專(zhuān)利名稱(chēng)：用低頻脈沖磁處理降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法及其裝置材料加工過(guò)程形成的內(nèi)應(yīng)力可導(dǎo)致構(gòu)件在使用過(guò)程發(fā)生變形、斷裂與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等嚴(yán)重問(wèn)題。因此對(duì)重要的焊接構(gòu)件、大型鑄件、大型鍛件及其它一些重要的加工件，必須進(jìn)行降低內(nèi)應(yīng)力處理?，F(xiàn)有的降低內(nèi)應(yīng)力的主要方法是熱處理法。將工件加熱至高溫，使內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為應(yīng)變以降低內(nèi)應(yīng)力水平。熱處理方法雖然能大幅度降低內(nèi)應(yīng)力，但需將整個(gè)結(jié)構(gòu)或工件加熱至高溫(對(duì)鋼結(jié)構(gòu)而言，加熱溫度為600℃左右)，然后保溫、緩冷。這需要巨型加熱爐和消耗大量燃料，污染環(huán)境且成本極高，所需的周期很也長(zhǎng)(加熱與冷卻需要幾十乃至上百小時(shí))，而對(duì)許多合金鋼構(gòu)件，熱處理還會(huì)引起材質(zhì)發(fā)生“再熱脆化”，反而易導(dǎo)致工件在服役中發(fā)生斷裂，這種情況已非屬偶見(jiàn)。另外，還有機(jī)械拉伸法、機(jī)械振動(dòng)法及爆炸法等。這些方法的局限性在于其降低內(nèi)應(yīng)力的效果有限，耗能耗時(shí)太多，或者不易控制和不安全，而對(duì)某些現(xiàn)場(chǎng)裝焊的大型結(jié)構(gòu)(如大型儲(chǔ)罐、橋梁及發(fā)射塔等)，則根本無(wú)法實(shí)施。
涉及用磁處理來(lái)改變工件與材料中內(nèi)應(yīng)力有關(guān)的報(bào)導(dǎo)尚十分罕見(jiàn)，且距形成一種技術(shù)更有很大差距。俄羅斯科學(xué)家對(duì)船用輪機(jī)葉片進(jìn)行磁處理，葉片的使用壽命提高了2倍，認(rèn)為這是由于微細(xì)結(jié)構(gòu)和相的晶格取向的變化引起的。美國(guó)明尼蘇達(dá)州的Innovex公司，將切削刀具與鉆頭放進(jìn)一個(gè)簡(jiǎn)單的螺旋管內(nèi)進(jìn)行脈沖磁處理后，使用壽命明顯提高，該公司認(rèn)為這一效果與內(nèi)應(yīng)力的降低有關(guān)，但卻并無(wú)任何實(shí)際內(nèi)應(yīng)力的測(cè)定與比較，更沒(méi)有定量的研究。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法及其裝置，用低頻脈沖磁對(duì)工件進(jìn)行處理，使之能有效地降低內(nèi)應(yīng)力，而且方便易行，不需昂貴的設(shè)備，不需消耗大量燃料，成本低且無(wú)污染，只需沿整個(gè)工件一步步進(jìn)行處理，即可大幅度降低其內(nèi)應(yīng)力，以使結(jié)構(gòu)能安全地工作。
本發(fā)明提的一種降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法，其特征在于，將待處理的鋼鐵工件置于一磁場(chǎng)強(qiáng)度為周期性變化的磁場(chǎng)中。磁場(chǎng)由電源輸出的具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流可通過(guò)磁化器而產(chǎn)生。低頻脈沖波形可為具有較陡峭的前后沿的間歇梯形波，或采用低頻正弦波。低頻脈沖波的頻率范圍可為1-30赫茲。磁化電流可為200A以上，相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為20000A/m以上。
本發(fā)明提出的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的裝置，包括輸出具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流的電源及該電源的輸出端相連的磁化器。電源可采用一臺(tái)大功率晶體管焊接電源。磁化器可包括由硅鋼片疊制而成的π型磁化器鐵心，該鐵心端部加有具有更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵鈷極靴，分布于鐵心上勵(lì)磁線(xiàn)圈。
