CN101215630A - 电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，所述装置包括升压整流单元、高压储能单元和脉冲放电单元，其中，脉冲放电单元输出的两个端子通过卡具连接焊接结构件。采用瞬间高压脉冲放电的办法实现焊接结构焊缝裂纹止裂及结构强化，通过卡具将电极固定在焊接结构件上，使电极表面与焊接结构表面紧密贴合，并且使正负电极对焊缝形成跨越式，应用数值模拟或理论分析确定放电电压及放电时间等基本参数。电磁热效应焊缝微裂纹止裂及强化，遏制了微裂纹的发展，实现了焊缝附近组织的超细化，去除了焊缝内的残余应力，进而达到焊接结构强化增韧的目的。同时不改变不含裂纹焊接结构基体的组织和性能，具有实施方法简单、瞬间完成、成本低廉和在线强化修复等优点。

Description

电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置

技术领域

本发明涉及一种焊接结构疲劳与断裂技术领域，特别是涉及一种电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置。

背景技术

随着科学的进步和工业技术的发展，延长各种类型焊接结构、产品的服务寿命，提高工作的安全性、可靠性的需求越显迫切。焊接接头是金属焊接结构件中的薄弱环节，焊接结构的焊接接头是由力学和冶金性能非均质材料构成，而且还在焊接残余应力直接作用下。一般裂纹在焊缝内起裂，然后偏向母材并在其中扩展。由于焊接接头裂纹开裂导致的焊接结构断裂在实际生产中大量存在，每年带来的经济和社会损失十分巨大，鉴于目前还没有一项很好的裂纹愈合技术应用到焊接结构中，做到焊接裂纹愈合处理后不改变材料不含裂纹部分的原有组织结构和基本性能，更没有能同时实现裂纹止裂，达到组织细化和增韧强化的方法。

发明内容

由瞬间脉冲电流产生的金属电磁热效应是一种重要的有发展前景的非平衡处理技术，本发明提供一种电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，该装置通过焊接金属的电磁热效应实现焊接构件焊缝中微裂纹的止裂，遏制了微裂纹和微缺陷的发展，实现了焊缝附近金属组织的超细化，改善了构件的内部应力状态，实现了强化修复，同时不改变不含裂纹焊接结构基体的组织和性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，包括升压整流单元、高压储能单元和脉冲放电单元，其中，脉冲放电单元输出的两个端子通过卡具连接焊接件。

升压整流单元由调压器T1、升压变压器T2、三相整流器、升压整流控制器组成，调压器T1由三相交流接触器J1、熔断器(RD1-RD3)分别接入三相交流电源的A、B、C相，调压器T1的三相输出分别接入升压变压器T2的三相输入，升压变压器T2的接线组别是Y0/d11；升压变压器T2的三相输出接入三相整流器的输入，三相整流器的输出通过限流电阻R1接到高压储能单元。输入到调压器T1的三相交流电源通过交流接触器J1的常开节点控制。升压整流控制器的工作电源接自三相交流电源的A相，经控制开关K、熔断器RD0控制。交流接触器J1的线圈串接有接地开关Q4的常闭点、充电开关Q2和零位开关常开点、停充开关Q3的常闭点。交流接触器J1的一常开点与充电开关Q2的常开点并联形成自保持。线圈串接有三相交流电源该设备电路原理，直流充电和控制回路及触发回路参数及高压脉冲放电电流幅值和放电周期。

高压储能单元采用小电流充电方式，三相整流器的输出通过限流电阻R1接到高压储能单元。高压储能单元由电容器组C0并联而成，它的两端并有直流高电压分压器，直流高电压分压器由分压电阻R1、R2、电压表V构成。它的两端还并有接地放电回器，接地放电回器由电阻R2、交流接触器J2的常闭节点串联而成。

脉冲放电单元采用瞬间超强脉冲放电的方式，放电开关一端与高压储能单元相连，一端与通过卡具与焊接试件相接，实现电极与焊接试件的装卡，使得待修复的焊缝位于强化装置正负电极之间。流过焊接试件中的强脉冲电流经测量传感器送到数字存储示波器。放电开关的触发是由触发控制单元实现的，即应用电磁热效应焊缝裂纹止裂与强化装置实现，利用其产生的瞬间高压脉冲电流来进行工作的，放电时间在几十个微秒范围内。

