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摘 要:分析变压器油箱制造中残余应力产生的原因,通过对比提出有效解决方案—振动时效。
关键词:残余应力 振动时效 油箱制造
中图分类号:TM405 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0115-01
1 残余应力的危害及产生原因
大量的生产实践证明,变压器在使用不久后,油箱出现渗漏,除箱体的结构和强度外,绝大多数原因是由于构件中的残余应力造成的。油箱渗漏不仅影响美观,浪费绝缘油,增加售后服务成本,如果渗漏严重,补油不及时的话,还容易造成其他重大事故。因此,千方百计地消除、降低或均化金属构件中的残余应力,应成为油箱制造中的一项十分重要的课题。任何一种金属构件或机械零部件加工完了之后,都带有一定的残余应力,其残余应力形成的原因主要有两条。
(1)物体受外力作用时,产生不均匀的塑性变形,当外力撤消后物体的变形不能恢复,内部就产生了残余应力。如对油箱的滚圆、折弯操作。
(2)物体受温度作用时,由于温度分布不均匀及组织转变时间不一致而产生塑性变形,因而产生残余应力。其最突出的就是油箱的各种焊接。
2 为降低、消除和均化金属构件的残余应力,在生产实践中常采用的方法有三大类
2.1 热时效(焖火处理)
热时效之所以能消除残余应力,主要是利用升温、保温、降温时的温度变化,使金属快速膨胀和收缩,迫使金属晶格滑移,这个过程释放、降低了工件内部的残余应力。
2.2 自然时效
自然时效是利用昼夜季节的温度变化和复杂多样的“环境振荡”长期积累,使金属发生细微的收缩和膨胀,逐渐造成金属晶格的缓慢滑移,这个过程虽然周期较长（一般需一年左右）,但也可以达到释放应力的目的。
2.3 振动时效
振动时效是利用共振的能量来迫使金属晶格滑移,促成工件内部残余应力的释放。
3 振动时效简介
最近十多年来,国内、外使用振动处理方法消除金属构件内的残余应力,以代替热时效。这种技术在国外被称做“Vibratory Stress ReliefMethod”（简称VSR）。振动时效源自于锤击松弛法（敲击时效）,有经验的焊接师傅在施焊一段时间后,立即用小锤对焊缝及焊接热溶区进行敲击,从表面看这一活动是为了消除焊渣和发现虚焊,但实质这一活动是为了随时将焊接应力释放出来,以免应力集中造成焊件开裂、翘曲、变形的不良后果。当然靠人工敲击的能量是十分有限的,后来人们在实践中发现将这种敲击形式发展到共振的形式可以在最短的时间内给工件输入最大的敲击能量,快速达到释放、消除应力的目的。
3.1 振动时效的性质和作用
振动时效从性质上讲是反复对工件施加周期性载荷(σ动),当σ动+σ残＞σs时,当动应力+残余应力＞材料屈服极限时,工件中残余应力的高峰值处就会产生微小的局部屈服,从而达到释放应力的目的,获得工件在其精加工后不在发生变形的效果,这是振动时效保证工件精加工后尺寸精度稳定如一的根本原因。振动时效从作用讲是以机械能形式给工件提供振动能量,增大金属内部原子的振动幅度,加快畸变晶格排列趋于平衡,达到提高工件的抗挠性能、疲劳极限和抗载荷变形能力的目的。
3.2 振动时效工艺十分简单
振动处理技术又称作振动消除应力,在我国称作振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统（又称作激振器）安放在待处理的构件上,并将构件用橡皮垫等弹性物体支撑,通过控制器启动电机并调节其转速,寻找到并确定在亚共振区使构件处于共振状态。经过10～20分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。可见,用振动调整残余应力技术是十分简单的。
3.3 振动时效之所以能够取代自然时效、热时效是由于该技术具有一些明显的优点
3.3.1 被处理构件的机械性能显著提高
经过振动处理的构件其残余应力可以消除20%～80%左右,高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高构件使用强度和疲劳寿命,可以防止或减少由于热处理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高构件抗变形的能力,稳定构件的精度,提高机械质量。