本發(fā)明的原理是利用鋼鐵材料在弱磁場(chǎng)磁化時(shí)的磁致伸縮系數(shù)為正值，而在強(qiáng)磁場(chǎng)磁化時(shí)的磁致伸縮系數(shù)為負(fù)值這一基本原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的磁化電流波形，并使由電源輸出的具有所設(shè)計(jì)波形的勵(lì)磁電流通過(guò)磁化器使工件依一定規(guī)律磁化，從而在工件內(nèi)高內(nèi)應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈的“磁致振動(dòng)”，促使大量微觀區(qū)域發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，造成彌散性微區(qū)塑性變形，使內(nèi)應(yīng)力發(fā)生松弛，以取得降低工件內(nèi)應(yīng)力的效果。
本發(fā)明的效果本發(fā)明采用可調(diào)頻率與場(chǎng)強(qiáng)的低頻脈沖磁場(chǎng)處理鐵磁性材質(zhì)工件，可在工件內(nèi)部引起動(dòng)態(tài)交變伸縮位移，從而導(dǎo)致磁致振動(dòng)。此時(shí)工件在宏觀上尚處于彈性應(yīng)變范圍，但在許多區(qū)域內(nèi)則可產(chǎn)生微觀塑性變形，從而使工件中因冷、熱加工形成的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生松馳，取得應(yīng)力水平大幅度降低的效果。這是一種降低內(nèi)應(yīng)力的新的物理學(xué)方法，具有簡(jiǎn)單、易行和無(wú)污染等明顯優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的兩種有效的磁化電流波形其中圖1A為間歇梯形波，圖1B為低頻正弦波示意圖。
圖2為本發(fā)明的π形磁化器實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)施例的薄板焊接試樣低頻交變磁處理效果圖。
圖4為本發(fā)明應(yīng)用于厚板對(duì)接工件及坡口示意圖。
圖5為厚板對(duì)接工件磁處理前后內(nèi)應(yīng)力比較示意圖；其中圖5A為縱向內(nèi)應(yīng)力(MPa)，圖5B為橫向內(nèi)應(yīng)力(MPa)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵，是設(shè)計(jì)能最有效地在工件內(nèi)引起大振幅交變磁致應(yīng)變的勵(lì)磁電流波形、能使具有所設(shè)計(jì)波形的電流將工件強(qiáng)烈磁化的專(zhuān)門(mén)磁化器設(shè)計(jì)以及磁處理參數(shù)的合理選擇與優(yōu)化。下面結(jié)合各附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所述方法及裝置的實(shí)施例。
磁化電流波形最有效的勵(lì)磁電流波形實(shí)施例為間歇梯形波，且要具有較陡峭的前后沿(近似方波)。如圖1A所示，當(dāng)磁化電流11由零值上升的初期，工件處于弱場(chǎng)磁化，因此磁致應(yīng)變12為正值，即有伸長(zhǎng)變形，且很快達(dá)到最大值。當(dāng)勵(lì)磁電流進(jìn)一步上升時(shí)，工件處于強(qiáng)場(chǎng)磁化，磁致應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，即有收縮變形，在電流達(dá)到梯形波峰值時(shí)，應(yīng)變達(dá)到最大負(fù)值。當(dāng)電流下降至較小值時(shí)，磁致應(yīng)變又迅速變?yōu)檎?。如此正?fù)交替，且梯形波的較陡峭的前后沿既使應(yīng)變值的變化來(lái)得及發(fā)生，又使應(yīng)變值的正負(fù)變化速率相當(dāng)快，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，足以驅(qū)動(dòng)微區(qū)內(nèi)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。
另一勵(lì)磁電流波形實(shí)施例可采用低頻正弦波勵(lì)磁電流也能取得較好的效果。低頻正弦波形勵(lì)磁電流經(jīng)相同的磁化器使工件磁化過(guò)程，也能在工件激勵(lì)起與間歇梯形波磁化時(shí)相似的正負(fù)交替的磁致應(yīng)變，如圖1B所示，即一定程度的磁致振動(dòng)。其原理也是由于鋼鐵材料在弱場(chǎng)與強(qiáng)場(chǎng)作用時(shí)其磁致伸縮系數(shù)正負(fù)不同。但是，由于正弦波激磁電流的變化速率沒(méi)有間歇梯形波勵(lì)磁電流的波的前后沿那么陡峭，所以其所激勵(lì)的磁致應(yīng)變的動(dòng)態(tài)特性稍差，因而采用低頻正弦波勵(lì)磁電流磁化處理雖然也能獲得較明顯的效果，但比間歇梯形波稍遜。