控制单元元的工作电源引自三相交流电的A相，经二极管D7电阻R5接到触发变压器T4的原边(14端子)，可控硅SCR串接于触发变压器T4的原边(15端子)，电容器与触发变压器T4的原边绕组并联。可控硅SCR的触发脉冲由变压器T3的副边绕组(12、13端子)、二极管D8构成的半波整流电路提供，经点火按钮Q5给可控硅SCR的门极提供触发脉冲。

本发明的有益效果是：本发明利用电磁热效应放电焊缝裂纹止裂与强化装置(脉冲电流可以达到140KA)，瞬间(几十个微秒)、短脉冲的超强电流通过焊接结构，由于电流在焊缝处微裂纹(含微缺陷、微裂纹等)处的绕流热集中效应，使微缺陷和微裂纹尖端瞬间发生爆炸性汽化，产生高温、高压的等离子，该等离子受到附近金属组织的约束产生瞬间高强度冲击，冲击焊缝处金属组织，在焊缝处形成高密集、稳定的位错结构，超细化了微裂纹处的金属组织，使微裂纹尖端钝化，抑制了干线裂纹源的开裂趋势，提高了裂纹的扩展功，并残留很大的压应力，从而提高了焊接结构的多种机械性能(强度性能、耐腐蚀性能、抗疲劳性能和强韧性)，进而达到焊接结构焊缝裂纹止裂及结构强化的目的。同时，该方法具有仅改变焊缝处微缺陷和微裂纹附近的金属组织，对于焊接结构无缺陷附近的金属组织机械性能几乎没有影响，无缺陷处瞬间温升仅为20～200℃左右。通过卡具将电极装卡在焊接构件上，使电极表面与焊接结构表面紧密贴合，并且使正负电极对焊缝形成跨越式，采用焊接结构电磁热的原理实现裂纹止裂及结构强化具有实施方法简单，瞬间完成(放电时间不超过100微秒，充电时间为120秒以内)，本发明的处理成本估算仅为焊后整体热处理的1/7，表面热喷涂的1/25，而且实施方便，成本低廉和在线强化修复等优点，具有重要的应用推广价值。

附图说明

图1是电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置的工作原理框图；

图2是电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置的电路原理图；

图3是圆形焊接试件电磁热止裂强化卡具结构图；

图4是低碳钢裂尖温度场云纹图；

图5是低碳钢裂纹止裂后裂尖宏观形貌(×80)；

图6是合金钢止裂后温度场云纹图；

图7是合金钢止裂后热压应力场云纹图；

图8是合金钢止裂后裂尖形貌(×50)；

图9是合金钢止裂后裂尖微观形貌(×800)；

图10是裂纹尖端金属组织的透射电镜形貌(×8000)；

图11是止裂后试件拉伸应力位移曲线。

在图2、图3中，T1-调压器，T2-升压变压器，T3-变压器，T4-触发变压器，J1-交流接触器，RD1-熔断器，C0-电容器组，D1～D6-三相整流器，1-侧板，2-外锥套，3-内锥套。

具体实施方式

电磁热效应焊缝微裂纹止裂与强化装置各组成部分设计：

1.直流充电装置

当t＝(4～5)τ时，电容器组C0的电压可达到电源电压的98％，即认为充电结束。该装置的充电时间不超过两分钟。

2.主放电回路

主放电回路由电容器组C0、放电开关KK和负载(试件)电阻R₁组成。电容器组C0充电的过程，就是把电网的电能储存到电容器的过程，电容器组C0储存的能量 $W_c=\frac{1}{2}{\mathrm{CE}}^2.$

2.1放电电流幅值

为了使放电能量尽量多地消耗在试件上，放电回路连接导线电阻很小，当电容器组C0储存的能量一定时，提高充电电压、增加电容量是提高放电电流的幅值的有效方法，但会受到装置的限制。回路电感越大，放电电流幅值越小，振荡周期越长，对试件中电磁热效应的瞬时功率集中不利，应尽力科学布线，采取适当的措施，减少回路电感。

2.2影响放电回路电感与电动力的因素

布线时要尽量使导线短、距离小，但要对导线进行加固和绝缘处理，抵抗电动力的破坏作用。

2.3振荡频率f

振荡频率和充电电压无关，只取决于回路的结构参数。要提高振荡频率，必须降低回路电感和电容量，但降低电容量与增加放电能量、提高放电电流幅值是矛盾的。如果需要调整振荡频率，可通过串接电感来实现。

