介紹了振動時效的原理、發(fā)展，討論了振動時效在地磅產(chǎn)品的秤體及傳感 器制造中的應(yīng)用，指出振動時效可提高大型地磅機械部分的質(zhì)量，降低或消除大型衡器秤 體焊接加工中的殘余應(yīng)力，消除稱重傳感器彈性體機械加工應(yīng)力，提高稱重傳感器的技術(shù) 指標(biāo)。

1.前言

在機械件制造過程中不可避免會產(chǎn)生殘余應(yīng) 力，特別是焊接、鑄造、鍛造等過程的殘余應(yīng)力， 輕則使工件嚴重變形而無法使用或影響其固有性 能，重則使工件直接開裂，造成嚴重事故，像挪 威的27.5萬噸級油輪在北海斷裂就是因為其中的 一個錨墩上的焊接殘余應(yīng)力使其產(chǎn)生裂紋引起的， 造成了極為嚴重的損失和環(huán)境污染。通常消除殘余應(yīng)力的方法是通過時效處理來解決。傳統(tǒng)的時 效方法是自然時效和熱時效，由于自然時效周期 長，造成資金大量占用，現(xiàn)已很少使用；熱時效 盡管效率高、效果好，但其能源消耗高、對環(huán)境 污染嚴重，處理工件也需要投入較多的資金，也 不是一個可取的去應(yīng)力時效方法，也不符合當(dāng)前 節(jié)能環(huán)保的發(fā)展方向，振動時效就是在這種背景 下應(yīng)運而生的。

振動時效在工業(yè)發(fā)達國家已被廣泛采用，像 美國某應(yīng)力消除公司擁有350臺振動時效設(shè)備， 進行過5000多項振動時效處理，結(jié)果分析成本僅 為熱時效的10%,英國和西德對飛機裝配型架的 焊接梁和框架普遍采用了振動時效。我國近年來 在振動時效的研究與應(yīng)用方面也取得了長足的進 展，經(jīng)過振動時效的工件尺寸精度穩(wěn)定性良好， 振動時效費用僅為熱時效的10%左右，能源消耗 不到熱時效的5%。由于振動時效的技術(shù)經(jīng)濟效果 非常顯著，其應(yīng)用范圍也不斷擴大，在機械制造、 航空、化工器械、動力機械等行業(yè)，振動時效已 得到了廣泛的應(yīng)用，近幾年在衡器的焊接秤體和傳感器彈性體加工的消除殘余應(yīng)力上已開始應(yīng)用。

2.振動時效簡介

2.1什么是振動時效

振動時效 VSR 是 Vibrating Stress Relief 的英 文縮寫，是振動消除應(yīng)力之意。振動時效又稱振 動消除應(yīng)力法，它是將工件（包括鑄件、鍛件、 焊接結(jié)構(gòu)件等在其固有頻率下進行數(shù)分鐘至數(shù) 十分鐘的振動處理，消除其殘余應(yīng)力，使尺寸精 度獲得穩(wěn)定的一種方法。這種工藝具有耗能少、 時間短、效果顯著等特點。

2.2振動時效技術(shù)在我國的發(fā)展歷程 我國的振動時效設(shè)備，是從上世紀七十年代 開始仿造國外的振動時效設(shè)備自主生產(chǎn)的，在隨 后的二十多年中，只能生產(chǎn)手動型振動時效設(shè)備, 這種設(shè)備只能靠操作人員憑感覺和經(jīng)驗進行振動 時效處理，存在振動時效質(zhì)量難以保證以及操作 復(fù)雜的問題；隨著計算機技術(shù)在振動時效設(shè)備上 的使用，在上世紀九十年代末，開發(fā)出了全自動 振動時效設(shè)備，這種設(shè)備可以由計算機自動選擇 振動時效關(guān)鍵的振動時效工藝參數(shù)，能有效保證 振動時效質(zhì)量，而且操作簡便。

尤其是近兩年，視頻音頻監(jiān)控型、遠程無線 反向監(jiān)控型、廣播監(jiān)控型、USB電子文檔通訊型 等振動時效設(shè)備已在振動時效上得到了廣泛的應(yīng) 用，使振動時效技術(shù)邁上了更新的高度。

2.3振動時效技術(shù)的時效原理 傳統(tǒng)的振動時效的實質(zhì)是以振動的形式給工 件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后， 達到或超過材料的屈服極限時，工件發(fā)生微觀塑 性變形，從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，達 到穩(wěn)定工件尺寸精度，避免工件變形影響使用和 工件開裂的目的。

