振动时效在水轮机生产中的应用

摘要：本文介绍了某型水轮机焊接座环的振动时效的工艺，并对振动时效后的应力调整结果进行了分析

1、前言 
    国内外的实践和研究表明，振动时效是一种介于自然时效和热时效两者之间的时效方法，经过一年自然时效的工件，残余应力仅下降2-10% ，但是却较大地提高了工件的松弛刚度。因而工件的尺寸稳定性好，然而因时间较长，一般不采用。热时效通常认为可以消除残余应力为70-80%，我国若干厂家热时效消除残余应力的统计说明，实际生产中，热时效消除残余应力为20-60%，而且能耗大、成本高，振动时效可以消除残余应力20-50%，比热时效低，但比自然时效高，主要是降低残余应力峰值；它和自然时效一样，能提高工件的松弛刚度，而热时效能则工件的松弛刚度下降。因而振动时效工件的尺寸稳定性与热时效工件相当。此外，振动时效还具有投资小，生产周期短，节约能源，降低成本等优点。 
我公司从1981年开始采用振动时效，对电动机、发电机的焊接结构件进行时效处理。十余年的实践证明，振动时效处理后的电机结构件能满足尺寸稳定性要求，未出现影响电机安装和使用的情况，我们曾经用盲孔法对1250KW柴油发电机机座和端盖进行振前、振后残余应力测试，测试结果表明机座和端盖的残余应力降幅的平均值分别为33.2% 、34.3%。由于我公司产品结构调整，水轮机结构件的外形尺寸越来越大，加工周期越来越短，为满足生产需要。我们对某型水轮机座环进行了振动时效工艺试验和振前、振后残余应力测试。 

2、振动时效工艺过程： 
2.1振动时效设备： 
1）控制箱：SSIN100A型 
2）激振器：功率2.2KW，最大激振力35KN，最高转速8000转/分 
2.2工件支撑位置和激振器装夹位置：工件上环朝下、下环朝上水平放置于专用支撑垫上，对座环共振三次，第1次激振器装夹在上环，第2、3次振动在下环。

次数	偏心角（°）	转速（N/min）	时间（min）	加速度m/s2
1	45	4530	5	＞6
2	60	5500	10	＞6
3	20	5438	20	＞6

3、应力测试点位置：
    本次应力测试采用磁测法，分别检测振动时效前、后的应变电流变化，根据应力测试的要求，测试点均选在座环上焊缝的焊趾处，分7个区（每个区测2个点），共选取14个测点。
振前、振后应变电流：

测点 序号	振前电流值(mA)			振后电流值(mA)
	I0	I0	I0	I0	I0	I0
1	-0.64	0.08	0.79	-4.84	-2.85	-4.5
2	-2.64	-3.36	-2.64	-4.6	-4.57	-5.87
3	-3.80	-3.87	7.87	-3.3	-2.6	-2.9
4	-4.65	-3.24	-2.69	-4.7	-4.6	-3.35
5	-5.18	-3.80	-4.35	-4.41	-4.25	-4.44
6	-4.7	-5.36	-7.4	-3.54	-3.47	-4.8
7	-4.58	-7.82	-7.21	-2.99	-3.85	-5.46
8	-7.14	-6.47	-8.33	-6.56	-6.03	-5.0
9	1.2	0.9	-0.33	0.53	0.26	1.00
10	1.37	1.6	-0.92	1.11	0.40	1.16
11	-2.88	-2.55	-2.04	-2.66	-2.18	-3.88
12	-4.94	-4.94	-5.87	-3.47	-4.33	-3.43
13	-1.67	-0.59	-1.12	-0.78	-0.88	-0.83
14	-3.58	-1.84	-2.61	-1.63	-1.25	-2.59

3.3应力测试的方法与结果： 
3.3.1应力测试的方法： 
本测试使用三维应力分布磁测仪，通过传感器和一定的电路将磁导率变化转变为电流量（或电压）的变化，建立应力和电流（或电压）的函数关系，通过电流量测量来确定的内应力。 
应力和电流（或电压）之间不存在单值的函数关系，但在平面应力的状态下，主应力方向输出的电流差和主应力差有单值得线性关系，其表达式： 
（I2-I1）=a（σ1-σ2）……（1） 
其中：I1¬—最大主应力方向电流输出值，mA ; 
I2—最小主应力方向电流输出值，mA ； 
σ1—最大主应力，Mpa 
σ2—最小主应力，Mpa 
a— 灵敏系数，mA /Mpa 
主应力方向未知时，可用下列公式确定主应力方向角和主应力差； 
θ=tg-1(I0 、I45、I90) ……（2） 
（σ1-σ2）=（I90-I1）/acos2θ……（3） 
式中：0—最大主应力方向和X轴夹角； 
I0、I45 、I90分别为0°、45°、90°三方面电流输出值mA 

对此工件测试应力时，选择测量深度为1.96mm，探头尺寸为10×10mm2.。所测应力的平均应力。 


4、应力测试结果分析和结论： 
  4.1结果分析：从应力测试结果可知上环缝振后应力降低幅度大于角焊缝。振前导叶与上环角接处凸型焊缝应力最大，但振后应力水平一般在2/3σS附近。]] 
  4.2测试结论：测量层深1.96mm的平均应力较为全面地反映整个机座焊缝处的宏观残余应力水平。振后整体应力比较均匀，一般在140Mpa—170Mpa区域，整体应力消除率在36%左右，满足JB/T5926-91标准。 

    综合上述情况，振动时效能解决水轮机大尺寸零件的消除应力，保证金加工后工件尺寸相对稳定的要求。