摘要：振動消除殘余應力是用機械方法調(diào)整殘余應力的一種工藝，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)在汽輪機等部件中的應用情況。
關(guān)鍵詞：振動時效技術(shù)；汽輪機部件；應用
1前言
振動處理技術(shù)自70年代被我國引進以來，它不僅為越來越多的人們所接受，而且在機床、重型機械、工程機械、航空、冶金、化工等部門取得了可喜的成績，為機械行業(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，是以機械振動的方式將其動應力施加于構(gòu)件上，當這種附加應力與構(gòu)件內(nèi)部的殘余應力相疊加時，其總的應力達到或超過一定數(shù)值后，這時，在構(gòu)件應力集中的地方，由于應力超過了材料的屈服強度而發(fā)生了微觀和宏觀的塑性變形，使殘余應力的峰值降低，調(diào)整了構(gòu)件殘余應力的分布，從而達到了殘余應力均化的目的。
振動處理技術(shù)的機理，國內(nèi)外學者從宏觀的、微觀的、力學的、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)的機理十分相似；由振動時效技術(shù)引起的構(gòu)件中殘余應力的松弛，是構(gòu)件內(nèi)部微區(qū)塑變整體調(diào)整的結(jié)果；由于殘余應力的存在表現(xiàn)為整體平衡的特點，當局部的殘余應力峰值發(fā)生變化時，必將引起構(gòu)件內(nèi)部的殘余應力的重新分布（均化）；殘余應力的降低與所加應力幅值有關(guān)，在合適的動應力下時效，可以達到次載鍛煉的目的，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)達國家的航天、航空工業(yè)、、汽車、機械工業(yè)中已經(jīng)獲得了廣泛的應用。國內(nèi)自從引進振動處理技術(shù)以來，不僅在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，許多學者和科技工作者，在實際構(gòu)件上對消除殘余應力的能力、尺寸的穩(wěn)定性、疲勞壽命等效果進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)應用實例
?、艅悠胶庠囼灆C真空室
七十年代末從國外引進了當時亞洲Z大的動平衡試驗機，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行了振動處理，使用至今，仍然保持尺寸精度。
⑵電子束焊機真空室
2001年從國外引進了大型電子束焊機，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110多噸，分為三部分即前、后室和大門進行振動處理，在主焊縫附近，采用西安交大和哈汽共同研制的磁應力分布測試儀測試了振動處理前后的殘余應力，其中兩條焊縫的測試結(jié)果見下表：
殘余應力的消除率達50％以上。該真空室已經(jīng)投產(chǎn)運行三年。
?、黔h(huán)式隔板
環(huán)式隔板是汽輪機本體的一個重要部件，它是用來固定導葉的部件，熱能在導葉組成的汽道中被轉(zhuǎn)換成動能，使汽輪機工作。環(huán)式隔板采用的是焊接結(jié)構(gòu)，焊縫總長達幾十米，為了消除焊接時產(chǎn)生的殘余應力，一般要采用回火熱處理的方式消除應力，與此同時還要進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準，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，均未超過標準且優(yōu)于熱時效。
此外，采用X射線應力儀檢測了環(huán)式隔板焊縫附近的振動時效前后的應力變化，采用磁應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力，若產(chǎn)生了變形就無法修復，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，而控制標準不大于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。
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在汽輪機組的熱力系統(tǒng)中，凝汽器是為了滿足汽輪機熱工循環(huán)的輔助設備。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)較為復雜，故時效方式采用了頻譜時效加標準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。
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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、標準時效、頻譜時效。
?。辰Y(jié)論
總之，通過對構(gòu)件施加動載荷來調(diào)整其殘余應力，有許多優(yōu)點是不容置疑的。其技術(shù)效益和經(jīng)濟效益是十分可觀的，特別是一些無法估量的效益。由于振動時效對構(gòu)件的殘余應力的均化作用，使構(gòu)件的機體產(chǎn)生了一定的硬化作用，因此，既均化了應力又增加了構(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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