振動時效在蒸汽輪機鑄鋼件生產中的研究應用

周佼，馮周榮（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

振動時效在蒸汽輪機鑄鋼件生產中的研究應用

周佼，馮周榮
（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

根據鑄件生產過程中產生的殘余應力，對比分析了常用的消除殘余應力的時效方法。主要分析了振動時效的原理，研究振動時效在蒸汽輪機鑄鋼件生產中的應用，確定了工藝參數。結果表明，振動時效消除殘余應力有顯著的效果，能夠提高鑄件的焊接合格率，部分代替熱時效，節約能源，提高生產效率。

鑄鋼件；殘余應力；振動時效

鑄件在凝固之后的冷卻過程中，不斷產生固態線收縮，使得鑄件的體積和外形發生變化。當這種變化受到阻礙時，便會在鑄件中產生鑄造應力。鑄造應力會殘留在鑄件內部，如不經過消除應力處理，會削弱鑄件的結構強度，還可使鑄件在機械加工后發生尺寸改變[1]。

殘余的鑄造應力對鑄件的熱處理、焊接、切削加工等均會產生不同程度的影響。殘余應力的存在使工件處于不穩定狀態，是工件開裂或變形的主要原因[2]。應力集中產生的危害主要是鑄件萌生裂紋以及產生局部變形，導致鑄件進行質量返修，這會給企業造成較大的資源浪費。

因此，需要設法消除鑄件的殘余應力，從而提高鑄件的各項性能，延長其使用壽命，一般采用時效的方式消除殘余應力。

1 鑄件常用的時效方法

鑄件使用的時效方法一般有自然時效、熱時效和振動時效[3]。

1.1 自然時效

自然時效是把工件放在室外等自然條件下，長時間放置使工件內部應力自然釋放，從而降低或消除殘余應力。

自然時效的優點是不需要人工干預，時效效果好，且沒有電力、蒸汽等能源消耗。但缺點是周期太長，影響企業的生產安排、資源分配，現已逐漸被淘汰。

1.2 熱時效

熱時效是通過溫度的上升使得材料屈服極限值下降，使內部的殘余應力達到或超過溫升后的材料值，從而在殘余應力超過的局部產生微小塑性變形而釋放應力。

熱時效的優點是工藝方法成熟，應力消除率高，得到廣泛的應用。但熱時效需要消耗大量的能源，排放出的廢氣廢渣造成環境污染；若過程控制不好，還會產生新的殘余應力。

1.3 振動時效

近年來，國內外用共振原理來消除殘余應力，稱為振動時效（V i b ration S tr e ss R e l i ef，V S R）.這項技術是美國著名物理學家J.W.S tratt提出的，其基本思想是通過對工件施以循環載荷，使工件內應力釋放，從而使工件殘余應力降低、尺寸穩定下來而達到振動消應力的目的。

振動時效的優點是能源消耗小，周期短（一般為10m in～40m in），使用方便，能提高鑄件的尺寸穩定性及抗變形能力。

2 振動時效消除殘余應力的機理

關于振動時效的機理問題，已經進行了大量的研究，雖然目前尚無定論，但綜合現有研究成果[4-6]，有以下主流觀點。

從材料的應力應變特性角度分析，振動時效消除殘余應力的必要條件是激振力和殘余應力之和大于材料的屈服極限。上述條件成立時，工件內殘余應力的高峰值處將產生局部屈服，使得工件內部殘余應力高峰值降低并使殘余應力重新均化分布。

從位錯理論的微觀角度分析，殘余應力的本質是晶格畸變，而晶格畸變在很大程度上是由位錯引起的。振動過程中金屬材料內部的位錯滑移產生微觀塑性變形，使殘余應力得以釋放。

3 振動時效在蒸汽輪機鑄件生產中的應用

大型鑄鋼件在生產過程中（焊接、粗加工等）易產生開裂、變形等缺陷，這些缺陷是由較大的應力導致的。而且這些問題通過熱處理不能解決或產生極大的資源浪費。因此，考慮在蒸汽輪機鑄件上進行振動時效的試驗，配合應力檢測設備，驗證振動時效的效果。

3.1 振動時效工藝

振動時效工藝是將激振器固定在鑄件的適當位置，通過振動設備的控制系統，根據鑄件的噸位大小和形狀調節參數，使連接在鑄件上的傳感器（加速度計）接收的信號達到最大值，此時表明鑄件已達到共振。在該狀態下持續振動一段時間，即可達到消除應力的目的。

圖1為振動時效操作的示意圖。振動前先將鑄件支墊在較軟材質（木塊、橡膠墊等）的物體上，一般選3～4個支撐點，支撐高度為100mm～200mm，確保鑄件支撐平穩、牢固。根據鑄件的噸位大小，選擇相應的振動參數，具體見表1.

