谈谈振动时效及其在地磅制造中的应用

介绍了振动时效的原理、发展，讨论了振动时效在地磅产品的秤体及传感 器制造中的应用，指出振动时效可提高大型地磅机械部分的质量，降低或消除大型衡器秤 体焊接加工中的残余应力，消除称重传感器弹性体机械加工应力，提高称重传感器的技术 指标。

1.前言

在机械件制造过程中不可避免会产生残余应 力，特别是焊接、铸造、锻造等过程的残余应力， 轻则使工件严重变形而无法使用或影响其固有性 能，重则使工件直接开裂，造成严重事故，像挪 威的27.5万吨级油轮在北海断裂就是因为其中的 一个锚墩上的焊接残余应力使其产生裂纹引起的， 造成了极为严重的损失和环境污染。通常消除残余应力的方法是通过时效处理来解决。传统的时 效方法是自然时效和热时效，由于自然时效周期 长，造成资金大量占用，现已很少使用；热时效 尽管效率高、效果好，但其能源消耗高、对环境 污染严重，处理工件也需要投入较多的资金，也 不是一个可取的去应力时效方法，也不符合当前 节能环保的发展方向，振动时效就是在这种背景 下应运而生的。

振动时效在工业发达国家已被广泛采用，像 美国某应力消除公司拥有350台振动时效设备， 进行过5000多项振动时效处理，结果分析成本仅 为热时效的10%,英国和西德对飞机装配型架的 焊接梁和框架普遍采用了振动时效。我国近年来 在振动时效的研究与应用方面也取得了长足的进 展，经过振动时效的工件尺寸精度稳定性良好， 振动时效费用仅为热时效的10%左右，能源消耗 不到热时效的5%。由于振动时效的技术经济效果 非常显著，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，振动时效已 得到了广泛的应用，近几年在衡器的焊接秤体和传感器弹性体加工的消除残余应力上已开始应用。

2.振动时效简介

2.1什么是振动时效

振动时效 VSR 是 Vibrating Stress Relief 的英 文缩写，是振动消除应力之意。振动时效又称振 动消除应力法，它是将工件（包括铸件、锻件、 焊接结构件等在其固有频率下进行数分钟至数 十分钟的振动处理，消除其残余应力，使尺寸精 度获得稳定的一种方法。这种工艺具有耗能少、 时间短、效果显著等特点。

2.2振动时效技术在我国的发展历程 我国的振动时效设备，是从上世纪七十年代 开始仿造国外的振动时效设备自主生产的，在随 后的二十多年中，只能生产手动型振动时效设备, 这种设备只能靠操作人员凭感觉和经验进行振动 时效处理，存在振动时效质量难以保证以及操作 复杂的问题；随着计算机技术在振动时效设备上 的使用，在上世纪九十年代末，开发出了全自动 振动时效设备，这种设备可以由计算机自动选择 振动时效关键的振动时效工艺参数，能有效保证 振动时效质量，而且操作简便。

尤其是近两年，视频音频监控型、远程无线 反向监控型、广播监控型、USB电子文档通讯型 等振动时效设备已在振动时效上得到了广泛的应 用，使振动时效技术迈上了更新的高度。

2.3振动时效技术的时效原理 传统的振动时效的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，达 到稳定工件尺寸精度，避免工件变形影响使用和 工件开裂的目的。

现代振动时效是通过工件在外界机械力皦 振器的作用下使工件产生共振他称为共振时 效，使工件在交变运动中吸收能量，在工件内部 产生微观粘弹性塑性变形，以降低工件局部的峰 值应力，并均化工件的残余应力场，最终避免工 件的变形与开裂，以稳定工件的尺寸精度，它的 效果介于热时效与自然时效之间。

2.4振动供振时效技术的基本操作方法 与振动时效的效果

2.4.1振动时效的基本操作方法

振动时效的基本操作方法简单，只需将激振 器牢固地固定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器的 频率，直到使工件上的振动传感器睡度计和加 速度计所接收的信号达到峰值，在这一状态下 持续振动一段时间，即可完成振动时效设备的操 作，达到消除应力、稳定工件尺寸精度的目的。

2.4.2振动时效的效果

工件传统的振动时效处理与热时效处理的不 —样，热时效处理的工件表面有氧化层，可以从 外观粗略判定效果，但是振动时效的工件外观没 有变化，不能从外观判定效果。此外振动时效时 间很短，也就是15?30分钟左右，能不能在如此 短的时间内有效地消除残余应力，这依赖于操作 人员是不是认真负责地按照振动时效工艺要求进 行操作，只有认真负责的操作人员，才能有效保 证振动时效工艺效果，操作人员对于振动时效质 量效果起决定性的作用。

