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摘要 ：正常情况下，在金属冶炼设备生产过程中，必然会存 在各种拼接过程和焊接工艺。然而，在使用机械设备期间，区域 内所存在的应力会对设备运行稳定性产生直接影响，可能导致 设备失效，从而对生产安全产生不良影响。为了避免这一问题， 选择使用热处理法这种应力消除技术，然而该方法需要投入大 量的时间， 并且在处理时也会逐渐提升消耗资源的程度。与此不 同的是， 应用振动时效技术能够杜绝这些问题。该技术现阶段已 经被广泛应用于冶金机械设备生产方面。本文将简单介绍残余 应力对构件的影响， 分析振动时效技术相关问题， 最后探讨冶金 机械应用振动时效技术的方式。希望能够为相关人员提供一定 参考， 以使冶金机械达到更高的运行质量和效率。
关键词 ：设备放置,消除焊接应力,冶金机械,振动时效技术
在现阶段的冶金行业中，振动时效技术的应用非常广泛，并 且获得了非常理想的应用效果，该技术拥有非常高的应用和推 广价值。随着工业生产规模化， 冶金生产中高炉和转炉不断提升壳体厚度，出现了较为显著的应力释放问题。热时效法，是一种 解决焊接应力问题的有效方式。然而， 部分大型冶金金属结构因为存在较大的壳体尺寸，在处理过程中却无法有效运用时效炉。 再加上喷油加热法和电加热法具备非常复杂的应用流程，会浪费大量资源。因此， 相关人员在此过程中应选择应用振动时效技 术。根据其技术原理选择适宜的应用方式， 最终可以使冶金机械设备达到更高的生产效率， 促进冶金企业更好、更快地发展。
1 残余应力对构件的影响
首先，在使用冶金设备时，技术人员可借助合理的操作手段 充分发挥设备性能，并且采取合理的措施解决其运行过程中存 在的问题。然而，当金属构件内存在残余应力，或者疲劳加剧速 度提升时， 构件内部出现塑性变形的几率会大大增加。这将会对 构件使用性能产生严重影响。其次，残余应力稳定性缺陷明显， 使金属构件较易在受到外力影响时出现局部塑性形变。在此形 变过程中， 系统内部的残余应力和作用力将重新分布， 这可能引 起构件开裂或变形等问题。因此，在很大程度上，残余应力会影 响构件精度， 甚至严重损伤构件。相关人员有必要采取相关措施 消除构件中的残余应力。
2 振动时效技术概述
2.1 振动时效技术
振动时效技术通过振动时效设备在约 0.5h 内持续进行亚共 振振动， 消除构件内部残余应力， 避免金属构件因应力影响而出 现开裂或变形情况， 从而延长构件使用时间。该技术在焊接件和 铸件的时效处理中广泛应用。技术原理是在共振环境下向构件 施加应力， 从而在构件内部叠加参与应力和施加应力， 借助材料 内部摩擦吸收能量。吸收一定量的能量后， 构件会产生各种宏观 或微观的塑性力学变化， 促进构件内部残余应力降低， 提升构件 的尺寸精度和稳定性。因此， 振动时效在本质上就是利用共振形 式将交变应力施加在金属构件上。在共振时， 金属构件内部的残 余应力和交变应力叠加， 在达到阈值后引发塑性形变， 进而使金 属构件拥有更高强度。振动时效将不断产生应力叠加， 直到消除 构件内部所有残余应力， 显著提高金属构件质量。
2.2 振动时效工艺
