金属工件在焊接过程中，由于受热冷、机械变形作用，在工件内部产生残余应力，致使工件处于不平稳状态，降低工件的尺寸稳定性和机械物理性能，使工件在服役过程中产生应力变形和失效，尺寸精度得不到保证。为了消除残余应力，过去通常采用热时效和自然时效。
振动时效工艺处理现场
然而这两种方式都存在诸多弊端：自然时效周期太长，占地面积大，不适宜大批量生产；热时效使用费高，且占地面积大、辅助设备多、耗能高、炉温控制难度高、工件易氧化、易因受热不均致裂，并在冷却过程中产生新的应力。此外，热时效处理劳动条件差，污染环境，机械化自动化水平也不高。而振动时效能显著节能、降低成本、缩短周期。与热时效相比振动时效节约时效成本90%以上，节能95%以上，节约投资90%以上，自然时效周期要半年或两年，热时效需1~2天，而振动时效通常仅需0.5h，最长不超过1h。设备轻便易携，工艺简单，适应性强，自动化程度高，不受工件大小、重量、地点限制。
振动时效概述
1.振动时效原理
振动消除应力简称VSR（Vibratory Stress Relief），它是利用受控振动能量对金属工件进行处理，达到消除工件残余应力的目的。
国内外大量的应用实例证明，振动时效对稳定零件的尺寸精度具有良好的作用。
从宏观角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，使零件发生塑性变形。故通常采用热时效方法以消除和降低残余应力，特别是危险的峰值应力。振动时效同样可以降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低20%~30%，有时可达50%~60%，同时也可使峰值应力降低，使应力分布均化。
除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一重要因素是松弛刚性，即零件抗变形能力。有时虽然零件具有较大的残余应力，但因其抗变形能力强，而不致造成大的变形。在这一方面，振动时效同样表现出明显的作用。由振动时效的加载试验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。通过振动而使材料得到强化，使零件的尺寸精度达到稳定。
从微观方面分析，振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加应力。众所周知，工程上采用的材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不同类型的微观缺陷，无论是钢、铸铁或其他金属，其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。当受到振动时，施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值后，在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形，降低了该处残余应力峰值，并强化了金属基体。而后，振动又在另一些应力集中较严重的部位上产生同样作用，直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止，此时，振动便不再产生消除均化残余应力及强化金属的作用。图是振动时效工艺处理的现场，其中控制器是控制激振器产生所需振动能量、频率；激振器是刚性连接在工件上，产生激振力，带动工件产生振动的设备，由电机与偏心轮组成；通过传感器，获取工件受振能量信息。
2.振动时效对材料性能的影响
在生产实践中发现，振动时效不仅可以消除工件的残余应力，振动时效后工件的强度指标也有很大提高。可见对工件进行振动处理，会使材料性能得到强化。
振动强化是使工件受外部循环载荷进行受迫振动，激振力来自激振器的偏心部分。这是一个多自由度、有阻尼系统的受迫振动问题。在实际应用中，通过调整激振器的偏心和转速可以对金属材料工件施加交变动应力，而金属材料在交变动应力的作用下会产生位错运动。
交变动应力从零增大至峰值时，随着外加动应力的增大，金属材料位错被激发，不断释放出新位错，并在障碍物前塞积。不断增大的位错塞积群应力场使其邻近晶粒的位错有发生移动的趋势。原有应力场较大地方的塞积首先得以开通，其应力集中得以释放。
交变动应力从最大值下降至零的过程中，位错塞积群的平衡状态破坏，大量的位错会由于移动过程中与其它位错交割，位错密度因此大大增加。随着外加动应力的交变，上述过程不断重复，内应力峰值下降的同时位错不断得到增殖，而位错密度的不断增加有利于材料疲劳强度的提高。
疲劳破坏分三阶段：裂纹萌生、裂纹扩散和瞬时断裂。金属材料的疲劳寿命主要由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分组成。
裂纹萌生总是先在应力最高、强度最弱的部位形成，振动处理后由于高内应力得以降低，分布均化，减少了应力集中的影响；同时位错密度增加使滑移带滑移更加困难，从而使裂纹萌生寿命增加。而材料的位错组态变化和位错密度增加，使得滑移运动阻力增大，裂纹扩展所需能量增大，使裂纹扩展寿命增加，从而提高了材料的疲劳强度，使材料性能得到强化。nextpage
3.振动时效特点
振动时效之所以得到各方面的普遍重视，是由于它具有如下特点：
（1）投资少：与热时效相比，它无需庞大的时效炉，可节省占地面积与昂贵的设备投资。现代工业中的大型铸件与焊接件，如采用热时效消除应力需建造大型时效炉，不仅造价昂贵，利用率低，而且炉内温度很难均匀，消除应力效果很差。采用振动时效可以完全避免这些问题。目前对长达几米至几十米的桥梁、船舶及化工器械的大型焊接件，多采用振动时效。