2.4放电电流最大上升速度

放电电流的上升速度是影响止裂效果的一个因素。增加充电电压和减少回路电感都会提高电流上升速度。

3.触发与控制回路

考虑到下述因素：(1)放电电流幅值上百千安；(2)放电电压达几万伏；(3)放电动作比较频繁；(4)要求放电电流上升速度尽量快。放电开关没有采用高压断路器，而是采用了带触发极的放电隔离间隙。触发回路的作用就是提供高压触发点火脉冲，使隔离间隙从绝缘状态快速转向导电状态。控制回路的安全接地与保护等功能。

4.测量回路

为了研究放电电流参数与止裂强化效果之间的关系，准确测量脉冲电流的波形和幅值十分重要。本装置采用了罗柯夫斯基线圈测量放电电流信号，经积分环节A_i将信号还原，送到数字存储示波器上观察放电电流的幅值和波形。采用电阻分压器测量放电电压。

电磁热效应焊缝裂纹止裂与强化装置主要技术参数：

(1)电容器组储能40.5千焦耳；

(2)充电电压3kv-30kv连续可调，装置工作电压30千伏和15千伏两级，其对应的电容分别为90微法和360微法；

(3)整流充电时间15-30秒；

(4)放电峰值电流可达100千安(50微秒半周期时)。20台电容器时放电峰值电流可达140千安，可以实现脉冲放电电流的连续可调；

(5)放电半周期时间50微秒，100微秒，200微秒，500微秒四档，时间误差±10％。20台电容器时半周期时间约增大1.4倍。

本发明具有必要的安全措施，如门的联锁，报警电铃与指示灯齐备。根据具体试件的形状，通过卡具实现电极的不同装卡方式。

电磁热焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置是通过高压脉冲放电来实现焊缝裂纹止裂与强化目的的，对于大型金属焊接结构(焊缝尺寸超过300mm)，通过卡具将电极固定在焊接结构焊缝附近，形成正负极跨越焊缝，在一次或多次脉冲放电后实现微裂纹和微缺陷止裂强化。对于小型焊接结构，可以直接对整个焊接结构放电，进行焊缝微裂纹止裂及焊接结构强化，圆形焊接结构焊缝电磁热强化的卡具见图3。

工作步骤

本发明是通过较长时间小电流给电容器充电蓄能，通过放电开关瞬间放电产生的高压脉冲，电容器将储存的能量释放在工件上进行工作的。

将焊接后的结构件通过卡具与本装置的正负电极固接好，要求电极与试件接触良好，不允许放电中产生打火现象，装卡中让正负电极对焊接结构的焊缝形成跨越式。

首先按下断地按钮Q1，接触器J2线圈失电，其常开节点闭合形成自保持，其常闭节点断开，电容器组C0断开接地，为充电做好准备。按下充电开关Q2以后，此时调压器零位开关和停充开关Q3的常闭节点接通，接触器J1得电，J1的触点将三相电源接入三相调压器T1的原边，调压器T1副边输出的三相电压送到升压变压器T2的低压侧，将经过三相调压变压器T1调整的电压经升压变压器T2升压到原边，升压变压器T2副边的高压电经三相桥式整流器(D1～D6)转换成直流，直流电压经充电电阻R1给电容器组C0充电，当电容器组C₀的电压充电到设定值以后，按下停充按钮Q3，J1失电，断开三相调压器T1的原边电源，充电结束。这时控制回路中的指示电路中红灯变换为黄灯，表示充电结束，这时操作者按下响铃按钮，提醒工作人员将要放电。放电时，通过点火按钮Q5闭合，使得SCR可控硅导通，电容器C1储存的电压和经二极管D7整流的直流电压通过可控硅SCR加在触发变压器T4的原边绕组(14---15端子)，触发变压器T4的副边绕组感应出脉冲电压，此电压加在放电开关的点火极，放电开关KK击穿，电容器组C₀储存的能量瞬间经过放电开关对焊接试件放电。强大的瞬间高压脉冲电流在焊接试件焊缝处裂纹尖端产生电磁热效应，对于焊缝中的埋藏和半埋藏裂纹，足以使其裂尖熔化形成堆焊。同时测量回路通过传感器得到放电脉冲的波形曲线，经数字示波器采集下来。当放电结束后，按下断地按钮Q4，J2失电，J2的常闭节点闭合，电容器组C0两端短接并接地，到此，本次焊接结构焊缝裂纹止裂及焊接结构高压脉冲放电工作结束。卸下强化后的焊接试件。