激振器偏心距的大小反應了激振器振動幅度的大小，對于噸位不同的鑄件，激振器偏心距調節應該在一定范圍內，這樣有利于更快速達到共振。

圖1 振動時效操作示意圖

表1 振動時效參數

用卡具將激振器固定在鑄件上，裝卡時應選擇靠近鑄件中部的易裝卡部位。再將傳感器吸附在鑄件表面，傳感器的吸附位置應選擇鑄件上振動較明顯的部位，此部位最能反映鑄件的整體振動效果。

偏心距確定后，通過控制系統控制激振器的轉速，在此過程中尋找共振點。安全轉速范圍一般不能超過6 000 r/m in，轉速過高容易燒壞控制器的保險。當轉速超過6 000 r/m in時，鑄件仍沒有達到共振，要調節偏心距重新進行共振點的確定，直至鑄件達到共振。

3.2 振動時效提高焊接合格率

針對公司生產的蒸汽輪機鑄件，通過盲孔法測量了不同生產節點鑄件的應力，確定了產生較大應力的工序有缺陷鏟磨、焊接等。圖2是A類蒸汽輪機鑄件在焊接前后各工序的應力值，可以看到在缺陷鏟磨及焊接后均有較大的應力。因此，需要通過振動時效來消除或降低這些工序鑄件的殘余應力。

由于缺陷鏟磨完后即進行焊接，在焊接前進行振動時效，可降低鏟磨產生的應力，有利于焊接。

圖2 A類蒸汽輪機鑄件各工序應力值

表2統計了焊接前采用振動消應力與傳統焊接方法的合格率對比，焊接前進行振動消應力對焊接合格率有著明顯的提升。

表2 焊接前后是否采用振動時效合格率對比

振動消應力不僅能提高首次焊接的合格率，還能減少焊接次數及缺陷數量，表3是對鑄件進行振動消應力后平均焊接次數及平均缺陷數量的降幅對比。由表3可看出，對鑄件進行振動消應力后，平均焊接次數及平均缺陷數量的降幅最高可達40%和48%.

表3 振動消應力對焊接次數和缺陷數量的影響

3.3 振動時效替代熱處理

目前鑄造行業最普遍的消除殘余應力的方法是熱時效（熱處理）。熱處理消應力效果最為顯著，應力消除率一般都達50%～80%，是目前企業最可信的消除應力方式。通過大量實驗驗證，在焊接量一定的情況下，振動消應力可以達到與熱處理消除應力相當的水平，可以替代首次焊后的進爐熱處理。

圖3為A類蒸汽輪機鑄件熱時效與振動時效兩種方式消應力的效果對比，通過對比可以看出，熱處理消應力效果穩定，具體數據好于振動消應力。但也可以看出，在某種程度上，振動時效與熱時效應力水平效果相當，在很多情況下可以替代熱時效，從而降低鑄件殘余應力。

由于振動時效時間短，資源消耗低，在替代熱處理的情況下，能為企業節省資源，降低成本，提高生產效率。

圖3 A類蒸汽輪機鑄件兩種消除應力方式效果對比

4 結論

通過現場的大量實驗證明，振動時效在蒸汽輪機鑄件生產中有著良好的效果。

1）焊接前進行振動時效降低鑄件的殘余應力，能夠將焊接合格率提高6%～13%，同時也能減少焊接次數及缺陷數量。

2）焊接后進行振動時效能夠部分代替熱處理，降低成本，節省資源，每減少熱處理爐1次可節約20 000元成本。

［1］邢巍巍.減少和消除鑄造應力的方法［J］］.農機使用與維修，2013（3）：43.

［2］楊銘偉.超聲振動時效消除殘余應力機理分析及試驗研究［D］.太原：太原理工大學，2015.

［3］胡曉東.振動時效與熱時效消除鑄造應力工藝比較［J］.現代鑄鐵，2009（6）：33-37.

［4］郭蘭中，李新勇.振動時效消除殘余應力的機理及應用［J］.蘭州工業高等?？茖W校學報，2005（2）：39-42.

［5］汪玉平，崔鳳奎.大型數控機床床身的振動時效處理［J］.河南科技大學學報，2009（3）：26-28.

［6］韓衍昭，劉愛敏.振動時效技術的研究現狀與發展［J］.鑄造技術，2013（4）：479-481.

Application of Vibrating Aging in the Production of Steam Turbine Steel Casting

ZHOU Jiao，FENG Zhou-rong
（Kocel Steel Foundry CO.，LTD.，Yinchuan Ningxia 750021，China）

According to the residual stress during the production of castings，the common agingmethods of eliminating residual stress were analyzed.The principle of vibration stress relief（VSR）and the application of VSR in the production of steam turbine castingswere researched to determine the VSR process parameters.The result showed that the VSR has significant effect on eliminating residual stress，which could improve thewelding qualification of castings and could partially replace the heat treatment，save energy and increase productivity.

casting，residual stress，vibration stress relief

TG26

A

1674-6694（2017）03-0051-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.017

收修改稿日期:2017-04-09

周佼（1990-），男，助理工程師，主要從事鑄造輔材料及應力相關的工作。