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

1.前言

在機械件制造過程中不可避免會產生殘余應 力，特別是焊接、鑄造、鍛造等過程的殘余應力， 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力使其產生裂紋引起的， 造成了極為嚴重的損失和環境污染。通常消除殘余應力的方法是通過時效處理來解決。傳統的時 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力時效方法，也不符合當前 節能環保的發展方向，振動時效就是在這種背景 下應運而生的。

振動時效在工業發達國家已被廣泛采用，像 美國某應力消除公司擁有350臺振動時效設備， 進行過5000多項振動時效處理，結果分析成本僅 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用方面也取得了長足的進 展，經過振動時效的工件尺寸精度穩定性良好， 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經濟效果 非常顯著，其應用范圍也不斷擴大，在機械制造、 航空、化工器械、動力機械等行業，振動時效已 得到了廣泛的應用，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力上已開始應用。

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，是振動消除應力之意。振動時效又稱振 動消除應力法，它是將工件（包括鑄件、鍛件、 焊接結構件等在其固有頻率下進行數分鐘至數 十分鐘的振動處理，消除其殘余應力，使尺寸精 度獲得穩定的一種方法。這種工藝具有耗能少、 時間短、效果顯著等特點。

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

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

2.3振動時效技術的時效原理 傳統的振動時效的實質是以振動的形式給工 件施加附加應力，當附加應力與殘余應力疊加后， 達到或超過材料的屈服極限時，工件發生微觀塑 性變形，從而降低和均化工件內的殘余應力，達 到穩定工件尺寸精度，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，在工件內部 產生微觀粘彈性塑性變形，以降低工件局部的峰 值應力，并均化工件的殘余應力場，最終避免工 件的變形與開裂，以穩定工件的尺寸精度，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位置上，通過 振動設備的控制部分，根據工件的大小和形狀調節激振力，并根據工件的固有頻率調節激振器的 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，在這一狀態下 持續振動一段時間，即可完成振動時效設備的操 作，達到消除應力、穩定工件尺寸精度的目的。

2.4.2振動時效的效果

工件傳統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 短的時間內有效地消除殘余應力，這依賴于操作 人員是不是認真負責地按照振動時效工藝要求進 行操作，只有認真負責的操作人員，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 量效果起決定性的作用。

現代的全自動振動時效設備，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，只要把這個工藝曲線與國家標準進行對比分 析，就能直接檢驗出振動時效質量效果，因此振 動時效質量檢驗是完全可以控制的。

3.振動時效在地磅制造中的應用

眾所周知，大型工業地磅，不管是地磅還是電子軌道衡，都是采用以鋼板或型鋼焊接 結構作為秤體（承載韓的，大多數地磅 采用平板式焊接結構，電子軌道衡采用的是箱形 梁焊接結構，地磅的傳感器安裝位置的結 構也幾乎為箱形，這樣的結構其焊接殘余應力是 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。盡管在結構的強度足夠時沒 有引起結構的開裂與破壞，但在焊接殘余應力釋 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秤 體開裂，某地方的電子軌道衡的傳感器在使用中 出現一只或對角的兩只出現鋼球移位硬用的橋 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常出現較大的沖擊力而損壞的問題。當出現上述問題時很多都要抱怨 安裝服務人員秤體安裝時沒有調整好，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 其周圍的殘余應力都是拉應力，焊接殘余應力再 和稱重時載荷應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是設計時理想 的位置示意；焊接后在焊縫表面及其周圍都會產 生拉應力，再經過焊接殘余應力釋放和稱重時的 疊加應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確度或造成秤體的損 壞。當焊接殘余應力和加載應力疊加后超過了材 料的屈服極限（a)后是產生變形，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 開裂等問題。