磁處理參數(shù)的選擇與優(yōu)化磁處理過(guò)程的動(dòng)態(tài)磁致伸縮激勵(lì)高應(yīng)力區(qū)內(nèi)位錯(cuò)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，引起彌散分布的微區(qū)塑性變形，從而使內(nèi)應(yīng)力發(fā)生松弛。這是一個(gè)有內(nèi)部損耗的過(guò)程，需要一個(gè)短暫的弛豫時(shí)間。如果勵(lì)磁電流的變化頻率過(guò)快，就不能在工件內(nèi)形成具有大振幅的“磁致振動(dòng)”，相應(yīng)的微區(qū)塑性變形也來(lái)不及發(fā)生，應(yīng)力就得不到松弛。而如果勵(lì)磁電流頻率過(guò)低，由在弱場(chǎng)—強(qiáng)場(chǎng)中材料的磁致伸縮系數(shù)正負(fù)變化而導(dǎo)致的內(nèi)部磁致振動(dòng)也不能形成，內(nèi)應(yīng)力也得不到有效的松弛。本發(fā)明的有效頻率范圍為1-30赫茲，而以2-5赫茲為最佳實(shí)施例。
磁處理的磁場(chǎng)強(qiáng)度也必須達(dá)到一定值以上才能有效地降低內(nèi)應(yīng)力。與所設(shè)計(jì)的磁化器相配合，采用所設(shè)計(jì)的間歇梯形波或低頻正弦波電流，當(dāng)磁化電流達(dá)到200A以上時(shí)，相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為20000A/m以上，可以得到良好的降低應(yīng)力的效果。
裝置輸出具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流的電源的實(shí)施例可采用一臺(tái)大功率晶體管焊接電源，如TR-MMA440型。
本實(shí)施例采用的π型磁化器，是能使磁化電流將工件中高內(nèi)應(yīng)力區(qū)強(qiáng)烈磁化的磁化器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為減低因渦流損耗而使磁化器溫升過(guò)高，磁化器鐵心21由硅鋼片疊制而成。硅鋼片鐵心端部加有具有更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵鈷極靴22，以提高磁處理時(shí)磁化器的局部磁化場(chǎng)強(qiáng)。為減少漏磁和便于磁處理時(shí)磁化器的逐步移動(dòng)，勵(lì)磁線(xiàn)圈23分三段分布于鐵心上，磁化線(xiàn)圈共40匝。勵(lì)磁線(xiàn)圈采用φ3mm雙玻璃絲包銅線(xiàn)繞制，并經(jīng)絕緣處理。
本發(fā)明的方法與技術(shù)在具有不同原始內(nèi)應(yīng)力水平(100MPa-600MPa)的不同材質(zhì)(16Mn，15MnMoVNR及30CrMnSiA鋼)的不同厚度(3mm-32mm)試件與工件中的應(yīng)用均取得了良好的降低內(nèi)應(yīng)力效果，內(nèi)應(yīng)力平均下降了32％。而且，用本發(fā)明的技術(shù)進(jìn)行降低內(nèi)應(yīng)力處理后不只是原有高應(yīng)力區(qū)的內(nèi)應(yīng)力下降，而是整個(gè)工件內(nèi)應(yīng)力均發(fā)生了下降和重新分布。圖3示出了薄板焊接試樣磁處理降低應(yīng)力的效果。圖3中σx為縱向內(nèi)應(yīng)力，MPa，l為距試樣中心線(xiàn)的距離，mm；3.1為磁處理前的內(nèi)應(yīng)力值；3.2為磁處理后的內(nèi)應(yīng)力值采用激光密柵進(jìn)行測(cè)試表明，磁處理后試樣產(chǎn)生了一定內(nèi)不可恢復(fù)性的應(yīng)變，這與工件的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生松馳與下降相一致，而對(duì)磁處理前后工件內(nèi)取樣進(jìn)行電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其位錯(cuò)分布形態(tài)發(fā)生了明顯變化，這在一定程度上說(shuō)明了磁處理降低內(nèi)應(yīng)力的微觀機(jī)制。
