铝合金炮塔振动时效工艺应用

振动时效工艺是机械制造过程中常用的一种消除残余应力方法，是通过振动使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻。而本文主要是研究振动时效工艺在铝合金箱形构件上的应用。

本次实验选取3门铝合金炮塔作对比试验，其中1件采用热时效，2件采用振动时效，对热时效前、后，振动时效前、后进行残余应力测试，对比分析两工艺效果。

试件分析

试件主体结构主要由铝合金平板拼焊而成，外形尺寸约为2452mm*1843mm*560mm，板材厚度有18、20、30、40、45mm等规格，材料为LC50，焊缝采用双面焊，V型接头焊缝为主，围板部分共27条焊缝，焊缝坡口尺寸较大，*大宽度达到22mm以上，深度达到15mm以上，金属填充量大，较长焊缝和横向焊缝的应力集中较大。

试验步骤

1. 采用盲孔法测试分别测试A试件热时效前残余应力，B、C试件振动时效前残余应力；

2. A采用热时效消除焊接残余应力，B、C采用频谱谐波振动时效消除焊接残余应力；

3. 采用盲孔法测试A试件热时效后残余应力，测试B、C试件振动时效后残余应力；

4. 进行实验数据对比分析。

振动时效工艺过程

试件支撑和激振器的装夹

试件支撑时应使激振力尽量被试件吸收而不至于被传导至地面流失。原则上，支撑点越少越好，面积越小越好。实践得出箱形构件采用3点或4点支撑为较佳方式。试件支撑采用3个橡胶垫支撑，间隔约120°，激振器夹持于2点之间。

振动时效参数选择

仪器采用聚航科技生产的JH-700智能频谱交流振动时效设备，激振器采用高速变频伺服电机，功率1.5KW，电压220V，转速1000r/min，偏心调整为160.

处理过程应保证5个谐波频率加速度有2个或2个以上在30-70m/s²之间。实际振动时转速为4680，5100r/min时加速度值在30-70m/s²之间，5个频率共处理40min。

残余应力检测

仪器采用聚航科技生产的JH-30残余应力检测仪，是盲孔法专用测试仪器，需搭配JHZK钻孔装置使用。测试时，用箔式应变片粘贴在测试点的表面，在应变片中心钻一个小孔，使试件测试点处产生局部应力释放，应变片感受出释放应变，仪器直接显示出在孔深范围内的平均主应力及相关参数。

试件为中轴对称结构，所有检测点均布置在中轴线一侧焊缝上。

检测时，A进行热时效前和热时效后1-4点为检测；B进行振动时效前和振动时效后1-4点为检测；C进行振动时效前和振动时效后1、3、5点为检测（5点为3点对称位置）。

残余应力数据分析

1. 试件A为热时效工艺，其中A-1点*小主应力σ₂由拉应力变为压应力，A-2点主应力σ₁时效前后变化不大，A-3点主应力σ₂热时效后由压应力转为拉应力，A-4点*大主应力σ₁热时效后增加较多。可以看出，热时效对试件各条焊缝的影响各有不同，这是由于试件焊缝较多，受热后应力重新分布所致。

2. 试件B和C均采用振动时效处理，其中除B-1点变化不大，振动时效对试件应力水平的均化效果比较明显，尤其是对较长焊缝（B-3和C-3，C-5）的*大主应力σ₁以及试件B和C的*小主应力σ₂的降低效果明显。

3. 试件A热时效前*大主应力σ₁位于-51.4-105.2MPa，应力范围为156.6MPa；热时效后*大主应力σ₁位于0.4-77.1MPa，应力范围为76.7MPa。试件B振动时效前*大主应力σ₁位于-58.7-60.4MPa，应力范围为119.1MPa；振动时效后*大主应力σ₁位于-1.9-67.7MPa，应力范围为69.6MPa。试件C振动时效前*大主应力σ₁位于-8.4-75.6MPa，应力范围为84MPa；振动时效后*大主应力σ₁位于9.8-35.2MPa，应力范围为25.4MPa。

4. 振动时效后*大主应力σ₁平均值为28.8MPa，热时效后*大主应力σ₁平均值为31.2MPa。

5. 二者除个别情况有上升外，热时效残余应力绝对值下降同向比较位于60%-93.1%，振动时效残余应力绝对值下降同向比较位于53.4%-96.7%；振动时效后*大主应力σ₁分布在-1.9-67.7MPa和9.8-35.5MPa，而热时效后*大应力σ₁分布在0.4-77.1MPa。从这方面比较，振动时效工艺优于热时效工艺。

结论

1. 在铝合金箱形焊接构件上，振动时效工艺和热时效消除残余应力效果相当，平均下降率为53%以上，因此振动时效工艺可替代热时效。

2. 振动时效工艺具有时间短、成本低、不受场地限制、不氧化工件等优点，是一种成本低、效率高的时效处理方法；

3. 应用振动时效工艺，对于生产厂家降低生产成本、提高加工精度和生产效率具有重大意义，能够产生显著的经济效益。