周佼，馮周榮（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

振動(dòng)時(shí)效在蒸汽輪機(jī)鑄鋼件生產(chǎn)中的研究應(yīng)用

周佼，馮周榮
（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川750021）

根據(jù)鑄件生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，對(duì)比分析了常用的消除殘余應(yīng)力的時(shí)效方法。主要分析了振動(dòng)時(shí)效的原理，研究振動(dòng)時(shí)效在蒸汽輪機(jī)鑄鋼件生產(chǎn)中的應(yīng)用，確定了工藝參數(shù)。結(jié)果表明，振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)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(shí)效，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。

鑄鋼件；殘余應(yīng)力；振動(dòng)時(shí)效

鑄件在凝固之后的冷卻過(guò)程中，不斷產(chǎn)生固態(tài)線收縮，使得鑄件的體積和外形發(fā)生變化。當(dāng)這種變化受到阻礙時(shí)，便會(huì)在鑄件中產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。鑄造應(yīng)力會(huì)殘留在鑄件內(nèi)部，如不經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力處理，會(huì)削弱鑄件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還可使鑄件在機(jī)械加工后發(fā)生尺寸改變[1]。

殘余的鑄造應(yīng)力對(duì)鑄件的熱處理、焊接、切削加工等均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。殘余應(yīng)力的存在使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，是工件開(kāi)裂或變形的主要原因[2]。應(yīng)力集中產(chǎn)生的危害主要是鑄件萌生裂紋以及產(chǎn)生局部變形，導(dǎo)致鑄件進(jìn)行質(zhì)量返修，這會(huì)給企業(yè)造成較大的資源浪費(fèi)。

因此，需要設(shè)法消除鑄件的殘余應(yīng)力，從而提高鑄件的各項(xiàng)性能，延長(zhǎng)其使用壽命，一般采用時(shí)效的方式消除殘余應(yīng)力。

1 鑄件常用的時(shí)效方法

鑄件使用的時(shí)效方法一般有自然時(shí)效、熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效[3]。

1.1 自然時(shí)效

自然時(shí)效是把工件放在室外等自然條件下，長(zhǎng)時(shí)間放置使工件內(nèi)部應(yīng)力自然釋放，從而降低或消除殘余應(yīng)力。

自然時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)是不需要人工干預(yù)，時(shí)效效果好，且沒(méi)有電力、蒸汽等能源消耗。但缺點(diǎn)是周期太長(zhǎng)，影響企業(yè)的生產(chǎn)安排、資源分配，現(xiàn)已逐漸被淘汰。

1.2 熱時(shí)效

熱時(shí)效是通過(guò)溫度的上升使得材料屈服極限值下降，使內(nèi)部的殘余應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)溫升后的材料值，從而在殘余應(yīng)力超過(guò)的局部產(chǎn)生微小塑性變形而釋放應(yīng)力。

熱時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)是工藝方法成熟，應(yīng)力消除率高，得到廣泛的應(yīng)用。但熱時(shí)效需要消耗大量的能源，排放出的廢氣廢渣造成環(huán)境污染；若過(guò)程控制不好，還會(huì)產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。

1.3 振動(dòng)時(shí)效

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外用共振原理來(lái)消除殘余應(yīng)力，稱(chēng)為振動(dòng)時(shí)效（V i b ration S tr e ss R e l i ef，V S R）.這項(xiàng)技術(shù)是美國(guó)著名物理學(xué)家J.W.S tratt提出的，其基本思想是通過(guò)對(duì)工件施以循環(huán)載荷，使工件內(nèi)應(yīng)力釋放，從而使工件殘余應(yīng)力降低、尺寸穩(wěn)定下來(lái)而達(dá)到振動(dòng)消應(yīng)力的目的。

振動(dòng)時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)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(wěn)定性及抗變形能力。

2 振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理

關(guān)于振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理問(wèn)題，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，雖然目前尚無(wú)定論，但綜合現(xiàn)有研究成果[4-6]，有以下主流觀點(diǎn)。