應(yīng)用本實(shí)施例的方法及裝置 在兩塊厚度為32mm的16Mn鋼板的拼焊工件上，成功地運(yùn)用間歇梯形波實(shí)施磁處理，取得了縱向與橫向內(nèi)應(yīng)力均發(fā)塵明顯下降的效果。鋼板為16Mn材質(zhì)，每塊鋼板尺寸為長(zhǎng)366mm，寬215mm，對(duì)接處開(kāi)X型坡上，如圖4所示。磁處理?xiàng)l件為梯形間歇波，磁場(chǎng)強(qiáng)度為20KA/m，頻率為2Hz。經(jīng)磁場(chǎng)處理后，厚板對(duì)接工件內(nèi)焊縫兩側(cè)的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了明顯降低，如圖5所示。距焊縫中心10mm處(緊鄰焊縫邊沿附近)的內(nèi)應(yīng)力從299MPa降低至178MPa，降低幅值達(dá)40％左右。圖5中A為縱向內(nèi)應(yīng)力(MPa)，B為橫向內(nèi)應(yīng)力(MPa)，5.1為磁處理前的內(nèi)應(yīng)力值，5.2為磁處理后的內(nèi)應(yīng)力值。
權(quán)利要求
1.一種降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法，其特征在于，將待處理的鋼鐵工件置于一磁場(chǎng)強(qiáng)度為周期性變化的磁場(chǎng)中。
2.如權(quán)利要求1所述的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法，其特征在于，所說(shuō)的磁場(chǎng)由電源輸出的具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流通過(guò)磁化器而產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求1所述的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法，其特征在于，所說(shuō)的低頻脈沖波形為具有較陡峭的前后沿的間歇梯形波，或采用低頻正弦波。
4.如權(quán)利要求1所述的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法，其特征在于，所說(shuō)的低頻脈沖波的頻率范圍為1-30赫茲。
5.如權(quán)利要求1所述的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的方法，其特征在于，所說(shuō)的磁化電流為200A以上，相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為20000A/m以上。
6.一種采用如權(quán)利要求1所述方法的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的裝置，其特征在于，包括輸出具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流的電源及該電源的輸出端相連的磁化器。
7.如權(quán)利要求6所述的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的裝置，其特征在于，所說(shuō)的電源采用一臺(tái)大功率晶體管焊接電源。
8.如權(quán)利要求6所述的降低鋼鐵工件中內(nèi)應(yīng)力的裝置，其特征在于，所說(shuō)的磁化器包括由硅鋼片疊制而成的π型磁化器鐵心，該鐵心端部加有具有更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵鈷極靴，分布于鐵心上勵(lì)磁線(xiàn)圈。
全文摘要
本發(fā)明屬金屬材料處理技術(shù)領(lǐng)域,其方法是將待處理的鋼鐵工件置于一磁場(chǎng)強(qiáng)度為周期性變化的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)由電源輸出的具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流通過(guò)磁化器而產(chǎn)生,低頻脈沖波形為具有較陡峭的前后沿的間歇梯形波。其裝置包括輸出具有低頻脈沖波形的勵(lì)磁電流的電源及該電源的輸出端相連的磁化器。本發(fā)明能有效地降低內(nèi)應(yīng)力,方便易行,不需昂貴的設(shè)備及消耗大量燃料,成本低且無(wú)污染,可大幅度降低其內(nèi)應(yīng)力,以使結(jié)構(gòu)能安全地工作。
文檔編號(hào)C21D10/00GK1270234SQ00105940
公開(kāi)日2000年10月18日 申請(qǐng)日期2000年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者鹿安理, 方慧珍, 吳甦, 趙海燕, 唐非 申請(qǐng)人:清華大學(xué)