摘要：振動消除殘余應(yīng)力是用機(jī)械方法調(diào)整殘余應(yīng)力的一種工藝，該工藝的主要特點是成本低，效率高，低能耗，生產(chǎn)周期短，清潔生產(chǎn)，低噪音，適用范圍廣而被廣泛采用。本文介紹了該技術(shù)在汽輪機(jī)等部件中的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：振動時效技術(shù)；汽輪機(jī)部件；應(yīng)用
1前言
振動處理技術(shù)自70年代被我國引進(jìn)以來，它不僅為越來越多的人們所接受，而且在機(jī)床、重型機(jī)械、工程機(jī)械、航空、冶金、化工等部門取得了可喜的成績，為機(jī)械行業(yè)的發(fā)展起了越來越大的作用。振動處理技術(shù)不僅由于它的成本低、能耗低、效率高，而且更由于它的工藝簡單、生產(chǎn)周期短、無污染的清潔生產(chǎn)，克服了某些熱處理工藝所無法擺脫的表面氧化、脫碳等問題，從而禰補了自然時效和熱時效的不足，因此，振動處理技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。
振動處理技術(shù)經(jīng)過大量試驗證明，可以使焊接殘余應(yīng)力，特別是分布極不均勻的焊接結(jié)構(gòu)的尺寸，從而提高了構(gòu)件精度的保持性，特別是對于鑄件的處理效果較為明顯。
振動處理技術(shù)的原理，是以機(jī)械振動的方式將其動應(yīng)力施加于構(gòu)件上，當(dāng)這種附加應(yīng)力與構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力相疊加時，其總的應(yīng)力達(dá)到或超過一定數(shù)值后，這時，在構(gòu)件應(yīng)力集中的地方，由于應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度而發(fā)生了微觀和宏觀的塑性變形，使殘余應(yīng)力的峰值降低，調(diào)整了構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布，從而達(dá)到了殘余應(yīng)力均化的目的。
振動處理技術(shù)的機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者從宏觀的、微觀的、力學(xué)的、材料的等不同的角度，用位錯理論、彈性變形理論、塑性變形理論、內(nèi)耗理論等等理論進(jìn)行了大量的研究和試驗表明，振動處理技術(shù)的實質(zhì)是一個保存在材料中的彈性應(yīng)變能通過局部的或微觀的塑性變形逐漸加以釋放的過程；若從微觀結(jié)構(gòu)來看，則與位錯的亞結(jié)構(gòu)及其組態(tài)的變化有關(guān)，通過增加晶格原子的振動能量，而使發(fā)生位錯的晶格原子回到低位錯狀態(tài)，這和熱處理是通過增加晶格原子的熱動能，而使發(fā)生位錯的晶格原子回到位能較低的少位錯狀態(tài)的機(jī)理十分相似；由振動時效技術(shù)引起的構(gòu)件中殘余應(yīng)力的松弛，是構(gòu)件內(nèi)部微區(qū)塑變整體調(diào)整的結(jié)果；由于殘余應(yīng)力的存在表現(xiàn)為整體平衡的特點，當(dāng)局部的殘余應(yīng)力峰值發(fā)生變化時，必將引起構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力的重新分布（均化）；殘余應(yīng)力的降低與所加應(yīng)力幅值有關(guān)，在合適的動應(yīng)力下時效，可以達(dá)到次載鍛煉的目的，且不會造成疲勞損傷。
總之，對振動處理技術(shù)這一客觀事實的認(rèn)識盡管有一定的局限和分歧，但從50年代起在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的航天、航空工業(yè)、、汽車、機(jī)械工業(yè)中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)自從引進(jìn)振動處理技術(shù)以來，不僅在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，許多學(xué)者和科技工作者，在實際構(gòu)件上對消除殘余應(yīng)力的能力、尺寸的穩(wěn)定性、疲勞壽命等效果進(jìn)行了大量的試驗工作，都證明了這項工藝的可行性。振動時效也被譽為時效工藝的一次革命。
2振動處理技術(shù)應(yīng)用實例
⑴動平衡試驗機(jī)真空室
七十年代末從國外引進(jìn)了當(dāng)時亞洲Z大的動平衡試驗機(jī)，真空室在國內(nèi)加工，真空室為長13米、直徑7米分段卷制的焊接結(jié)構(gòu)筒體，按工藝要求焊接后進(jìn)行了振動處理，使用至今，仍然保持尺寸精度。
⑵電子束焊機(jī)真空室
2001年從國外引進(jìn)了大型電子束焊機(jī)，真空室在國內(nèi)加工，該真空室為焊接結(jié)構(gòu)，長7米、高6.3米、寬5米，重達(dá)110多噸，分為三部分即前、后室和大門進(jìn)行振動處理，在主焊縫附近，采用西安交大和哈汽共同研制的磁應(yīng)力分布測試儀測試了振動處理前后的殘余應(yīng)力，其中兩條焊縫的測試結(jié)果見下表：
殘余應(yīng)力的消除率達(dá)50％以上。該真空室已經(jīng)投產(chǎn)運行三年。
⑶環(huán)式隔板
