专利名称：用低频脉冲磁处理降低钢铁工件中内应力的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料处理技术领域，特别涉及降低钢铁工件中内应力的方法及其装置材料加工过程形成的内应力可导致构件在使用过程发生变形、断裂与应力腐蚀开裂等严重问题。因此对重要的焊接构件、大型铸件、大型锻件及其它一些重要的加工件，必须进行降低内应力处理。现有的降低内应力的主要方法是热处理法。将工件加热至高温，使内应力转化为应变以降低内应力水平。热处理方法虽然能大幅度降低内应力，但需将整个结构或工件加热至高温(对钢结构而言，加热温度为600℃左右)，然后保温、缓冷。这需要巨型加热炉和消耗大量燃料，污染环境且成本极高，所需的周期很也长(加热与冷却需要几十乃至上百小时)，而对许多合金钢构件，热处理还会引起材质发生“再热脆化”，反而易导致工件在服役中发生断裂，这种情况已非属偶见。另外，还有机械拉伸法、机械振动法及爆炸法等。这些方法的局限性在于其降低内应力的效果有限，耗能耗时太多，或者不易控制和不安全，而对某些现场装焊的大型结构(如大型储罐、桥梁及发射塔等)，则根本无法实施。
涉及用磁处理来改变工件与材料中内应力有关的报导尚十分罕见，且距形成一种技术更有很大差距。俄罗斯科学家对船用轮机叶片进行磁处理，叶片的使用寿命提高了2倍，认为这是由于微细结构和相的晶格取向的变化引起的。美国明尼苏达州的Innovex公司，将切削刀具与钻头放进一个简单的螺旋管内进行脉冲磁处理后，使用寿命明显提高，该公司认为这一效果与内应力的降低有关，但却并无任何实际内应力的测定与比较，更没有定量的研究。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种降低钢铁工件中内应力的方法及其装置，用低频脉冲磁对工件进行处理，使之能有效地降低内应力，而且方便易行，不需昂贵的设备，不需消耗大量燃料，成本低且无污染，只需沿整个工件一步步进行处理，即可大幅度降低其内应力，以使结构能安全地工作。
本发明提的一种降低钢铁工件中内应力的方法，其特征在于，将待处理的钢铁工件置于一磁场强度为周期性变化的磁场中。磁场由电源输出的具有低频脉冲波形的励磁电流可通过磁化器而产生。低频脉冲波形可为具有较陡峭的前后沿的间歇梯形波，或采用低频正弦波。低频脉冲波的频率范围可为1-30赫兹。磁化电流可为200A以上，相应的磁场强度为20000A/m以上。
本发明提出的降低钢铁工件中内应力的装置，包括输出具有低频脉冲波形的励磁电流的电源及该电源的输出端相连的磁化器。电源可采用一台大功率晶体管焊接电源。磁化器可包括由硅钢片叠制而成的π型磁化器铁心，该铁心端部加有具有更高的饱和磁感应强度的铁钴极靴，分布于铁心上励磁线圈。
本发明的原理是利用钢铁材料在弱磁场磁化时的磁致伸缩系数为正值，而在强磁场磁化时的磁致伸缩系数为负值这一基本原理，设计相应的磁化电流波形，并使由电源输出的具有所设计波形的励磁电流通过磁化器使工件依一定规律磁化，从而在工件内高内应力区产生强烈的“磁致振动”，促使大量微观区域发生位错运动，造成弥散性微区塑性变形，使内应力发生松弛，以取得降低工件内应力的效果。
本发明的效果本发明采用可调频率与场强的低频脉冲磁场处理铁磁性材质工件，可在工件内部引起动态交变伸缩位移，从而导致磁致振动。此时工件在宏观上尚处于弹性应变范围，但在许多区域内则可产生微观塑性变形，从而使工件中因冷、热加工形成的内应力发生松驰，取得应力水平大幅度降低的效果。这是一种降低内应力的新的物理学方法，具有简单、易行和无污染等明显优点。
