应力低的特点，对零件本身基本不产生直接影响，能够应用于解决薄壁工件去应力难题，填补了薄壁件半精加后去应力手段空白，主要应用于航空、航天、兵器、交通、能源、电子、通信行业等领域。