環(huán)式隔板是汽輪機(jī)本體的一個重要部件，它是用來固定導(dǎo)葉的部件，熱能在導(dǎo)葉組成的汽道中被轉(zhuǎn)換成動能，使汽輪機(jī)工作。環(huán)式隔板采用的是焊接結(jié)構(gòu)，焊縫總長達(dá)幾十米，為了消除焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，一般要采用回火熱處理的方式消除應(yīng)力，與此同時還要進(jìn)行噴砂工序清除回火帶來的氧化皮。其次，隔板的本體和外環(huán)與其焊接其中的葉片是不同材料，因此，在熱時效過程中由于兩種材料不同，熱膨脹系數(shù)也不同，會產(chǎn)生新的熱應(yīng)力。若采用振動處理技術(shù)代替熱時效，不僅縮短了生產(chǎn)周期，減少了噴砂工序，降低了生產(chǎn)成本，還克服了熱時效給構(gòu)件帶來的不良影響。
按照對環(huán)式隔板熱時效的檢查標(biāo)準(zhǔn)，檢查了30付環(huán)式隔板在實施振動時效工藝前后，內(nèi)外環(huán)端面距的Z大變化量為＋3.1mm～-2.5mm之間，平均變化量為0.35mm。外環(huán)直徑的式隔板Z大變化量為±3mm，平均變化量為0.7mm，均未超過標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)于熱時效。
此外，采用X射線應(yīng)力儀檢測了環(huán)式隔板焊縫附近的振動時效前后的應(yīng)力變化，采用磁應(yīng)力分布測試儀檢測了內(nèi)外焊縫附近環(huán)式隔板振動時效前后的應(yīng)力分布變化，測試結(jié)果表明，振動時效后產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力均化效果。
目前，環(huán)式隔板的振動時效工藝已取代了熱時效工藝工序處理了數(shù)百付環(huán)式隔板，節(jié)約生產(chǎn)成本數(shù)百萬元。
⑷汽缸
汽缸的作用是將蒸氣包容在汽缸中膨脹做功，缸內(nèi)裝有噴咀、隔板、汽封等，它們統(tǒng)稱為靜子。汽缸要承受上述零件的自重和管道的安裝拉力，工作時的缸內(nèi)外壓差等其它作用力。由于工作條件的不同，汽缸又分為高壓、中壓、低壓汽缸。
汽缸采用振動時效工藝，目前于低壓缸和補焊缸，因為，低壓缸多為焊接結(jié)構(gòu)，而補焊缸，往往是在精加工時發(fā)現(xiàn)了缺陷時才施補焊的，采用熱時效消除補焊應(yīng)力，若產(chǎn)生了變形就無法修復(fù)，采用振動時效工藝是Z佳的選擇。
下面是采用振動時效工藝處理的空冷機(jī)組低壓缸中部下半尺寸穩(wěn)定性的檢測結(jié)果：
通過以上測試結(jié)果可見，振動時效后重達(dá)26噸的汽缸，經(jīng)過近十道工序的移動，其主要尺寸變化在±12mm左右，而控制標(biāo)準(zhǔn)不大于30mm。它優(yōu)于熱時效，熱時效需用大型的熱處理爐，熱源一般采用煤氣，往往會因為爐膛溫度不均勻使汽缸產(chǎn)生新的變形；由于強(qiáng)度的降低，汽缸移動時會產(chǎn)生更大的變形；能耗大，也不利于清潔生產(chǎn)；成本高，生產(chǎn)周期較長。
⑸凝汽器的水室
在汽輪機(jī)組的熱力系統(tǒng)中，凝汽器是為了滿足汽輪機(jī)熱工循環(huán)的輔助設(shè)備。其作用是提高循環(huán)熱效率，使排汽轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)水，以便在循環(huán)中使用。冷卻水是由進(jìn)水室經(jīng)冷卻管組后再經(jīng)出水室流出的，為此，要求凝汽器要有較好的嚴(yán)密性和尺寸穩(wěn)定性。
水室和水室的端蓋均為焊接結(jié)構(gòu)，重量由幾噸到幾十噸，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故時效方式采用了頻譜時效加標(biāo)準(zhǔn)時效的雙重時效方式。經(jīng)過振動時效處理的水室，有的在電廠已經(jīng)工作三年多了。
一般水室的體積較大，熱時效需要較大的熱處理爐，處理成本每件都在萬元以上，再加上運輸，處理周期等生產(chǎn)成本較高。而振動時效可在原加工場地就地施振后轉(zhuǎn)下道工序，不僅生產(chǎn)周期很短，而且處理成本極低。
⑹其它
粗加工后的軸承箱、劃線平臺、橈性板、彈簧支架、墊箱、消噪聲室、導(dǎo)彈運輸箱等等。其重量由幾百公斤到幾十噸，根據(jù)構(gòu)件的要求和結(jié)構(gòu)，分別采用亞共振時效、標(biāo)準(zhǔn)時效、頻譜時效。
３結(jié)論
總之，通過對構(gòu)件施加動載荷來調(diào)整其殘余應(yīng)力，有許多優(yōu)點是不容置疑的。其技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的，特別是一些無法估量的效益。由于振動時效對構(gòu)件的殘余應(yīng)力的均化作用，使構(gòu)件的機(jī)體產(chǎn)生了一定的硬化作用，因此，既均化了應(yīng)力又增加了構(gòu)件的抗變形能力和相對尺寸穩(wěn)定性。特別是汽輪機(jī)組工作在3000轉(zhuǎn)下，而頻譜時效的時效頻率大都在此范圍左右，可以認(rèn)為是一種次載荷鍛練的目的，尚可發(fā)現(xiàn)一些潛在的缺陷，是一舉兩得的事。
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