振动时效技术起源于20世纪初的美国,约在20世纪50年代,第一台振动时效仪在美国诞生。目前振动时效技术在国际上己进入相当普及的阶段。如:德国的VDF机械制造,前苏联的伊万偌夫重型机械厂,美国莫尔公司,日本的法纳克,小松机械研究所等等都在应用这一科学消除残余应力的振动时效技术!
20世纪70年代,我国开始关注并实验使用振动时效技术。经过二十多年的摸索和实践。无论在理论研究,工艺原理摸索,都取得了很大的成就,进入国际先进水平。该技术最早在我国机床行业的开始应用的。如今振动时效不仅在机床行业、轴承制造、汽车造船机械、矿山机械,航天石油等行业得到了很大的推广与普及。在压力容器制造领域中亦开始探索利用振动时效方法代替传统的热处理方法,采用振动法代替热处理法可节省能源,缩短处理时间,降低成本,减轻应力腐蚀,还可减少对环境的污染,避免因热处理产生大量氧化皮的问题,某些双相复合材料的容器,如不锈钢复合板、堆焊不锈钢耐蚀层的尿素合成塔及加氢反应器等大型关键设备,因不锈钢材料在450 ~850C范围有材料敏化问题,采用热处理消除应力有困难;某些Cr、Mo钢容器材料,用热处理法消除应力,易产生再热裂纹。而用振动法消除应力则可避免这些问题的出现,因此,在压力容器制造中特别是高强钢材料压力容器应用振动时效技术有着广阔的前景。
在压力容器制造过程中会产生残余应力(主要是焊接应力),这些残余应力的存在将影响压力容器的疲劳寿命,加产生脆性破坏的可能性,使抗应力腐蚀的能力减小。为了消除这些不利的影响,进行焊后热处理,是压力容器制造过程中质量控制的重要环节之一。因此,根据不同材质、板厚及压力容器盛装介质的使用性能要求,对焊后热处理作了具体规定。振动处理技术是近20多年来出现的一种可代替热处理的技术,属于机械作用法。使用该方法可降低或均化金属构件内的残余应力,提高构件使用强度,减少变形,防止或减少由于热处理和焊接产生的微观裂纹。
2振动时效的原理振动时效的原理就是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力,使其产生共振,从而使工件获得一定的振动能量,使工件内部产生微观的塑性变形,从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态,晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎,使得残余应力得以被消除和均化。
振动处理时,通过激振器对被处理金属构件施加一交变应力,如果交变应力幅与被处理的金属构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时,这些点将产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,但同样会产生微观塑性变形,而且这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大点上,使这些点受约束的变形得以释放,从而降低了残余应力。
亦即当a动+a残>as时,就会降低或均化构件内的残余应力。a动为施加在被处理件上的周期动应力,a残为被处理件中的残余应力,as为被处理件材料的屈服极限,单位均为MPa.根据上述机理和大量实践,表明振动时效的一个突出特点是:高应力降低的比例大,特别是在应力集中处,残余应力降低较。
3试验研究结果表明,振动时效对金属焊缝及热影响区材料的力学性能基本没有影响,但因残余应力的降低和均化却使焊缝材料的断裂韧度和疲劳极限明显提高。在疲劳极限的提高上振动时效要优于热处理。国内的研究结果还证明,由于采用振动时效降低和均化了焊接应力,因此提高了构件的抗应力腐蚀能力。
哈尔滨焊接研究所和沈阳蒸压釜制造厂对生产的压力容器蒸压釜部件及整体采用振动时效处理,消除焊缝区应力40%以上。济南第一机床厂为山东齐鲁石化公司储运厂生产的2500m3液碱罐,做了振动时效处理,消除应力30%左右,达到了设计要求。湖北省1台200m3液化石油气球罐,安装组焊后,采用振动法消除焊接应力10%~29%,平均约为15 %左右。
某研究所和沈阳蒸压釜制造厂对生产的压力容器蒸压釜部件及整体采用振动时效处理,消除焊缝区应力40%以上。济南第一机床厂为山东齐鲁石化公司储运厂生产的2500m3液碱罐,做了振动时效处理,消除应力30%左右,达到了设计要求。湖北省1台200m3液化石油气球罐,安装组焊后,采用振动法消除焊接应力10%~29%,平均约为15%左右。振动时效与热时效特点比较见表1.表1振动时效与热时效特点比较项目热时效振动时效应力消除能源消耗能耗高比热时效节能95%环境保护有烟气粉尘废渣排放无污染尺寸稳定性较好比热时效提高30%以上生产费用时效周期1h以内抗变形能力比时效前有所降低比热时效提高30%-50%时效变形较大可忽略不计时效氧化有无大型工件无法进行炉处理可方便就地处理大连锅炉压力容器检验研究所与大连理工大学共同研制开发振动时效在压力容器上的应用,对金州重型机器厂设计生产的3台残液罐进行了2种消除焊接应力方法的对比试验和测试。残液罐技术参数:V=5m3,p设=1.8 MPa主体材质为16MnR mm,图样要求焊后进行消除应力热处理。
试验中用“盲孔法”测量了3台残液罐在处理前后的残余应力,见表2.在对接焊缝的纵向和环向焊缝的焊趾处各选5个测点,其中1、3、5、7、9为应力消除前测点,2、4、6、8、10为应力消除后测点还测试了一块与容器一起进行振动时效处理的焊接试板在处理前后的残余应力。采用振动时效消除应力处理的残液罐,按照B4708钢制压力容器焊接工艺评定要求做了焊接工艺评定,评定试板在振动前后均进行磁粉探伤,未见异常,结果合格。
表23台残液罐消除应力情况残余应力平均值(MPa)产品编号处理方法处理工艺残余应力降低幅度处理前处理后振动时效一阶频率(=20min)振动时效一阶,二阶频率焊接试板218振动时效热处理4结论虽然国内一些单位对压力容器己有用振动时效代替热处理的实例,但是由于压力容器是有爆炸危险的特种设备,国内外压力容器制造法规和标准中均有要进行热处理的明确规定。振动时效作为一项新技术,要在压力容器制造中代替成熟的热处理工艺,必须通过试验获取大量的测试数据,充分地证实其可行性,并通过技术鉴定,且经逐步推广和使用实践,只有丰富的工艺理论和娴熟的操作技术才能使振动时效技术达到最大的推广应用丨