CN110229956A - 一种钢材残余应力去除装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钢材残余应力去除装置。本发明提供的钢材残余应力去除装置包括电源和电磁能发生器。电磁能发生器包括线圈骨架和铜导体，线圈骨架的侧壁上纵向开设有贯穿的狭缝，铜导体绕制在线圈骨架上。电源与铜导体连接，电源产生的电流大小周期性变化。本发明提供的钢材残余应力去除装置，单位长度消除残余应力时间较短，残余应力消除效率高。在消除残余应力过程中，没有接触到产品表面，处理的温度为常温，其温度较低，不会使接头显微组织发生变化，即不会发生相变，因此不会影响产品的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及残余应力去除领域，特别是涉及一种钢材残余应力去除装置。
背景技术
钢材在冷加工过程中由于不均匀塑性变形极易产生残余应力，如棒材和无缝钢管的矫直过程、板材的冷轧过程等。残余应力的存在会对钢材后续使用及加工产生不利影响。经矫直后的棒材及无缝钢管、冷轧后的板材，在后续加工过程中，由于残余应力的释放及重新分布，会使钢材发生一定的变形，会影响产品的尺寸及装配精度。同时，残余应力与材料内部的位错密度及分布状态有密切联系，其表面的硬度会升高，脆性增加，塑性及韧性下降，影响产品的质量和使用性能。因此，生产中要求矫直及冷轧后产品内部的残余应力尽量小且相对均匀。
钢材的残余应力和硬度的升高与材料内部微观区域内的位错分布状态有密切联系，当晶体内的位错能够开动、合并、均匀化、消失等现象发生时，残余应力水平和表面硬度会迅速下降。但要使位错产生以上现象时，需外界提供能量，使位错达到发生以上变化的临界能量。生产中，常规热处理会把整个产品放入热处理炉中进行热处理，虽然可以对产品的残余应力进行去除，但是，热处理时间长，效率较低，会使接头产生回火现象，形成回火组织，改变了接头显微组织，影响到产品的综合性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢材残余应力去除装置，单位长度消除残余应力时间较短，残余应力消除效率高。在消除残余应力过程中，没有接触到产品表面，处理的温度为常温，其温度较低，不会使接头显微组织发生变化，即不会发生相变，因此不会影响产品的综合性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种钢材残余应力去除装置，所述装置包括：电源和电磁能发生器；其中，
所述电磁能发生器包括线圈骨架和铜导体，所述线圈骨架的侧壁上纵向开设有贯穿的狭缝，所述铜导体绕制在所述线圈骨架上；
所述电源与所述铜导体连接，所述电源产生的电流大小周期性变化。
可选的，所述线圈骨架的横截面位于一个虚拟的圆环或圆角矩形环上。
可选的，所述电磁能发生器的数量大于或者等于2，各所述电磁能发生器同轴设置。
可选的，相邻所述电磁能发生器之间的间距范围为140～180mm。
可选的，所述装置还包括夹持输送辊，所述夹持输送辊包括多个辊筒，相邻的所述电磁能发生器之间设置有一个或多个所述辊筒。
可选的，所述铜导体为铜丝或等截面的矩形铜线，所述铜丝的直径范围为2～10mm。
可选的，所述铜导体为铜管，所述铜管的外径范围为3～10mm，所述铜管的壁厚范围为1～3mm。
可选的，所述装置还包括水冷换热器，所述水冷换热器的出水口与所述铜管的进水口连接，所述水冷换热器的回水口与所述铜管的回水口连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的钢材残余应力去除装置包括电源和电磁能发生器。电磁能发生器包括线圈骨架和铜导体，线圈骨架的侧壁上纵向开设有贯穿的狭缝，铜导体绕制在线圈骨架上。电源与铜导体连接，电源产生的电流大小周期性变化。本发明提供的钢材残余应力去除装置，单位长度消除残余应力时间较短，残余应力消除效率高。在消除残余应力过程中，没有接触到产品表面，处理的温度为常温，其温度较低，不会使接头显微组织发生变化，即不会发生相变，因此不会影响产品的综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种钢材残余应力去除装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的去除单根棒材残余应力的电磁能发生器的结构图；
图3为本发明实施例提供的去除多根棒材残余应力的电磁能发生器的横截面图；
图4为本发明实施例提供的去除无缝钢管残余应力的电磁能发生器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的去除多根无缝钢管残余应力的电磁能发生起的横截面图；