3.3.2 适应性强、工作方便
由于设备为推车式样易于移动,因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制,从几公斤到几十吨重的工件都可使用振动时效技术。特别是对一些大型构件无法使用热时效处理时,振动时效具有更加突出的优越性。
3.3.3 节省时间、能源和费用
现在合同都要求交货期短,形状根据用户场地个性化设计。共振所产生的机械能量在单位时间内远比热时效和自然时效大的多,因此释放应力的速度比热时效和自然时效也快的多。振动时效只需30分钟即可完成全部工艺过程。而热时效至少需1～2天以上,且需消耗大量的煤、油、电等能源,前期还需巨大资金建造大型焖火炉。自然时效所需时间（一年左右）更无法满足合同。
4 振动时效效果评定方法
根据中华人民共和国JB/T5926-91标准,振动时效工艺效果评定方法第4.1.2款,“出现下列情况之一时,即可判定为达到振动时效工艺效果”。
(1)振幅时间（A-t）曲线上升后变平。
(2)振幅时间（A-t）曲线上升后下降然后变平。
(3)振幅频率（A-F）曲线振后的比振前的峰值升高。
(4)振幅频率（A-F）曲线振后的比振前的峰值点左移。
(5)振幅频率（A-F）曲线振后的比振前的带宽变窄。
振动时效不足之处,在于振动工作中产生一定强度的噪音,这要求对振动场地有一定的选择,工作人员要有一定的保护措施。随着近几年振动时效设备厂家的发展,振动时效设备也日趋完善,完全符合《机械振动时效装置技术条件》（JB/T5925.2-1998）和《振动时效工艺参数选择及技术要求》（JB/T5926-91）的要求,价格适中,自动化程度提高。振动时效已开始进入变压器行业,随着变压器质量要求的提高,振动时效一定会在油箱制造过程中成为不可缺少的一道工序。
参考文献
[1] 机械振动时效装置技术条件.(JB/T5925.2-1998)
[2] 振动时效工艺参数选择及技术要求.(JB/T5926-91).
关键词:残余应力 振动时效 油箱制造
中图分类号:TM405 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0115-01
1 残余应力的危害及产生原因
大量的生产实践证明,变压器在使用不久后,油箱出现渗漏,除箱体的结构和强度外,绝大多数原因是由于构件中的残余应力造成的。油箱渗漏不仅影响美观,浪费绝缘油,增加售后服务成本,如果渗漏严重,补油不及时的话,还容易造成其他重大事故。因此,千方百计地消除、降低或均化金属构件中的残余应力,应成为油箱制造中的一项十分重要的课题。任何一种金属构件或机械零部件加工完了之后,都带有一定的残余应力,其残余应力形成的原因主要有两条。
(1)物体受外力作用时,产生不均匀的塑性变形,当外力撤消后物体的变形不能恢复,内部就产生了残余应力。如对油箱的滚圆、折弯操作。
(2)物体受温度作用时,由于温度分布不均匀及组织转变时间不一致而产生塑性变形,因而产生残余应力。其最突出的就是油箱的各种焊接。
2 为降低、消除和均化金属构件的残余应力,在生产实践中常采用的方法有三大类
2.1 热时效(焖火处理)
热时效之所以能消除残余应力,主要是利用升温、保温、降温时的温度变化,使金属快速膨胀和收缩,迫使金属晶格滑移,这个过程释放、降低了工件内部的残余应力。
2.2 自然时效
自然时效是利用昼夜季节的温度变化和复杂多样的“环境振荡”长期积累,使金属发生细微的收缩和膨胀,逐渐造成金属晶格的缓慢滑移,这个过程虽然周期较长（一般需一年左右）,但也可以达到释放应力的目的。
2.3 振动时效
振动时效是利用共振的能量来迫使金属晶格滑移,促成工件内部残余应力的释放。
3 振动时效简介