在電子軌道衡的箱形梁焊接結構中，由于焊 縫高度更大，焊接部位更多，且多為連續的全焊， 焊接殘余應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力的三種方法及其經濟性對比，在這里不再繁說。對于像汽車 衡或軌道衡秤體這些大型構件采用自然時效周期 太長，從經濟的角度來講是不劃算的；采用熱時 效不僅不現實也不經濟，同時還會消耗大量的能 源，與當前的環保節能的要求格格不入，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。振動時效作為經濟、高效、環保、節能的 消除殘余應力方法，理所當然地成為首選，尤其 是在消除焊接殘余應力方面，效果尤為顯著。

振動時效技術已在數百種行業中得到了廣泛 的應用，像機床、冶金、航天發射平臺、洲際導 彈發射筒等都是通過振動時效來消除其焊接殘余 應力的，以保證構件性能。下面的圖2是某機械 構件焊接框架振動時效前后殘余應力分布圖，殘余應力的峰值明顯下降，殘余應力場得到了均化, 這個工件的形狀與電子汽車衡的秤體差不多，承 重主梁的結構與電子軌道衡秤體差不多，如果大 型工業衡的秤體在安裝調試前或在生產過程中進 行了振動時效處理，也就不會出現前述的問題了。

現在的振動時效技術已不是過去的以經驗定 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,然后即可調節振動電機的轉速以 使工件能夠在共振頻率振動，以迅速使工件應力 集中處發生微觀塑性變形，從而降低和均化工件內 的殘余應力，以穩定工件尺寸精度、避免工件變形 影響使用和工件開裂。在高端的振動時效設備中 掃頻的過程均可顯示，根據需要在線打印掃描曲 線。掃頻曲線見圖3。

振幅調節：以主振頻率激振工件，調節偏心 距，以實現最好的振動時效效果。調節的原則是 裝置不過載且工件關鍵部位動應力的峰值介于該 部位工作應力的1/3?2/3處。

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

注加速度，用重力加速度g的倍數表示時間； n-轉速，用rpm表示。

曲線。根據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 曲線變化來監測。

③振動時效效果的幾種現場評定方法（出現 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。

目前的振動時效設備及其控制已經很先進了, 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：在振動時效設備界面上清晰地顯示著振動 電機的轉速、電流、振動時效的時間、加 速度值等工藝參數，振動時效產生的效果：三個 方向上的動應變、應變的釋放值)、被 處理工件內的殘余應力MPa等，還可動態實時 顯示振動時效相關的工藝曲線。

從上述可知，振動時效技術應用于大型工業 衡秤體的去應力時效處理不僅是可行的，而且也 是比較經濟的一種工藝技術。根據在其它結構件 振動時效件處理的數據，經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 節省篇幅，在此不再列舉相關數據。

4振動時效技術在稱重傳感器制造中的應用 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力、擠壓應力， 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生熱應力， 尤其是在貼應變片的區域，切削量很大，多為一 些深孔狀結構又不利于散熱，有的還要再做研磨 和噴砂處理（以增加應變片粘貼后的牢固度，也 會產生相應的加工應力，這些應力盡管不致于使 工件變形和損壞，但在隨后的應力釋放過程中會 使貼上的應變片產生微應變，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，這一問題已困擾了傳感器制造廠 家許多年了。在發現了原因之后，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的，也不可能采用這種方 法。后來有的單位采用了深冷技術來消除彈性體 的加工應力，這種方法雖然不錯，但存在設備購 置費用高、能耗高、時效周期長的缺點。國內一 家最大的傳感器制造商在了解了振動時效技術后, 通過做前期試驗，采用了此技術，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 幾乎應用到了其所有的傳感器制造中去了。

5.結束語

一種技術在一個行業中可能是常用技術了, 但轉換到另一個行業，它可能就是一種新技術, 它的應用從試用、推廣到廣泛認知需要一個過程, 需要行業內的人了解，振動時效技術就是這樣一 種技術，雖然在機械制造行業已成功應用了許多 年，但在稱重領域還只是開始，寫此文的目的是 為了使廣大地磅行業的人士認識這一技術，并逐 步在地磅制造中得以應用，以期穩定大型工業地磅秤體的質量水平，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定性得以保證 不當之處希望同行們指正。