現(xiàn)代振動時效是通過工件在外界機械力皦 振器的作用下使工件產(chǎn)生共振他稱為共振時 效，使工件在交變運動中吸收能量，在工件內(nèi)部 產(chǎn)生微觀粘彈性塑性變形，以降低工件局部的峰 值應(yīng)力，并均化工件的殘余應(yīng)力場，最終避免工 件的變形與開裂，以穩(wěn)定工件的尺寸精度，它的 效果介于熱時效與自然時效之間。

2.4振動供振時效技術(shù)的基本操作方法 與振動時效的效果

2.4.1振動時效的基本操作方法

振動時效的基本操作方法簡單，只需將激振 器牢固地固定在被處理工件的適當(dāng)位置上，通過 振動設(shè)備的控制部分，根據(jù)工件的大小和形狀調(diào)節(jié)激振力，并根據(jù)工件的固有頻率調(diào)節(jié)激振器的 頻率，直到使工件上的振動傳感器睡度計和加 速度計所接收的信號達到峰值，在這一狀態(tài)下 持續(xù)振動一段時間，即可完成振動時效設(shè)備的操 作，達到消除應(yīng)力、穩(wěn)定工件尺寸精度的目的。

2.4.2振動時效的效果

工件傳統(tǒng)的振動時效處理與熱時效處理的不 —樣，熱時效處理的工件表面有氧化層，可以從 外觀粗略判定效果，但是振動時效的工件外觀沒 有變化，不能從外觀判定效果。此外振動時效時 間很短，也就是15?30分鐘左右，能不能在如此 短的時間內(nèi)有效地消除殘余應(yīng)力，這依賴于操作 人員是不是認真負責(zé)地按照振動時效工藝要求進 行操作，只有認真負責(zé)的操作人員，才能有效保 證振動時效工藝效果，操作人員對于振動時效質(zhì) 量效果起決定性的作用。

現(xiàn)代的全自動振動時效設(shè)備，每振動時效處 理一個工件，都能夠記錄振動時效工藝曲線和參 數(shù)，只要把這個工藝曲線與國家標(biāo)準(zhǔn)進行對比分 析，就能直接檢驗出振動時效質(zhì)量效果，因此振 動時效質(zhì)量檢驗是完全可以控制的。

3.振動時效在地磅制造中的應(yīng)用

眾所周知，大型工業(yè)地磅，不管是地磅還是電子軌道衡，都是采用以鋼板或型鋼焊接 結(jié)構(gòu)作為秤體（承載韓的，大多數(shù)地磅 采用平板式焊接結(jié)構(gòu)，電子軌道衡采用的是箱形 梁焊接結(jié)構(gòu)，地磅的傳感器安裝位置的結(jié) 構(gòu)也幾乎為箱形，這樣的結(jié)構(gòu)其焊接殘余應(yīng)力是 非常大的，尤其是大電流、一次焊縫高度大的情 況下就更為嚴重了。盡管在結(jié)構(gòu)的強度足夠時沒 有引起結(jié)構(gòu)的開裂與破壞，但在焊接殘余應(yīng)力釋 放的過程中其變形是不可避免的，所以在衡器的 使用中經(jīng)常可以聽到某地方的地磅在使用 中傳感器移位，甚至是橋式傳感器的上壓頭都被 啃掉一塊，某地方的地磅在使用中出現(xiàn)秤 體開裂，某地方的電子軌道衡的傳感器在使用中 出現(xiàn)一只或?qū)堑膬芍怀霈F(xiàn)鋼球移位硬用的橋 式傳感器或傳感器歪倒使用的是柱式傳感器, 就是不倒也會因使用中經(jīng)常出現(xiàn)較大的沖擊力而損壞的問題。當(dāng)出現(xiàn)上述問題時很多都要抱怨 安裝服務(wù)人員秤體安裝時沒有調(diào)整好，其實這是 一種誤解，造成以上問題的主要原因是由焊接殘 余應(yīng)力釋放后的變形引起的。通常在焊縫表面及 其周圍的殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力再 和稱重時載荷應(yīng)力疊加后橋式傳感器的安裝位置 就變成了收腿的拱形。圖1是平板式汽車衡安裝 橋式傳感器的安裝位置示意。圖1a是設(shè)計時理想 的位置示意；焊接后在焊縫表面及其周圍都會產(chǎn) 生拉應(yīng)力，再經(jīng)過焊接殘余應(yīng)力釋放和稱重時的 疊加應(yīng)力后橋式傳感器的安裝位置就變成了圖ib 的形狀。由于上鋼球座的安裝孔已扭曲，在長期 的使用中有時就會將上鋼球座啃掉一塊，且其變 化沒有規(guī)律可循，還有的是造成傳感器的移位，