振动时效工艺操作步骤简单。使用弹性较好的支架支撑构 件，借助专业的测振器和激振器开展处理工作， 为顺利实施振动 时效工艺提供有效保障。通过有效利用先进技术(如信息技术)， 可以进一步降低操作的难度。在振前，技术人员需寻找共振峰， 确定共振点并自动打印时效曲线。在振后，进行扫频，保证高质 量运行振动工艺。分析工艺过程可知， 在几万次亚共振振动下构 件会出现大幅度的微观塑性变形，可以充分释放出构件内部残 余应力，促使构件达到更高质量。振动的动应力可知，在进行振 动时效时， 构件内部残余应力和交变应力在达到一定的值后， 会 有塑性变形产生在应力集中最严重的区域，并释放出残余应力。 在此过程中，在其他应力集中部位振动也可以发挥同样的作用， 直到金属构件不再发生塑性形变。通过有效运用振动时效工艺， 可以充分消除金属构件内部残余应力，使金属构件不易产生变 形情况， 并避免其对使用寿命的影响。
2.3 振动时效设备
在应用振动时效设备的过程中，振动时效设备是非常重要 的组成部分，其能够直接影响最终应用效果。在实际应用时，技 术人员经常使用全自动性技术设备。其可直观显示相关曲线和 工艺数据。而且全自动的工艺可自动运行整个工艺流程。这不 但能使工艺取得更为理想的效果， 还能降低操作难度。
2.4 振动时效的特点
首先，相较于其他常用的时效技术，振动时效技术可起到同 样效果。各种技术之间能发挥相辅相成的作用。其次，相比其他 方法，振动时效技术明显拥有更低的操作难度。其限制条件较 少，能够在最大程度上优化运输环节。最后，振动时效技术需要 使用的设备均较为常见。如电动机等只需投入较少的能源和处 理时间， 以满足高效节能的目标。
2.5 振动时效技术的优势
振动时效技术可以用来完成构件残余应力处理工作，替代 热时效工艺， 该技术的优势非常明显。振动时效技术包含加速度 固有频率、支撑点、阵型激振点等重要参数。其工艺效果会在很 大程度上受到共振时间、共振频率的影响。该技术在以下几方面 拥有突出优势 ：①可显著提升机械性能。在构件经过振动处理 后，至少可以消除 80% 的参与应力。能够使构件具备更高的抗 腐蚀能力和强度，防止在实际使用构件时出现因热处理焊接所 导致的裂缝， 并使构件自身拥有更高的抗病性能力， 确保构件精 度和稳定性， 从而使构件的机械质量得到提升。②具有极强适应 性。在振动时效处理过程中，仅需要使用较为简单的设备。这些 设备在搬运过程中较为方便。在实际运用过程中只存在较低的 场地处理要求。在处理构件时， 其可处理对象可覆盖几百吨以下 的所有构件。而在处理一些超大型构件时， 振动时效技术的优越 性将变得更加明显。③降低成本支出。在实际运用时效振动技 术时，振动处理时间可以控制在 40 分钟以内。相较于常规的热 时效基础， 大幅度缩减了处理所需时间。同时也降低了相应能源 的消耗。通过相关实践研究可知， 该技术可节约 90% 的能源。
3 振动时效技术的工艺程序以及相关守则
在本质上，“振动工艺”就是借助振动的方式将动力施加在 构件上。在构件残余应力与功率叠加后， 会出现宏观或微观的弹 性塑性变形。这种方法可以对构件崩裂和变形起到预防作用， 并 使构件达到更高的几何精度。在工艺程序方面，运用振动处理 技术的过程中会安装一个具有偏心重块的电力系统，并使用弹 性物体支撑构件。在振动器的作用下调动电机， 当电机达到一定 转速后可以使构件进入共振状态。当振动处理持续 0.5 小时左右 后，就可将构件中残余应力消除。需要注意的是，在处理过程中 需要控制 40 分钟以内的振动时间。借助振动开展残余应力调整 具有非常高的可行性。在工艺守则方面， 振动时效工艺需要同时 遵守检查和振动时效技术的总原则。另外， 还包含以下守则和目 标 ：①总体原则，包括定制的使用范围和目的 ;②处理前准备， 包括定制管理场地、检查设备、连接仪器导线等工作;③预处理， 在充分考虑构件形状的基础上， 预估将会存在的振型， 同时相关人员应规范完成装夹集成器和支撑工件的工作 ;④试振，包括 检测以及验证处理区域固有频率。如果预分析与实际情况存在 偏差，需要以环节结果作为依据进行调整。需要确定原则、主震 器频率激振力、振动时间等 ;⑤振动处理过程， 包括所有关于振 动处理的程序， 保证每个程序都足够科学、合理 ;⑥质量管理制 度，包括维护和保养仪器、检验实际效果的程序和方法等。