（2）生产周期短：自然时效需经几个月的长期放置，热时效亦需经数十小时的周期方能完成，而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成。而且，振动时效不受场地限制，可减少工件在时效前后的往返运输。如将振动设备安置在机械加工生产线上，不仅使生产安排更紧凑，而且可以消除加工过程中产生的应力。
（3）使用方便：振动设备体积小，重量轻，便于携带。由于振动处理不受场地限制，振动装置又可携至现场，所以这种工艺与热时效相比，使用简便，适应性强。
（4）节约能源，降低成本：在工件的共振频率下进行时效处理，耗能极小。实践证明，功率为0.25~1马力（1马力=735.5W）的机械式激振器可振动150t以下的工件，故粗略计算其能源消耗仅为热时效的3%~5%，成本仅为热时效的8%~10%。
（5）其他：振动时效操作简便，易于实现机械化自动化；可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能进行二次时效的方法。
振动时效在中国的应用
随着振动时效技术的日趋成熟，振动和控制设备日臻完善，振动时效已被十多个工业发达国家广泛采用。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。英国和西德对飞机装配架的焊接梁和框架普遍采用了振动时效。前苏联金属切削机床实验科学研究院将振动时效工艺推荐给各机床厂，某些重型机床厂的大件和基础零件全部采用了振动时效。
振动时效（VSR）在20世纪70年代被引进我国，从无到有，现在已有几千台VSR设备在我国的机床、模具、锻压、铸造、木工、航空、航天、冶金、矿山、铁道、造船、纺织以及核电站等行业运行。但因为传统的振动时效还存在着诸多的问题，始终没有被大多数企业纳入正式的工艺流程，在国内机械制造领域仍普遍采用热时效处理方式。
传统振动时效应用上存在的问题
振动时效技术虽然在高效、节能、环保等方面有着非常明显的优势，但传统的振动时效技术也就是亚共振技术也存在着几十年未能解决的技术难题，无法纳入正式的工艺生产流程，也始终没有受到广泛企业的认可，得到大规模的应用。
1.亚共振时效方式：由低转速扫描到电机额定转速，寻找共振峰，在亚共振区确定主、附振频率及扫频范围。在亚共振频率进行几十分钟的振动处理。
2.亚共振技术存在的问题：
（1）对支撑点、激振点、拾振点及方向有严格要求，需要不断的扫频、调整位置。所以设备必须是受过专业培训的人员操作，一般的工人即使受过培训也很难掌握这项技术；工件在单件生产时调整相当繁琐，拾振器、支撑点很难调到最佳状态，一种工件就需要制订一种工艺；人为地确定需处理的共振峰，这对操作者的经验要求也比较高。
（2）因为是通过扫频的方式寻找共振峰，而电机的转速是有限的，当工件共振频率超出激振器的频率范围时，通过扫描就无法找到工件共振频率，因而无法对工件进行有效的振动处理。国家相关数据统计亚共振技术可处理的工件在机械制造业覆盖面仅为23%。
（3）有效振型较少，振动时效的应力消除不稳定，应力的消除不能达到最佳的结果；
（4）噪声过大也是难以推广的主要原因之一。
频谱谐波技术在振动时效领域的应用
随着电子设备的快速发展，控制器逐渐从简单的人工控制发展到单片机，再到电脑控制，监控越来越方便快捷，但仍存在覆盖面低、噪音大、振型少、应力消除效果不好及工艺方案人工干预较多等问题。振动时效在企业的应用也进入了一个低潮期。原先购置的设备被闲置，或者只能在实验室里作为实验研究课题用机。高污染、高能耗的热时效炉继续被沿用下来。
频谱谐波技术独有的找频方式与处理频率，摒弃了原有振动时效技术攻关方向，独辟蹊径，从另外一个全新的角度，去诠释振动时效的价值，突破了原有的技术瓶颈。
频谱谐波技术不再沿用原有的扫频方式，而是通过傅立叶方法对工件进行频谱分析找出工件的几十种谐波频率，在这几十种谐波频率中优选出对消除工件残余应力效果最佳的五种不同振型的谐波频率，对其进行时效处理，达到多维消除应力提高尺寸精度稳定性的目的。
频谱谐波方式不论工件大小、频率刚性高低、材料特性均能找出五种不同振型的谐波峰。不受激振器的转速范围限制，对激振点和拾振点无特殊要求，能够处理亚共振无法处理的高刚性高固有频率工件，能够满足对尺寸精度要求高的工件，振动噪音低，在机械行业的覆盖面已达到100%。处理的转速全部在6000rpm以下，也解决了亚共振设备噪音大的问题。表1是频谱谐波技术与亚共振技术的对比。
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该项新技术的专利发明人是北京翔博科技有限责任公司，其生产的采用频谱谐波技术的“领航者消除应力专家系统”已经率先在中国航空、航天、兵器等高精尖行业得到了充分应用，解决了这些行业多年困扰的问题，被纳入了正式的工艺定型方案。但因为这类产品价格偏高，再加上原有振动时效在很多企业产生的阴影，广大的民用机械制造企业还没有接纳。但新技术的出现解决了几十年的技术难题，使振动时效取代热时效逐渐成为现实。表2是领航者消除应力专家系统部分应用客户的效果。
振动时效应用的未来
在机械制造行业，一些明显高能耗、高污染的工艺手段，会受到很大的限制。振动时效与热时效相比有着其不可比拟的节能减排优势，而且在其他方面也有部分优于热时效。表3是热时效与振动时效的对比。
新的频谱谐波技术在振动时效领域的应用，使振动时效取代热时效已经成为可能，高能耗、高污染的落后工艺技术，被新型的绿色技术所淘汰是历史发展的必然趋势，是人类生存发展的必然需要。
因此，时效处理工艺作为机械制造中的一个重要环节，在今后的发展中，振动时效取代热时效是必然之路。