附图的简单说明
图1为本发明的两种有效的磁化电流波形其中图1A为间歇梯形波，图1B为低频正弦波示意图。
图2为本发明的π形磁化器实施例结构示意图。
图3为本实施例的薄板焊接试样低频交变磁处理效果图。
图4为本发明应用于厚板对接工件及坡口示意图。
图5为厚板对接工件磁处理前后内应力比较示意图；其中图5A为纵向内应力(MPa)，图5B为横向内应力(MPa)。
实现本发明的关键，是设计能最有效地在工件内引起大振幅交变磁致应变的励磁电流波形、能使具有所设计波形的电流将工件强烈磁化的专门磁化器设计以及磁处理参数的合理选择与优化。下面结合各附图详细说明本发明所述方法及装置的实施例。
磁化电流波形最有效的励磁电流波形实施例为间歇梯形波，且要具有较陡峭的前后沿(近似方波)。如图1A所示，当磁化电流11由零值上升的初期，工件处于弱场磁化，因此磁致应变12为正值，即有伸长变形，且很快达到最大值。当励磁电流进一步上升时，工件处于强场磁化，磁致应变为负值，即有收缩变形，在电流达到梯形波峰值时，应变达到最大负值。当电流下降至较小值时，磁致应变又迅速变为正值。如此正负交替，且梯形波的较陡峭的前后沿既使应变值的变化来得及发生，又使应变值的正负变化速率相当快，具有良好的动态特性，足以驱动微区内位错的运动。
另一励磁电流波形实施例可采用低频正弦波励磁电流也能取得较好的效果。低频正弦波形励磁电流经相同的磁化器使工件磁化过程，也能在工件激励起与间歇梯形波磁化时相似的正负交替的磁致应变，如图1B所示，即一定程度的磁致振动。其原理也是由于钢铁材料在弱场与强场作用时其磁致伸缩系数正负不同。但是，由于正弦波激磁电流的变化速率没有间歇梯形波励磁电流的波的前后沿那么陡峭，所以其所激励的磁致应变的动态特性稍差，因而采用低频正弦波励磁电流磁化处理虽然也能获得较明显的效果，但比间歇梯形波稍逊。
磁处理参数的选择与优化磁处理过程的动态磁致伸缩激励高应力区内位错发生运动，引起弥散分布的微区塑性变形，从而使内应力发生松弛。这是一个有内部损耗的过程，需要一个短暂的弛豫时间。如果励磁电流的变化频率过快，就不能在工件内形成具有大振幅的“磁致振动”，相应的微区塑性变形也来不及发生，应力就得不到松弛。而如果励磁电流频率过低，由在弱场—强场中材料的磁致伸缩系数正负变化而导致的内部磁致振动也不能形成，内应力也得不到有效的松弛。本发明的有效频率范围为1-30赫兹，而以2-5赫兹为最佳实施例。
磁处理的磁场强度也必须达到一定值以上才能有效地降低内应力。与所设计的磁化器相配合，采用所设计的间歇梯形波或低频正弦波电流，当磁化电流达到200A以上时，相应的磁场强度为20000A/m以上，可以得到良好的降低应力的效果。
装置输出具有低频脉冲波形的励磁电流的电源的实施例可采用一台大功率晶体管焊接电源，如TR-MMA440型。
本实施例采用的π型磁化器，是能使磁化电流将工件中高内应力区强烈磁化的磁化器，其结构如图2所示。为减低因涡流损耗而使磁化器温升过高，磁化器铁心21由硅钢片叠制而成。硅钢片铁心端部加有具有更高的饱和磁感应强度的铁钴极靴22，以提高磁处理时磁化器的局部磁化场强。为减少漏磁和便于磁处理时磁化器的逐步移动，励磁线圈23分三段分布于铁心上，磁化线圈共40匝。励磁线圈采用φ3mm双玻璃丝包铜线绕制，并经绝缘处理。