现代的全自动振动时效设备，每振动时效处 理一个工件，都能够记录振动时效工艺曲线和参 数，只要把这个工艺曲线与国家标准进行对比分 析，就能直接检验出振动时效质量效果，因此振 动时效质量检验是完全可以控制的。

3.振动时效在地磅制造中的应用

众所周知，大型工业地磅，不管是地磅还是电子轨道衡，都是采用以钢板或型钢焊接 结构作为秤体（承载韓的，大多数地磅 采用平板式焊接结构，电子轨道衡采用的是箱形 梁焊接结构，地磅的传感器安装位置的结 构也几乎为箱形，这样的结构其焊接残余应力是 非常大的，尤其是大电流、一次焊缝高度大的情 况下就更为严重了。尽管在结构的强度足够时没 有引起结构的开裂与破坏，但在焊接残余应力释 放的过程中其变形是不可避免的，所以在衡器的 使用中经常可以听到某地方的地磅在使用 中传感器移位，甚至是桥式传感器的上压头都被 啃掉一块，某地方的地磅在使用中出现秤 体开裂，某地方的电子轨道衡的传感器在使用中 出现一只或对角的两只出现钢球移位硬用的桥 式传感器或传感器歪倒使用的是柱式传感器, 就是不倒也会因使用中经常出现较大的冲击力而损坏的问题。当出现上述问题时很多都要抱怨 安装服务人员秤体安装时没有调整好，其实这是 一种误解，造成以上问题的主要原因是由焊接残 余应力释放后的变形引起的。通常在焊缝表面及 其周围的残余应力都是拉应力，焊接残余应力再 和称重时载荷应力叠加后桥式传感器的安装位置 就变成了收腿的拱形。图1是平板式汽车衡安装 桥式传感器的安装位置示意。图1a是设计时理想 的位置示意；焊接后在焊缝表面及其周围都会产 生拉应力，再经过焊接残余应力释放和称重时的 叠加应力后桥式传感器的安装位置就变成了图ib 的形状。由于上钢球座的安装孔已扭曲，在长期 的使用中有时就会将上钢球座啃掉一块，且其变 化没有规律可循，还有的是造成传感器的移位，

这些因素都能影响称量准确度或造成秤体的损 坏。当焊接残余应力和加载应力叠加后超过了材 料的屈服极限（a)后是产生变形，引起原来 安装好的部件移位或损坏，超过材料的强度极限 (ab后就造成秤体的焊缝主要在热影响区 开裂等问题。

在电子轨道衡的箱形梁焊接结构中，由于焊 缝高度更大，焊接部位更多，且多为连续的全焊， 焊接残余应力的缓慢释放造成的变形会更大，称 重时火车的载荷比汽车衡要大得多，影响就会更 严重，其原理与图1相同，在此不再赘述。

前面已论述了消除焊接残余应力的三种方法及其经济性对比，在这里不再繁说。对于像汽车 衡或轨道衡秤体这些大型构件采用自然时效周期 太长，从经济的角度来讲是不划算的；采用热时 效不仅不现实也不经济，同时还会消耗大量的能 源，与当前的环保节能的要求格格不入，同时还 存在因支撑位置不合理时引起秤体热变形，影响 使用。振动时效作为经济、高效、环保、节能的 消除残余应力方法，理所当然地成为首选，尤其 是在消除焊接残余应力方面，效果尤为显著。

振动时效技术已在数百种行业中得到了广泛 的应用，像机床、冶金、航天发射平台、洲际导 弹发射筒等都是通过振动时效来消除其焊接残余 应力的，以保证构件性能。下面的图2是某机械 构件焊接框架振动时效前后残余应力分布图，残余应力的峰值明显下降，残余应力场得到了均化, 这个工件的形状与电子汽车衡的秤体差不多，承 重主梁的结构与电子轨道衡秤体差不多，如果大 型工业衡的秤体在安装调试前或在生产过程中进 行了振动时效处理，也就不会出现前述的问题了。

