振动时效工艺在钢铜熔敷焊接上应用

某公司的产品采用钢铜熔敷焊接工艺。因为加热不均匀等因素会产生残余应力，从而造成后期工件加工薄壁后产生变形，影响工件的尺寸稳定性，无法满足产品的设计要求。因为产品加工工艺的安排，不能使用热时效工艺消除应力。于是采用振动时效技术进行试验，并根据振动时效曲线分析其可行性。

试件和使用设备介绍

钢基体的材料为35CrMnSiA，铜环的材料为T2（退火态）。试样分5组，每组共10件。振动时效设备采用聚航科技生产的JH-700A振动时效设备，额定输出功率1500W，额定转速12000r/min，激振力20KN。

振动时效工艺参数选择

振点和支撑点选择

工件进行振动时，振动值最大处称为波峰，最小处称为波节。激振器夹持在波峰处，支撑点选在波节处，传感器应放在另一波峰处。采用撒沙法查找波峰。结合实际生产需要，将激振器安装在振动平台的波峰处，这样激振器能以最小能量激发试样产生最大振动。平板尺寸长宽比为（2.5-3）:1；激振器应沿平板宽度方向放置在中心线上，平板的支撑位置尽可能选在振动的节线处，支撑物采用专用橡胶垫；传感器放置在平板另一个波峰处，有利于振动信号的拾取或直接放置在试样上；试样应尽量沿长度方向靠边安装，并夹紧固定。

激振力确定

激振力的大小由工件承受的动应力值大小来衡量的，它是振动时效工艺的一个决定性参数，直接影响振动时效的效果。构件振动的动应力来自于激振装置的激振力。对于机械式激振装置来说，激振力就是偏心轮旋转产生的离心F

F=mrw²sin（wt），式中m为偏心轮质量；r为偏心轮偏心距；w为角速度。然而，动应力必须要小于材料的疲劳极限。根据JB/T5926-1998，动应力也可根据如下经验公式确定σ_d=（1/3-2/3）σ_工作应力，或用应变测试技术获得工件在工作状态下的最大应力。经过试验，激振器偏心调至约50%，加速度控制为10-80m/s²。一般情况下，工作电流控制在5A以下，为2-4A，若低于2A，则增大激振器的偏心；若电流为4-5A及以上，可调小激振器的偏心。

激振频率选择

激振频率的选择与试样本身形状、质量、材质和刚性等因素有关。振动时效设备可在一定的频率范围内扫频测出数个共振频率，一般在亚共振区内选择主振峰峰值的1/3-2/3所对应的频率为主振频率。不会对工件造成疲劳损伤，还会提高工件疲劳寿命。振动时效设备采用标准模式自动选出5个峰值频率，自动进行时效处理。

振动时效时间确定

在振动时效过程中，随着残余应力的降低和均化，试样的固有频率及由试样振动而显示出的振幅、动应力等也会相应变化。振动时效时间可以由这些参数的变化情况来确定。在此设定时效处理时间为10min、8min、8min、8min、6min。

振动时效实验结果和分析

振动时效参数选择准备完成后，使用振动时效设备自动进行时效处理，获取其中一组振动时效的加速度和时间曲线图。振动时效后，将试样在车床上精加工成壁厚2.5mm、内径145±0.05mm的管状工件。

曲线效果

1. 从图c中可看出，振动加速度趋向平衡；由图d可知，当σ_动应力-σ_{残余应力→}ma_加速度＞0时，试样内部残余应力小。此时，曲线上升至平衡，反之，曲线下降。总之，从曲线判断试样内部应力应趋向平衡。

2. 从试验内径实际测量数据分析可以看出，振动时效后试样上下偏差均在设计尺寸范围内，完全满足要求。也就是说，保证了尺寸稳定性，后续无论怎样加工，试样都不会有变形，满足尺寸设计要求。

结论

1. 对于铜钢熔敷焊接后加工的薄壁工件，振动时效技术完全能满足产品尺寸设计要求。

2. 振动时效技术能够提高工件抗变形和降低或均化工件内部残余应力的能力，有效地提高工件的尺寸稳定性。