4 冶金机械应用振动时效技术的方式
4.1 放置设备
在放置设备时，相关人员主要需放置两类设备 ：一类是关 于振动时效技术的设备，另一类是被处理的设备。其中，相关人 员大多使用构件来称呼被处理的设备。振动时效技术设备主要 包括各种控制设备和激振器。实际工作中， 相关人员应按照以下 方式放置各类设备 ：
①放置构件。为了达到高质量处理构件的目的，相关人员应 该在地势平坦处放置构件。为了使所有振动能量均作用在构件 上，严禁构件直接接触地面。可以使用橡胶圈等具备弹性性能的 支座垫起构件。
②放置激振器。正常情况下，相关人员都会将偏心电机作为 激振器， 并且要在被处理区域附近放置偏心电机， 将动应力施加 在构件的相关区域。
③振动检测设备。为了有效保护这些设备，使其免受激振器 的影响， 这些设备需要与激振器保持一定的安全距离， 并且需要 有效检测振动频率，并以此为依据，合理控制激振器运行参数。 例如， 在消除锌冶炼渣处理设备应力的过程中， 整个设备中都有 焊接板， 这些焊接板为直角结构， 设备中连接三块板的区域存在 最大应力。因此，在消除应力时，首先需要借助拥有 3 个橡胶垫 的底座垫起该设备 ;其次将激振器安装在设备一角 ;最后将监 测器设置在构建的另一角或同一板， 当合理完成接线工作后， 控 制系统可以合理选择和控制参数。值得一提的是， 相关人员必须 合理选择激振器参数，在充分了解构件情况基础上选择适宜的 激振器， 确保其能够将适宜的动应力施加在构件上。
4.2 处理前应力检测
当相关人员正式处理构件前，需要准确检测冶金设备应力 集中区域的应力。随后有效对比设备生产要求参数和检测结果。 当发现系统中出现高于相关要求的应力时，则需要适当处理设 备相关区域， 降低该区域的应力。
在现阶段的技术研发中，已经拥有多种可以检测应力的设 备。笔者认为相关人员可以使用磁测应力仪作为应力检测设备， 用于测试设备中的每个焊接区域。以上文所说的锌冶炼渣处理 设备为例， 在检测应力时， 以设备中衔接各类板块的区域为检测 重点。特别是对于设备的每个边角，结合相关工作经验，这些区 域大多会存在更大的应力，经常会出现高于设备安全应力范围的情况。因此，相关人员应重点检测这些区域。借助检测可知， 这些区域拥有 54MPa~67MPa 的应力，与相关安全标准较为接 近。但是在实际使用该设备时， 仍然会在一定程度上影响系统运 行状态， 所以相关人员应该消除这些区域的应力。
4.3 确定参数
在运用自动化振动时效技术的过程中，需要扫描相关区域的 固有频率，或者使用检测设备预估相关区域的固有频率。在笔者的 实际研究中，我喜欢使用第二种方法来检查设备的固有频率。在分 析和研究振动曲线后，我发现当激振器的转速为2609r/min 时，在 振动曲线中会出现谐振峰值，显示为85m/s2 的数值。因此，我们需 要选择更低的参数。通过分析和研究应用该项技术的标准，我们可 以得知最终激振器可设置为2590r/min转速。在该运行状态下，整 个系统都会进入亚共振状态。当需要确定后续参数时，只需要合理 设置处理时间。通常情况下，只需要设置0.5h处理时间就可以有效 分散和消除应力。