這些因素都能影響稱量準(zhǔn)確度或造成秤體的損 壞。當(dāng)焊接殘余應(yīng)力和加載應(yīng)力疊加后超過了材 料的屈服極限（a)后是產(chǎn)生變形，引起原來 安裝好的部件移位或損壞，超過材料的強度極限 (ab后就造成秤體的焊縫主要在熱影響區(qū) 開裂等問題。

在電子軌道衡的箱形梁焊接結(jié)構(gòu)中，由于焊 縫高度更大，焊接部位更多，且多為連續(xù)的全焊， 焊接殘余應(yīng)力的緩慢釋放造成的變形會更大，稱 重時火車的載荷比汽車衡要大得多，影響就會更 嚴重，其原理與圖1相同，在此不再贅述。

前面已論述了消除焊接殘余應(yīng)力的三種方法及其經(jīng)濟性對比，在這里不再繁說。對于像汽車 衡或軌道衡秤體這些大型構(gòu)件采用自然時效周期 太長，從經(jīng)濟的角度來講是不劃算的；采用熱時 效不僅不現(xiàn)實也不經(jīng)濟，同時還會消耗大量的能 源，與當(dāng)前的環(huán)保節(jié)能的要求格格不入，同時還 存在因支撐位置不合理時引起秤體熱變形，影響 使用。振動時效作為經(jīng)濟、高效、環(huán)保、節(jié)能的 消除殘余應(yīng)力方法，理所當(dāng)然地成為首選，尤其 是在消除焊接殘余應(yīng)力方面，效果尤為顯著。

振動時效技術(shù)已在數(shù)百種行業(yè)中得到了廣泛 的應(yīng)用，像機床、冶金、航天發(fā)射平臺、洲際導(dǎo) 彈發(fā)射筒等都是通過振動時效來消除其焊接殘余 應(yīng)力的，以保證構(gòu)件性能。下面的圖2是某機械 構(gòu)件焊接框架振動時效前后殘余應(yīng)力分布圖，殘余應(yīng)力的峰值明顯下降，殘余應(yīng)力場得到了均化, 這個工件的形狀與電子汽車衡的秤體差不多，承 重主梁的結(jié)構(gòu)與電子軌道衡秤體差不多，如果大 型工業(yè)衡的秤體在安裝調(diào)試前或在生產(chǎn)過程中進 行了振動時效處理，也就不會出現(xiàn)前述的問題了。

現(xiàn)在的振動時效技術(shù)已不是過去的以經(jīng)驗定 性地（過去的自然時效和熱時效也是如此評定 時效效果了，而是通過可量化的方式來評定振動 時效的效果，其操作過程如下：

①振前在線全程掃描卸掃頻，找出共振峰 供振的頻率,然后即可調(diào)節(jié)振動電機的轉(zhuǎn)速以 使工件能夠在共振頻率振動，以迅速使工件應(yīng)力 集中處發(fā)生微觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi) 的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定工件尺寸精度、避免工件變形 影響使用和工件開裂。在高端的振動時效設(shè)備中 掃頻的過程均可顯示，根據(jù)需要在線打印掃描曲 線。掃頻曲線見圖3。

振幅調(diào)節(jié)：以主振頻率激振工件，調(diào)節(jié)偏心 距，以實現(xiàn)最好的振動時效效果。調(diào)節(jié)的原則是 裝置不過載且工件關(guān)鍵部位動應(yīng)力的峰值介于該 部位工作應(yīng)力的1/3?2/3處。

②振動時效效果：根據(jù)加速度一時間曲線 以監(jiān)測時效效果。圖4就是實際的振動時效效果

注加速度，用重力加速度g的倍數(shù)表示時間； n-轉(zhuǎn)速，用rpm表示。

曲線。根據(jù)需要在線打印時效曲線—t曲線， 也可為振后掃頻曲線（i一n曲線，與振前的掃頻 曲線變化來監(jiān)測。

③振動時效效果的幾種現(xiàn)場評定方法（出現(xiàn) 下列情況之一，即可判斷工件已達到了時效效 果）：

另外還可根據(jù)要求對工件進行振后在線局部 掃描和局部打印，圖5a就是在線局部掃描、局部 打印的實況圖；也可對振后單峰值局部掃描、局 部打印，圖5b就是在線振后單峰值局部掃描、局 部打印的實況圖。這樣可更清晰地觀測振動時效 的效果。