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

從位錯(cuò)理論的微觀角度分析，殘余應(yīng)力的本質(zhì)是晶格畸變，而晶格畸變?cè)诤艽蟪潭壬鲜怯晌诲e(cuò)引起的。振動(dòng)過(guò)程中金屬材料內(nèi)部的位錯(cuò)滑移產(chǎn)生微觀塑性變形，使殘余應(yīng)力得以釋放。

3 振動(dòng)時(shí)效在蒸汽輪機(jī)鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用

大型鑄鋼件在生產(chǎn)過(guò)程中（焊接、粗加工等）易產(chǎn)生開(kāi)裂、變形等缺陷，這些缺陷是由較大的應(yīng)力導(dǎo)致的。而且這些問(wèn)題通過(guò)熱處理不能解決或產(chǎn)生極大的資源浪費(fèi)。因此，考慮在蒸汽輪機(jī)鑄件上進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的試驗(yàn)，配合應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備，驗(yàn)證振動(dòng)時(shí)效的效果。

3.1 振動(dòng)時(shí)效工藝

振動(dòng)時(shí)效工藝是將激振器固定在鑄件的適當(dāng)位置，通過(guò)振動(dòng)設(shè)備的控制系統(tǒng)，根據(jù)鑄件的噸位大小和形狀調(diào)節(jié)參數(shù)，使連接在鑄件上的傳感器（加速度計(jì)）接收的信號(hào)達(dá)到最大值，此時(shí)表明鑄件已達(dá)到共振。在該狀態(tài)下持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間，即可達(dá)到消除應(yīng)力的目的。

圖1為振動(dòng)時(shí)效操作的示意圖。振動(dòng)前先將鑄件支墊在較軟材質(zhì)（木塊、橡膠墊等）的物體上，一般選3～4個(gè)支撐點(diǎn)，支撐高度為100mm～200mm，確保鑄件支撐平穩(wěn)、牢固。根據(jù)鑄件的噸位大小，選擇相應(yīng)的振動(dòng)參數(shù)，具體見(jiàn)表1.

激振器偏心距的大小反應(yīng)了激振器振動(dòng)幅度的大小，對(duì)于噸位不同的鑄件，激振器偏心距調(diào)節(jié)應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，這樣有利于更快速達(dá)到共振。

圖1 振動(dòng)時(shí)效操作示意圖

表1 振動(dòng)時(shí)效參數(shù)

用卡具將激振器固定在鑄件上，裝卡時(shí)應(yīng)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(yīng)選擇鑄件上振動(dòng)較明顯的部位，此部位最能反映鑄件的整體振動(dòng)效果。

偏心距確定后，通過(guò)控制系統(tǒng)控制激振器的轉(zhuǎn)速，在此過(guò)程中尋找共振點(diǎn)。安全轉(zhuǎn)速范圍一般不能超過(guò)6 000 r/m in，轉(zhuǎn)速過(guò)高容易燒壞控制器的保險(xiǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)6 000 r/m in時(shí)，鑄件仍沒(méi)有達(dá)到共振，要調(diào)節(jié)偏心距重新進(jìn)行共振點(diǎn)的確定，直至鑄件達(dá)到共振。

3.2 振動(dòng)時(shí)效提高焊接合格率

針對(duì)公司生產(chǎn)的蒸汽輪機(jī)鑄件，通過(guò)盲孔法測(cè)量了不同生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)鑄件的應(yīng)力，確定了產(chǎn)生較大應(yīng)力的工序有缺陷鏟磨、焊接等。圖2是A類(lèi)蒸汽輪機(jī)鑄件在焊接前后各工序的應(yīng)力值，可以看到在缺陷鏟磨及焊接后均有較大的應(yīng)力。因此，需要通過(guò)振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除或降低這些工序鑄件的殘余應(yīng)力。

