摘要：振動(dòng)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(diǎn)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(dòng)時(shí)效技術(shù)；汽輪機(jī)部件；應(yīng)用
1前言
振動(dòng)處理技術(shù)自70年代被我國(guó)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(jī)，為機(jī)械行業(yè)的發(fā)展起了越來越大的作用。振動(dòng)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(jiǎn)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(bǔ)了自然時(shí)效和熱時(shí)效的不足，因此，振動(dòng)處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。
振動(dòng)處理技術(shù)經(jīng)過大量試驗(yàn)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(duì)于鑄件的處理效果較為明顯。
振動(dòng)處理技術(shù)的原理，是以機(jī)械振動(dòng)的方式將其動(dòng)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(shí)，其總的應(yīng)力達(dá)到或超過一定數(shù)值后，這時(shí)，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(dòng)處理技術(shù)的機(jī)理，國(guó)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(cuò)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(yàn)表明，振動(dòng)處理技術(shù)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)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(cuò)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(dòng)能量，而使發(fā)生位錯(cuò)的晶格原子回到低位錯(cuò)狀態(tài)，這和熱處理是通過增加晶格原子的熱動(dòng)能，而使發(fā)生位錯(cuò)的晶格原子回到位能較低的少位錯(cuò)狀態(tài)的機(jī)理十分相似；由振動(dòng)時(shí)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(diǎn)，當(dāng)局部的殘余應(yīng)力峰值發(fā)生變化時(shí)，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(dòng)應(yīng)力下時(shí)效，可以達(dá)到次載鍛煉的目的，且不會(huì)造成疲勞損傷。
總之，對(duì)振動(dòng)處理技術(shù)這一客觀事實(shí)的認(rèn)識(shí)盡管有一定的局限和分歧，但從50年代起在國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)內(nèi)自從引進(jìn)振動(dòng)處理技術(shù)以來，不僅在各個(gè)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(shí)際構(gòu)件上對(duì)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(yàn)工作，都證明了這項(xiàng)工藝的可行性。振動(dòng)時(shí)效也被譽(yù)為時(shí)效工藝的一次革命。
2振動(dòng)處理技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
⑴動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)真空室
七十年代末從國(guó)外引進(jìn)了當(dāng)時(shí)亞洲Z大的動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)，真空室在國(guó)內(nèi)加工，真空室為長(zhǎng)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(dòng)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(guó)外引進(jìn)了大型電子束焊機(jī)，真空室在國(guó)內(nèi)加工，該真空室為焊接結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(dòng)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(cè)試儀測(cè)試了振動(dòng)處理前后的殘余應(yīng)力，其中兩條焊縫的測(cè)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(yùn)行三年。
⑶環(huán)式隔板
環(huán)式隔板是汽輪機(jī)本體的一個(gè)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(dòng)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(zhǎng)達(dá)幾十米，為了消除焊接時(shí)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(shí)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(shí)效過程中由于兩種材料不同，熱膨脹系數(shù)也不同，會(huì)產(chǎn)生新的熱應(yīng)力。若采用振動(dòng)處理技術(shù)代替熱時(shí)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(shí)效給構(gòu)件帶來的不良影響。
按照對(duì)環(huán)式隔板熱時(shí)效的檢查標(biāo)準(zhǔn)，檢查了30付環(huán)式隔板在實(shí)施振動(dòng)時(shí)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(shí)效。
此外，采用X射線應(yīng)力儀檢測(cè)了環(huán)式隔板焊縫附近的振動(dòng)時(shí)效前后的應(yīng)力變化，采用磁應(yīng)力分布測(cè)試儀檢測(cè)了內(nèi)外焊縫附近環(huán)式隔板振動(dòng)時(shí)效前后的應(yīng)力分布變化，測(cè)試結(jié)果表明，振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)效工藝已取代了熱時(shí)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(shí)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(dòng)時(shí)效工藝，目前于低壓缸和補(bǔ)焊缸，因?yàn)椋蛪焊锥酁楹附咏Y(jié)構(gòu)，而補(bǔ)焊缸，往往是在精加工時(shí)發(fā)現(xiàn)了缺陷時(shí)才施補(bǔ)焊的，采用熱時(shí)效消除補(bǔ)焊應(yīng)力，若產(chǎn)生了變形就無法修復(fù)，采用振動(dòng)時(shí)效工藝是Z佳的選擇。
下面是采用振動(dòng)時(shí)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(cè)結(jié)果：
通過以上測(cè)試結(jié)果可見，振動(dòng)時(shí)效后重達(dá)26噸的汽缸，經(jīng)過近十道工序的移動(dòng)，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(shí)效，熱時(shí)效需用大型的熱處理爐，熱源一般采用煤氣，往往會(huì)因?yàn)闋t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(dòng)時(shí)會(huì)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(zhǎng)。
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(shí)效方式采用了頻譜時(shí)效加標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效的雙重時(shí)效方式。經(jīng)過振動(dòng)時(shí)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(shí)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(yùn)輸，處理周期等生產(chǎn)成本較高。而振動(dòng)時(shí)效可在原加工場(chǎng)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(tái)、橈性板、彈簧支架、墊箱、消噪聲室、導(dǎo)彈運(yùn)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(shí)效、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效、頻譜時(shí)效。
３結(jié)論
總之，通過對(duì)構(gòu)件施加動(dòng)載荷來調(diào)整其殘余應(yīng)力，有許多優(yōu)點(diǎn)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(dòng)時(shí)效對(duì)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(duì)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(shí)效的時(shí)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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