4.4 处理后应力检测
在处理冶金设备的工作结束后，设备中原本集中应力的区 域会出现较低程度的变形。然而， 相关人员很难通过检测设备或 肉眼识别这种变形。即使明确了变形量，也需要再次处理相关 数据，这使得应力检测变得非常繁琐。因此，在检测构件中应力 时，可以使用专业的应力检测设备。在某次研究中，相关学者使 用了此种方式检测了振动时效技术处理后各个区域的应力。最 终，他们发现这些区域存在 30MPa 的最大应力和20MPa 的最小 应力。其他区域的应力变化并不明显， 从检测前到检测后都符合 相关安全规范要求。从整体来看，在处理相关构件时，振动时效 基础能够取得非常理想的效果， 可满足应力消散或消除的要求。
4.5 工艺管理
在应用振动时效技术的过程中，只有保证工艺管理制度规 范、全面，才能为该技术稳定运行提供保障。相关人员必须严格 执行各项制度中规定的工艺流程，才能保证构件达到较高的处 理质量。在实际应用该基础时， 技术管理人员需要准确落实各种 规章制度， 并将相关的工作责任落实到个人头上， 保证所有人都 能够严谨认真地实施工艺流程。在相关工作中， 生成振动曲线是 基础且重要的工作。技术人员需要将各个参数数据转变为振动 曲线，并交由厂家专业人员验收。如果计算结果不符合验收标 准，制造企业需要再次处理或回收设备， 以保证相关数据满足质 量要求， 进一步积累运用振动时效技术的经验， 提高消除金属构
件内部应力的效果。此外，相关人员在开展工艺管理工作时，还 应关注设备的日常维护和激振器参数的确定，并结合实际工作 不断完善管理制度， 保证各种设备始终稳定运行， 从而在应力消 除中更加充分地发挥振动时效技术的作用。
4.6 振动时效工艺曲线
在开展振动工艺效果评价时，评价依据主要是振动时效工 艺曲线。使用热时效处理构件后，会在构件表面形成一层氧化 膜。在此过程中， 相关人员通过使用温度记录仪可以绘制包含时 间和温度数据的工艺曲线来对热时效处理效果进行准确评价。 然而， 在运用振动时效工艺时， 由于经过处理后工件不会发生变 化，所以相关人员无法利用外观完成工艺效果评价。针对此种问 题，相关人员可以准确记录振动时效工艺曲线， 并综合分析振动 时效工艺标准和该曲线，最终确定振动时效工艺效果。例如，在 使用振动时效工艺处理某一罐体时，技术人员在处理工作前可 准确记录罐体的时效曲线、扫频曲线等。然后，可以使用这些曲 线对比振动后的曲线。各个曲线可反映出在不同情况下部件的 振动频率。正常情况下， 时效曲线就是振动过程中构件的振动状 态，而振前扫频曲线就是构件固有频率。在全面分析这些曲线 后，可以增进技术人员对亚共振振动模式的了解程度， 在充分考 虑行业标准的基础上明确相关工艺要求。在开展实际生产工作 时，技术人员应将振动时效工艺曲线作为重要依据， 并为顺利运 行工艺流程提供有效保障。
5 结语
综上所述，在冶金设备体积不断增大的情况下，其失效也 越来越严重。相关人员应充分重视释放冶金机械应力的工作， 以此保证其稳定运行。为了解决这一问题，冶金企业可以运用 振动时效技术。在实际运用该技术时，相关人员必须保证在实 际处理前合理放置和安装各种设备，从而为顺利完成后续处理 过程提供有效保障。在实际开展处理工作时，需要确定构件的 固定频率，并在控制设备中合理设置激振器各项参数，保证整 个振动时效系统可顺利实施亚共振振动。最后，借助工艺管理 使处理过程达到更高质量，确保冶金机械设备运行的安全性和 稳定性。
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