目前的振動時效設(shè)備及其控制已經(jīng)很先進了, 不僅有10〃液晶屏顯示，而且還可通過控制軟件在 PC上直接運行，下面的圖片如圖6就是一個

實例：在振動時效設(shè)備界面上清晰地顯示著振動 電機的轉(zhuǎn)速、電流、振動時效的時間、加 速度值等工藝參數(shù)，振動時效產(chǎn)生的效果：三個 方向上的動應(yīng)變、應(yīng)變的釋放值)、被 處理工件內(nèi)的殘余應(yīng)力MPa等，還可動態(tài)實時 顯示振動時效相關(guān)的工藝曲線。

從上述可知，振動時效技術(shù)應(yīng)用于大型工業(yè) 衡秤體的去應(yīng)力時效處理不僅是可行的，而且也 是比較經(jīng)濟的一種工藝技術(shù)。根據(jù)在其它結(jié)構(gòu)件 振動時效件處理的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后的工件其強 度、抗彎截面模量、彈性模量均不受影響。為了 節(jié)省篇幅，在此不再列舉相關(guān)數(shù)據(jù)。

4振動時效技術(shù)在稱重傳感器制造中的應(yīng)用 眾所周知，稱重傳感器在制造過程中機械加 工是必不可少的，在車、刨、銑、鉆等工序中不 可避免地給彈性體表面留下切削應(yīng)力、擠壓應(yīng)力， 磨削可能相對會小一點。如果加工過程是無冷卻 或冷卻不良的話也會因受熱不均勻而產(chǎn)生熱應(yīng)力， 尤其是在貼應(yīng)變片的區(qū)域，切削量很大，多為一 些深孔狀結(jié)構(gòu)又不利于散熱，有的還要再做研磨 和噴砂處理（以增加應(yīng)變片粘貼后的牢固度，也 會產(chǎn)生相應(yīng)的加工應(yīng)力，這些應(yīng)力盡管不致于使 工件變形和損壞，但在隨后的應(yīng)力釋放過程中會 使貼上的應(yīng)變片產(chǎn)生微應(yīng)變，改變了傳感器的零 點輸出，這就是我們通常說的傳感器的零點跑了 土話叫留數(shù)，這一問題已困擾了傳感器制造廠 家許多年了。在發(fā)現(xiàn)了原因之后，首先大家想到 熱時效，但一分析便被否決了，因為熱時效處理 的溫度會影響彈性體的金相組織，從而影響彈性 體的使用性能，采用存放依靠自然釋放加工應(yīng)力 的方法，一是周期太長，二是究竟放多長時間方 可有效難以確定，況且在目前市場機制下，多是 以合同訂單來確定生產(chǎn)的，也不可能采用這種方 法。后來有的單位采用了深冷技術(shù)來消除彈性體 的加工應(yīng)力，這種方法雖然不錯，但存在設(shè)備購 置費用高、能耗高、時效周期長的缺點。國內(nèi)一 家最大的傳感器制造商在了解了振動時效技術(shù)后, 通過做前期試驗，采用了此技術(shù)，使其制造的傳 感器性能得到了很大的提高，已做為一種新技術(shù) 幾乎應(yīng)用到了其所有的傳感器制造中去了。

5.結(jié)束語

一種技術(shù)在一個行業(yè)中可能是常用技術(shù)了, 但轉(zhuǎn)換到另一個行業(yè)，它可能就是一種新技術(shù), 它的應(yīng)用從試用、推廣到廣泛認知需要一個過程, 需要行業(yè)內(nèi)的人了解，振動時效技術(shù)就是這樣一 種技術(shù)，雖然在機械制造行業(yè)已成功應(yīng)用了許多 年，但在稱重領(lǐng)域還只是開始，寫此文的目的是 為了使廣大地磅行業(yè)的人士認識這一技術(shù)，并逐 步在地磅制造中得以應(yīng)用，以期穩(wěn)定大型工業(yè)地磅秤體的質(zhì)量水平，使稱重傳感器、尤其是鋁合 金作為彈性體的傳感器的長期穩(wěn)定性得以保證 不當(dāng)之處希望同行們指正。