实验实施例1

普通碳钢焊缝裂纹止裂与焊接结构强化：选用奥氏体不锈钢焊条A132，焊接结构为45号钢标准拉伸试件，采用中间焊接方式。由于拉伸试件较小，采用给焊接结构整体脉冲放电的方式实施焊缝裂纹止裂及结构强化。

采用数值分析的方法研究了电磁热效应微裂纹止裂强化时放电瞬间的温度场。由于放电时间非常短暂，而裂纹尖端附近的放热量很大，其温度变化剧烈，加之有部分材质熔化，属于高度非线性问题。数值模拟中采用了热-电耦合的分析方法。

采用商用有限元软件MARC进行微裂纹止裂强化的数值模拟研究。由图4焊缝微裂纹温度场云纹图可以看出，由于电流的绕流作用，热量主要集中在微裂纹尖端附近，使裂纹尖端温升很大，达1700℃以上，已经超过试件的熔点，此时脉冲电流放电电压为4.5KV。熔化的金属使裂纹尖端超钝化，远离裂纹尖端处温升相对要小得多，接近环境温度，对结构的机械性能几乎没有影响。

数值模拟研究结果确定了脉冲放电电压、作用时间等基本参数。

通过对试件整体放电强化的方式实施。由图5止裂后裂尖形貌可以看出，焊缝微裂纹裂尖变成膨大的圆形，且周围光滑完整，可见裂尖熔化后是在强大的压力作用下凝固结晶的。由于裂尖周围无二次裂纹产生，在冷却凝固过程中，裂尖处压应力始终占主导地位；裂纹前缘瞬间熔化时，裂尖处的应力集中在液态的材料中得以释放；通电瞬间，由于熔化、汽化、空气电离使裂尖处产生了瞬间爆炸力，使熔融的金属液体向四周溅射，致使周围未熔化的金属产生环向和径向压应力；裂纹尖端的金属发生了相变引起的体积膨胀，产生了组织压应力。由于放电时间非常短促，因此所产生的爆炸压力和相变压力二者可能有较大的重叠，形成了强大的合成压应力场。裂纹前缘的焊口和压应力场是使裂纹不再继续延伸的两个主要原因。

实验实施2

合金钢焊缝裂纹止裂与焊接结构强化：选用合金钢焊条，焊接结构为Cr12钢薄板。采用整体放电的方式实施微裂纹止裂及强化。

采用商用有限元软件Ansys进行微裂纹止裂强化的数值模拟研究。由图6温度场云纹图可以看出，由于电流的绕流作用，热量主要集中在微裂纹尖端附近，使裂纹尖端温升很大，达1660℃以上，已经超过试件的熔点，此时放电电压为5KV，脉冲形式为梯形，放电周期为50微秒。熔化的金属使裂纹尖端超钝化，远离裂纹尖端处温升相对要小得多，接近环境温度，对结构的机械性能几乎没有影响。图7等效热应力场云纹图可以看出：焊缝微裂纹止裂后，在很短暂的时间内裂纹尖端附近热压应力迅速增加达到近151MPa，而且热压应力环绕着裂纹，阻止了干线裂纹源的开裂趋势。在裂纹尖端的前沿处热压应力最大，远离裂纹处热压应力很小。

如图8为合金钢焊缝脉冲放电止裂后裂尖形貌(腐蚀后)，微裂纹尖端已经很圆整，边缘光滑整齐呈椭圆形，实现了裂纹钝化，消除了应力集中现象，提高了裂纹的扩展功，达到了裂纹止裂目的。图9为裂尖附近的显微组织图像，整个裂尖被白亮组织所覆盖，白亮组织是由Cr12中的Cr及其化合物，还有氮化物等组成，是由于超强脉冲电流作用使裂尖金属瞬间熔化喷射形成的，白亮组织具有非常高的硬度、耐磨性和热硬性。

图10描绘了裂纹尖端金属组织的透射电镜分析状况，从图中可见放电止裂后，围绕裂纹尖端的金属微观组织为板条状马氏体，在基体上散布着细碳化物颗粒，碳化物分布较均匀。同时在基体上可见高密度的位错团，位错互相缠结。这些微观组织的出现改善了裂尖处的机械性能，使裂尖具有很高的强韧性、热硬性和耐磨性，有效遏制了裂纹的扩展。合金钢焊接结构焊缝裂纹止裂后的金相分析表明，电磁热裂纹止裂使裂纹尖端组织实现了超细化，环绕裂尖形成了白亮组织，并使碳化物细化均布，形成了高密度位错团，提高了裂纹的扩展阻力，提高了裂纹的扩展功，裂尖钝化降低了裂纹尖端的应力集中。这些研究表明焊接结构电磁热效应作用后，提高了其疲劳强度和疲劳寿命。

