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摘要：机械振动焊接是在振动调整残余应力技术基础上发展起来的一项焊接新技术。这种焊接新技术不仅能提高焊接质量，改善焊接接头金相组织，提高接头金属的力学性能，而且能省去焊后调整残余应力的工序，从而缩短生产周期，降低生产成本，并将给焊接生产领域带来巨大的经济效益。机械振动焊接可降低焊接残余应力，当频率、振幅选取合适时其降低效果更显著。
关键词：机械振动焊接；残余应力；影响机理
引言：
振动焊接是在正常焊接过程中给焊件施加周期性的外力(激振力),使焊件振动,从而达到降低焊接残余应力,提高焊接质量的一种新型焊接工艺。它是在振动时效技术基础上发展起来的一项新技术。振动焊接不仅能降低焊接残余应力,而且能够大大地改善焊接质量,提高焊缝的机械性能,同时,由于应力释放是在焊接过程中进行的,因而省去了焊后消除应力的工序,从而缩短了生产周期,降低了生产成本。
1振动焊接的影响
通常情况下,构件的稳定性受残余应力的变化影响。因此，在进行实际操作的过程中，实现将构件中的残余应力完全消除的优势主要体现在以下几个方面：一是在进行消除的过程中，不仅可以机械构件处于平衡的稳定状态，还能保证产品质量的最大提升。二是可以提高机械构件的力学性能。实现对构件的残余应力消除，可以通过改变机械构件的金属接头组织，实现对构件金属力学性能的提高，从而间接提升机械构件的焊接质量。三是可以实现对企业经济成本的节约。消除构件中的残余应力，也可以通过对机械焊接的顺序进行调整，避免生产周期过长对产品的生产造成影响，从而实现对企业经济成本降低的目的。
2机理分析及影响残余应力的时效机制
2.1机理分析
机械振动焊接时,由于振动能量的输入,加速了熔池中原子的热运动,相当于加强了对熔池的搅拌作用,此外振动还改善熔池金属与其周围固态金属的接触,加剧熔池与周围金属的热传递,所以振动有利于熔池散热,使焊缝周围的温度分布与未振动焊接的温度分布有较大改变,即各部分的温度梯度减小,这是振动焊接降低残余应力的主要原因。由于温度梯度减小,不均匀塑性变形减小,与温度梯度相关的、作为热应力的最终状态的直接应力就减小。此外,振动还使晶核提前形成,成长中的枝晶破碎,致使形核率和晶核数目增加,从而达到晶粒细化,组织分布均匀的目的,这就消除了由于粗大晶粒聚集而引起的应力集中,降低了残余应力。
结晶过程中的晶核是由液态金属中近程有序的原子集团即晶胚形成的。这些集团的原子时刻运动着,它们不同瞬间分属于不同的原子集团,形成相起伏。每一温度下出现的相起伏有一个极大值rmax(r为晶胚的半径),rmax的大小与温度有关,温度越低,rmax越大。根据金属结晶的热力学条件可以判断,只有在过冷的液体中出现尺寸较大的相起伏才能形核。
振动焊接时,有利于熔池散热,使结晶时的温度较正常焊接时低,因而rmax较大,有利于形核,即增大了形核率。熔池中晶核形成之后,就以新生的晶核为核心,不断向焊缝中成长,当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时,最有利于晶粒长大,它可以一直长到熔池中心,形成粗大的柱状晶体。振动焊接时,外加振动使粗大的枝晶破碎,易于细化晶粒,使组织均匀,消除由于粗大晶体聚集焊缝而引起的应力集中。由上述分析可知,振动焊接可增大形核率,阻止晶核长大,因而可以使接头金属晶粒细化,组织分布均匀,位错运动终止在晶界处,不易于变形,即使残余应力降低。而平均残余应力是金属结晶组织的宏观表现,它会随振动焊接后组织的改善而降低。
2.2影响残余应力的时效机制
（1）自然时效。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆残余应力受自然时效的影响，主要是指放在室外环境中的构件受室外的温度变化影响，温度的升高或降低，会使构件中的金属发生膨胀或收缩变化，从而导致构件中的残余应力产生松弛形变，获得构件稳定的精准尺度。
（2）热时效。残余应力受周围热热实效的影响，主要是指通过将构件放置于温度较稳定的环境中进行加热处理，保证构件中的各个部位都受热均匀，达到将构件中的残余应力释放的目的。待构件中的残余应力释放完毕后，进行冷却处理，直至构件温度与室内的常温一致。在冷却过程中，要注意对构件的保护，避免冷却过程中产生新的应力对构件造成影响。通过热实效法的应用，不仅可以使构件内的残余应力进行大幅度的释放，还能改变构件中某些金属的性质，从而保证构件质量的稳定性。
（3）振动时效。残余应力受振动实效的影响，主要是指通过加快机械振动的运行，达到对机械残余应力的消除作用。在实际操作过程中，可以通过激振器的使用使构件加速运行，使构件中的残余应力的分布情况得到改变，这样不仅可以增强构件抵抗变形的能力，还能提高构件尺寸的稳定性。
3 振动消除残余应力的探究
振动消除应力实际上是用周期的动应力与残余应力叠加，是局部产生塑性变形而释放应力。这里残余应力是作为平均应力提高周期应力水平而起作用的。振动处理是对构件施加一交变应力，如果交变应力幅与构件上某些所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点产生塑性变形。如果这些循环应力使某些点产生晶格滑移，尽管宏观上没有达到屈服极限，也同样产生塑性变形，况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上，因此，使这些点受约束得变形得到释放，从而降低了残余应力。这就是用振动时效可从而降低了残余应力的机理。
3.1振动消除应力原理
其实质是以振动的形式给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观塑性变形，从而降低和均化工件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。实际使用情况表明，经过振动时效设备的工件尺寸精度稳定性良好，振动时效设备费用仅为热时效的10%左右，能源消耗不到热时效的5%。由于振动时效技术经济效果日益显著，其应用范围也不断扩大。在机械制造、航空、化工器械、动力机械等行业中，用钢、铸铁、有色合金等材料制造的各类零件成功地采用了振动时效设备。
这种工艺是将激振器牢固地夹持在被处理工件的适当位置上，通过振动设备的控制部分，根据工件的大小和形状调节激振力，并根据工件的固有频率调节激振频率，直至使联结在工件上的振动传感器所接收的信号达到一个最大值。这时标志工件已达到共振。在这种状态下持续振动一段时间，即可达到消除应力、稳定尺寸精度的目的。由于这种工艺日趋成熟，振动和控制设备日臻完善，振动时效设备已为十多个工业发达国家广泛采用。
3.2振动消除应力特点
投资少、生产周期短、使用方便，振动消除应力设备体积小，重量轻，便于便携、无非器机辐射污染、节约能源降低成本、操作简单、易于实现机械化自动化。
结束语：
综上所述，为了进一步提高我国机械焊接技术，需要对影响机械实效的因素进行深入的研究与分析，并依据实际操作情况，进行相应的机械振动模型的建立，并以此为依据，实现对构件及有色金属的振动研究。由于残余应力的分布不均匀是影响构件尺寸稳定性的重要因素，因此，需要采取多种方式实现对构件残余应力的消除。机械振动焊接的出现，在很大程度上改善了这一情况，不仅可以提升构件的直来那个，还能提升构件焊缝的机械性能，对提升企业焊接生产的经济效益有很大的促进作用。
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论文作者:刘芬,罗春良
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/16
标签：应力论文; 残余论文; 构件论文; 时效论文; 熔池论文; 机械论文; 工件论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;