由于缺陷鏟磨完后即進(jìn)行焊接，在焊接前進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效，可降低鏟磨產(chǎn)生的應(yīng)力，有利于焊接。

圖2 A類(lèi)蒸汽輪機(jī)鑄件各工序應(yīng)力值

表2統(tǒng)計(jì)了焊接前采用振動(dòng)消應(yīng)力與傳統(tǒng)焊接方法的合格率對(duì)比，焊接前進(jìn)行振動(dòng)消應(yīng)力對(duì)焊接合格率有著明顯的提升。

表2 焊接前后是否采用振動(dòng)時(shí)效合格率對(duì)比

振動(dòng)消應(yīng)力不僅能提高首次焊接的合格率，還能減少焊接次數(shù)及缺陷數(shù)量，表3是對(duì)鑄件進(jìn)行振動(dòng)消應(yīng)力后平均焊接次數(shù)及平均缺陷數(shù)量的降幅對(duì)比。由表3可看出，對(duì)鑄件進(jìn)行振動(dòng)消應(yīng)力后，平均焊接次數(shù)及平均缺陷數(shù)量的降幅最高可達(dá)40%和48%.

表3 振動(dòng)消應(yīng)力對(duì)焊接次數(shù)和缺陷數(shù)量的影響

3.3 振動(dòng)時(shí)效替代熱處理

目前鑄造行業(yè)最普遍的消除殘余應(yīng)力的方法是熱時(shí)效（熱處理）。熱處理消應(yīng)力效果最為顯著，應(yīng)力消除率一般都達(dá)50%～80%，是目前企業(yè)最可信的消除應(yīng)力方式。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在焊接量一定的情況下，振動(dòng)消應(yīng)力可以達(dá)到與熱處理消除應(yīng)力相當(dāng)?shù)乃?，可以替代首次焊后的進(jìn)爐熱處理。

圖3為A類(lèi)蒸汽輪機(jī)鑄件熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效兩種方式消應(yīng)力的效果對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以看出，熱處理消應(yīng)力效果穩(wěn)定，具體數(shù)據(jù)好于振動(dòng)消應(yīng)力。但也可以看出，在某種程度上，振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效應(yīng)力水平效果相當(dāng)，在很多情況下可以替代熱時(shí)效，從而降低鑄件殘余應(yīng)力。

由于振動(dòng)時(shí)效時(shí)間短，資源消耗低，在替代熱處理的情況下，能為企業(yè)節(jié)省資源，降低成本，提高生產(chǎn)效率。

圖3 A類(lèi)蒸汽輪機(jī)鑄件兩種消除應(yīng)力方式效果對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的大量實(shí)驗(yàn)證明，振動(dòng)時(shí)效在蒸汽輪機(jī)鑄件生產(chǎn)中有著良好的效果。

1）焊接前進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效降低鑄件的殘余應(yīng)力，能夠?qū)⒑附雍细衤侍岣?%～13%，同時(shí)也能減少焊接次數(shù)及缺陷數(shù)量。

2）焊接后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效能夠部分代替熱處理，降低成本，節(jié)省資源，每減少熱處理爐1次可節(jié)約20 000元成本。

［1］邢巍巍.減少和消除鑄造應(yīng)力的方法［J］］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2013（3）：43.

［2］楊銘偉.超聲振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力機(jī)理分析及試驗(yàn)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2015.

［3］胡曉東.振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效消除鑄造應(yīng)力工藝比較［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2009（6）：33-37.

［4］郭蘭中，李新勇.振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理及應(yīng)用［J］.蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2005（2）：39-42.

［5］汪玉平，崔鳳奎.大型數(shù)控機(jī)床床身的振動(dòng)時(shí)效處理［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）：26-28.

［6］韓衍昭，劉愛(ài)敏.振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鑄造技術(shù)，2013（4）：479-481.

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

ZHOU Jiao，F(xiàn)ENG 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(yīng)力相關(guān)的工作。