止裂后力学性能测试

测试实验选择最关键的抗拉强度指标，选用焊接后标准40Cr拉伸试件进行拉伸试验，拉伸试验在WDW3050微机控制电子万能试验机上完成的，试验分两组进行，每组2个焊接试件，焊缝状态完全相同。其中第一组试件对焊缝不进行不放电止裂强化，直接拉伸试验。而第二组试件均采用5kV电压进行焊缝裂纹止裂强化实验，然后进行拉伸测试.

试件1001号(不进行焊缝裂纹止裂与强化)所能承受的最大力Fb为11005N，σ_b约为440MPa；试件1002号(采用焊缝裂纹放电止裂强化)所能承受的最大力Fb为14122.5N，σ_b约为560MPa，拉伸应力位移曲线如图11所示。止裂后承受最大力提高27.74％，即抗拉强度提高27.74％。可见通过脉冲放电的方法能达到焊缝裂纹止裂和焊接结构强化的目的，而且可以较大地提高焊接结构的机械性能。

为减小装置的体积，选择高能量密度的电容器，同时，为减少回路电感及适应频繁放电电流的冲击，选用的是脉冲电容器。该装置放电开关具备稳定的触发性和较宽的放电电压范围。在充电技术中采用了恒流充电技术，减少了能量损耗，缩短了充电时间。其高压脉冲放电装置的安全和接地具有确定的技术保证，为保证安全，该设备配有控制回路与设备隔离之间的连锁装置。

本发明可用于焊接结构件的修复强化，在航空、航天、船舶、核工业、供电器械、石油工业和机械制造等领域具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，其特征是：所述装置包括升压整流单元、高压储能单元和脉冲放电单元，其中，脉冲放电单元输出的两个端子通过卡具连接焊接件。

2.根据权利要求1所述的电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，其特征是：升压整流单元由调压器T1、升压变压器T2、三相整流器(D1～D6)、升压整流控制器组成，调压器T1由三相交流接触器J1、熔断器(RD1～RD3)分别接入三相交流电源的A、B、C相，调压器T1的三相输出分别接入升压变压器T2的三相输入，升压变压器T2的接线组别是Y0/d11；升压变压器T2的三相输出接入三相整流器桥的输入，三相整流器桥的输出通过限流电阻R1接到高压储能单元C0，输入到调压器T1的三相交流电源通过交流接触器J1的常开节点控制；升压整流控制器的工作电源接自三相交流电源的A相，经控制开关K、熔断器RD0控制；交流接触器J1的线圈串接有接地开关Q4的常闭点、充电开关Q2和零位开关常开点、停充开关Q3的常闭点；交流接触器J1的一常开点与充电开关Q2的常开点并联形成自保持。

3.根据权利要求1所述的电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，其特征是：高压储能单元采用小电流充电方式，三相整流器桥的输出通过限流电阻R1接到高压储能单元；高压储能单元由电容器组C0并联而成，它的两端并有直流高电压分压器，直流高电压分压器由分压电阻R1、R2、电压表V构成；它的两端还有接地放电回器，接地放电回器由电阻R2、交流接触器J2的常闭节点串联而成。

4.根据权利要求1所述的电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，其特征是：脉冲放电单元采用瞬间超强脉冲放电的方式，放电开关一端与高压储能单元相连，一端与焊接结构相接；流过试件中的强脉冲电流经测量传感器送到数字存储示波器；放电开关的触发是由触发控制单元实现的。

5.根据权利要求1所述的电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，其特征是：触发控制单元的工作电源引自三相交流电的A相，经二极管D7电阻R5接到触发变压器T4的原边，可控硅SCR串接于触发变压器T4的原边，电容器与触发变压器T4的原边绕组并联；可控硅SCR的触发脉冲由变压器T3的副边绕组、二极管D8构成的半波整流电路提供，经点火按钮Q5给可控硅SCR的门极提供触发脉冲。

6.根据权利要求1或4所述的电磁热效应焊缝裂纹止裂及焊接结构强化装置，其特征是：卡具实现装置与焊接试件的装卡，使得待修复的焊缝位于强化装置正负电极之间。

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