现在的振动时效技术已不是过去的以经验定 性地（过去的自然时效和热时效也是如此评定 时效效果了，而是通过可量化的方式来评定振动 时效的效果，其操作过程如下：

①振前在线全程扫描卸扫频，找出共振峰 供振的频率,然后即可调节振动电机的转速以 使工件能够在共振频率振动，以迅速使工件应力 集中处发生微观塑性变形，从而降低和均化工件内 的残余应力，以稳定工件尺寸精度、避免工件变形 影响使用和工件开裂。在高端的振动时效设备中 扫频的过程均可显示，根据需要在线打印扫描曲 线。扫频曲线见图3。

振幅调节：以主振频率激振工件，调节偏心 距，以实现最好的振动时效效果。调节的原则是 装置不过载且工件关键部位动应力的峰值介于该 部位工作应力的1/3?2/3处。

②振动时效效果：根据加速度一时间曲线 以监测时效效果。图4就是实际的振动时效效果

注加速度，用重力加速度g的倍数表示时间； n-转速，用rpm表示。

曲线。根据需要在线打印时效曲线—t曲线， 也可为振后扫频曲线（i一n曲线，与振前的扫频 曲线变化来监测。

③振动时效效果的几种现场评定方法（出现 下列情况之一，即可判断工件已达到了时效效 果）：

另外还可根据要求对工件进行振后在线局部 扫描和局部打印，图5a就是在线局部扫描、局部 打印的实况图；也可对振后单峰值局部扫描、局 部打印，图5b就是在线振后单峰值局部扫描、局 部打印的实况图。这样可更清晰地观测振动时效 的效果。

目前的振动时效设备及其控制已经很先进了, 不仅有10〃液晶屏显示，而且还可通过控制软件在 PC上直接运行，下面的图片如图6就是一个

实例：在振动时效设备界面上清晰地显示着振动 电机的转速、电流、振动时效的时间、加 速度值等工艺参数，振动时效产生的效果：三个 方向上的动应变、应变的释放值)、被 处理工件内的残余应力MPa等，还可动态实时 显示振动时效相关的工艺曲线。

从上述可知，振动时效技术应用于大型工业 衡秤体的去应力时效处理不仅是可行的，而且也 是比较经济的一种工艺技术。根据在其它结构件 振动时效件处理的数据，经过处理后的工件其强 度、抗弯截面模量、弹性模量均不受影响。为了 节省篇幅，在此不再列举相关数据。

4振动时效技术在称重传感器制造中的应用 众所周知，称重传感器在制造过程中机械加 工是必不可少的，在车、刨、铣、钻等工序中不 可避免地给弹性体表面留下切削应力、挤压应力， 磨削可能相对会小一点。如果加工过程是无冷却 或冷却不良的话也会因受热不均匀而产生热应力， 尤其是在贴应变片的区域，切削量很大，多为一 些深孔状结构又不利于散热，有的还要再做研磨 和喷砂处理（以增加应变片粘贴后的牢固度，也 会产生相应的加工应力，这些应力尽管不致于使 工件变形和损坏，但在随后的应力释放过程中会 使贴上的应变片产生微应变，改变了传感器的零 点输出，这就是我们通常说的传感器的零点跑了 土话叫留数，这一问题已困扰了传感器制造厂 家许多年了。在发现了原因之后，首先大家想到 热时效，但一分析便被否决了，因为热时效处理 的温度会影响弹性体的金相组织，从而影响弹性 体的使用性能，采用存放依靠自然释放加工应力 的方法，一是周期太长，二是究竟放多长时间方 可有效难以确定，况且在目前市场机制下，多是 以合同订单来确定生产的，也不可能采用这种方 法。后来有的单位采用了深冷技术来消除弹性体 的加工应力，这种方法虽然不错，但存在设备购 置费用高、能耗高、时效周期长的缺点。国内一 家最大的传感器制造商在了解了振动时效技术后, 通过做前期试验，采用了此技术，使其制造的传 感器性能得到了很大的提高，已做为一种新技术 几乎应用到了其所有的传感器制造中去了。

5.结束语

一种技术在一个行业中可能是常用技术了, 但转换到另一个行业，它可能就是一种新技术, 它的应用从试用、推广到广泛认知需要一个过程, 需要行业内的人了解，振动时效技术就是这样一 种技术，虽然在机械制造行业已成功应用了许多 年，但在称重领域还只是开始，写此文的目的是 为了使广大地磅行业的人士认识这一技术，并逐 步在地磅制造中得以应用，以期稳定大型工业地磅秤体的质量水平，使称重传感器、尤其是铝合 金作为弹性体的传感器的长期稳定性得以保证 不当之处希望同行们指正。