最近十多年来,国内、外使用振动处理方法消除金属构件内的残余应力,以代替热时效。这种技术在国外被称做“Vibratory Stress ReliefMethod”（简称VSR）。振动时效源自于锤击松弛法（敲击时效）,有经验的焊接师傅在施焊一段时间后,立即用小锤对焊缝及焊接热溶区进行敲击,从表面看这一活动是为了消除焊渣和发现虚焊,但实质这一活动是为了随时将焊接应力释放出来,以免应力集中造成焊件开裂、翘曲、变形的不良后果。当然靠人工敲击的能量是十分有限的,后来人们在实践中发现将这种敲击形式发展到共振的形式可以在最短的时间内给工件输入最大的敲击能量,快速达到释放、消除应力的目的。
3.1 振动时效的性质和作用
振动时效从性质上讲是反复对工件施加周期性载荷(σ动),当σ动+σ残＞σs时,当动应力+残余应力＞材料屈服极限时,工件中残余应力的高峰值处就会产生微小的局部屈服,从而达到释放应力的目的,获得工件在其精加工后不在发生变形的效果,这是振动时效保证工件精加工后尺寸精度稳定如一的根本原因。振动时效从作用讲是以机械能形式给工件提供振动能量,增大金属内部原子的振动幅度,加快畸变晶格排列趋于平衡,达到提高工件的抗挠性能、疲劳极限和抗载荷变形能力的目的。
3.2 振动时效工艺十分简单
振动处理技术又称作振动消除应力,在我国称作振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统（又称作激振器）安放在待处理的构件上,并将构件用橡皮垫等弹性物体支撑,通过控制器启动电机并调节其转速,寻找到并确定在亚共振区使构件处于共振状态。经过10～20分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。可见,用振动调整残余应力技术是十分简单的。
3.3 振动时效之所以能够取代自然时效、热时效是由于该技术具有一些明显的优点
3.3.1 被处理构件的机械性能显著提高
经过振动处理的构件其残余应力可以消除20%～80%左右,高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高构件使用强度和疲劳寿命,可以防止或减少由于热处理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高构件抗变形的能力,稳定构件的精度,提高机械质量。
3.3.2 适应性强、工作方便
由于设备为推车式样易于移动,因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制,从几公斤到几十吨重的工件都可使用振动时效技术。特别是对一些大型构件无法使用热时效处理时,振动时效具有更加突出的优越性。
3.3.3 节省时间、能源和费用
现在合同都要求交货期短,形状根据用户场地个性化设计。共振所产生的机械能量在单位时间内远比热时效和自然时效大的多,因此释放应力的速度比热时效和自然时效也快的多。振动时效只需30分钟即可完成全部工艺过程。而热时效至少需1～2天以上,且需消耗大量的煤、油、电等能源,前期还需巨大资金建造大型焖火炉。自然时效所需时间（一年左右）更无法满足合同。
4 振动时效效果评定方法
根据中华人民共和国JB/T5926-91标准,振动时效工艺效果评定方法第4.1.2款,“出现下列情况之一时,即可判定为达到振动时效工艺效果”。
(1)振幅时间（A-t）曲线上升后变平。
(2)振幅时间（A-t）曲线上升后下降然后变平。
(3)振幅频率（A-F）曲线振后的比振前的峰值升高。
(4)振幅频率（A-F）曲线振后的比振前的峰值点左移。
(5)振幅频率（A-F）曲线振后的比振前的带宽变窄。
振动时效不足之处,在于振动工作中产生一定强度的噪音,这要求对振动场地有一定的选择,工作人员要有一定的保护措施。随着近几年振动时效设备厂家的发展,振动时效设备也日趋完善,完全符合《机械振动时效装置技术条件》（JB/T5925.2-1998）和《振动时效工艺参数选择及技术要求》（JB/T5926-91）的要求,价格适中,自动化程度提高。振动时效已开始进入变压器行业,随着变压器质量要求的提高,振动时效一定会在油箱制造过程中成为不可缺少的一道工序。
参考文献
[1] 机械振动时效装置技术条件.(JB/T5925.2-1998)
[2] 振动时效工艺参数选择及技术要求.(JB/T5926-91).