本发明的方法与技术在具有不同原始内应力水平(100MPa-600MPa)的不同材质(16Mn，15MnMoVNR及30CrMnSiA钢)的不同厚度(3mm-32mm)试件与工件中的应用均取得了良好的降低内应力效果，内应力平均下降了32％。而且，用本发明的技术进行降低内应力处理后不只是原有高应力区的内应力下降，而是整个工件内应力均发生了下降和重新分布。图3示出了薄板焊接试样磁处理降低应力的效果。图3中σx为纵向内应力，MPa，l为距试样中心线的距离，mm；3.1为磁处理前的内应力值；3.2为磁处理后的内应力值采用激光密栅进行测试表明，磁处理后试样产生了一定内不可恢复性的应变，这与工件的内应力发生松驰与下降相一致，而对磁处理前后工件内取样进行电子显微镜观察，发现其位错分布形态发生了明显变化，这在一定程度上说明了磁处理降低内应力的微观机制。
应用本实施例的方法及装置 在两块厚度为32mm的16Mn钢板的拼焊工件上，成功地运用间歇梯形波实施磁处理，取得了纵向与横向内应力均发尘明显下降的效果。钢板为16Mn材质，每块钢板尺寸为长366mm，宽215mm，对接处开X型坡上，如图4所示。磁处理条件为梯形间歇波，磁场强度为20KA/m，频率为2Hz。经磁场处理后，厚板对接工件内焊缝两侧的内应力发生了明显降低，如图5所示。距焊缝中心10mm处(紧邻焊缝边沿附近)的内应力从299MPa降低至178MPa，降低幅值达40％左右。图5中A为纵向内应力(MPa)，B为横向内应力(MPa)，5.1为磁处理前的内应力值，5.2为磁处理后的内应力值。
权利要求
1.一种降低钢铁工件中内应力的方法，其特征在于，将待处理的钢铁工件置于一磁场强度为周期性变化的磁场中。
2.如权利要求1所述的降低钢铁工件中内应力的方法，其特征在于，所说的磁场由电源输出的具有低频脉冲波形的励磁电流通过磁化器而产生。
3.如权利要求1所述的降低钢铁工件中内应力的方法，其特征在于，所说的低频脉冲波形为具有较陡峭的前后沿的间歇梯形波，或采用低频正弦波。
4.如权利要求1所述的降低钢铁工件中内应力的方法，其特征在于，所说的低频脉冲波的频率范围为1-30赫兹。
5.如权利要求1所述的降低钢铁工件中内应力的方法，其特征在于，所说的磁化电流为200A以上，相应的磁场强度为20000A/m以上。
6.一种采用如权利要求1所述方法的降低钢铁工件中内应力的装置，其特征在于，包括输出具有低频脉冲波形的励磁电流的电源及该电源的输出端相连的磁化器。
7.如权利要求6所述的降低钢铁工件中内应力的装置，其特征在于，所说的电源采用一台大功率晶体管焊接电源。
8.如权利要求6所述的降低钢铁工件中内应力的装置，其特征在于，所说的磁化器包括由硅钢片叠制而成的π型磁化器铁心，该铁心端部加有具有更高的饱和磁感应强度的铁钴极靴，分布于铁心上励磁线圈。
全文摘要
本发明属金属材料处理技术领域,其方法是将待处理的钢铁工件置于一磁场强度为周期性变化的磁场中,磁场由电源输出的具有低频脉冲波形的励磁电流通过磁化器而产生,低频脉冲波形为具有较陡峭的前后沿的间歇梯形波。其装置包括输出具有低频脉冲波形的励磁电流的电源及该电源的输出端相连的磁化器。本发明能有效地降低内应力,方便易行,不需昂贵的设备及消耗大量燃料,成本低且无污染,可大幅度降低其内应力,以使结构能安全地工作。
文档编号C21D10/00GK1270234SQ00105940
公开日2000年10月18日 申请日期2000年4月21日 优先权日2000年4月21日
发明者鹿安理, 方慧珍, 吴甦, 赵海燕, 唐非 申请人:清华大学