图6为本发明实施例提供的去除板材残余应力的电磁能发生器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的电源电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种钢材残余应力去除装置，单位长度消除残余应力时间较短，残余应力消除效率高。在消除残余应力过程中，没有接触到产品表面，处理的温度为常温，其温度较低，不会使接头显微组织发生变化，即不会发生相变，因此不会影响产品的综合性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种钢材残余应力去除装置的结构示意图。图2为本发明实施例提供的去除单根棒材残余应力的电磁能发生器的结构图，其中，图2的(a)部分为去除单根棒材残余应力的电磁能发生器的结构示意图，图2的(b)部分为去除单根棒材残余应力的电磁能发生器的横截面图，图2的(c)部分为去除单根棒材残余应力的电磁能发生器的纵截面图。图3为本发明实施例提供的去除多根棒材残余应力的电磁能发生器的横截面图。图4为本发明实施例提供的去除无缝钢管残余应力的电磁能发生器的结构示意图，其中，图4的(a)部分为去除无缝钢管残余应力的电磁能发生器的结构示意图，图4的(b)部分为去除无缝钢管残余应力的电磁能发生器的横截面图，图4的(c)部分为去除无缝钢管残余应力的电磁能发生器的纵截面图。图5为本发明实施例提供的去除多根无缝钢管残余应力的电磁能发生起的横截面图。图6为本发明实施例提供的去除板材残余应力的电磁能发生器的结构示意图，其中，图6的(a)部分为去除板材残余应力的电磁能发生器的结构示意图，图6的(b)部分为去除板材残余应力的电磁能发生器的横截面图，图6的(c)部分为去除板材残余应力的电磁能发生器的纵截面图。
如图1～图6所示，钢材残余应力去除装置包括：电源1和电磁能发生器。所述电磁能发生器包括线圈骨架21和铜导体22。所述线圈骨架21的横截面位于一个虚拟的圆环或圆角矩形环上，所述线圈骨架21的侧壁上纵向开设有贯穿的狭缝，狭缝宽度范围为5-10mm，所述铜导体22绕制在所述线圈骨架21上。所述电源1与所述铜导体22连接，电源1的正极接铜导体线圈的正极，电源1的负极接铜导体线圈的负极。图7为本发明实施例提供的电源电流波形图，其中，图7的(a)部分为矩形波波形图，图7的(b)部分为三角波波形图，图7的(c)部分为震荡波波形图，图7的(d)部分为正弦波波形图。如图7可见，电源1产生的电流大小周期性变化，电源1可输出的电流波形包括震荡波、三角波、矩形波和正弦波，电流经过电磁发生器后可输出具有瞬时较大磁场强度的电磁能。电源1的输入电流为1～500A，输入电压为380V，输出峰值电流为10～1000A，占空比为0～100％，频率为10～1000Hz。
作为一种优选方式，所述装置还包括夹持输送辊，用于支撑被处理的钢材5，并使钢材发生定向移动。所述夹持输送辊包括多个辊筒3，相邻的所述电磁能发生器之间设置有一个或多个所述辊筒3。夹持输送辊可对钢材起到夹持、支撑、固定和运输的作用，使钢材发生定向运动，还可以根据需要改变运动速度，从而改变处理时间等。钢材在夹持输送辊的辊道上运动时，可能会发生左右滚动，尤其是棒材和无缝钢管，夹持辊筒3可以对其进行夹持，防止其左右滚动。同时，运动的钢材不能和线圈支架产生碰撞，夹持辊筒3可以将其架空，保证其表面与线圈支架内壁之间的间距。在钢材进行残余应力去除过程中，由于强大的电磁力等作用，会使钢材产生震动，夹持辊筒3还可以固定被处理钢材，使其不易发生震动。
实际使用中，所述铜导体22可选用直径范围为2～10mm的铜丝或等截面的矩形铜线，也可以选用铜管。所述铜管的外径范围为3～10mm，所述铜管的壁厚范围为1～3mm，每个所述电磁能发生器上铜导体线圈的匝数范围为20～100匝，铜管之间通过绝缘丝带进行绝缘。
为了提高消除应力处理效率，所述电磁能发生器的数量可设置为大于或者等于2，各所述电磁能发生器同轴设置，且采用并联或串联方式进行连接。相邻所述电磁能发生器之间的间距g的范围为140～180mm。线圈的厚度e、和长度f，可根据铜管或铜线的直径、匝数、电磁能发生器输出功率等进行匹配，单个电磁能发生器的电感在200～1000μH范围内。具体应用中，电磁发生器的个数与被处理钢材的长度、运动速度等存在一定的关系，要确保被处理钢材的单位面积所接受处理的时间为10s～60s。如，钢材单位面积需要处理的时间为10s，单个电磁能发生器的长度f为1m，钢材运行速度v为1m/s，钢材表面上的一点在电磁能发生器内停留的时间为t＝f/v＝1s，根据钢材单位面积处理时间不能低于10s的要求，需要增加至至少10个电磁能发生器，从而确保钢材单位面积处理时间在10s以上。生产中，钢材的运行速度一般不能改变，会影响生产效率，所以可增加电磁发生器的数量，从而确保处理效果。
钢材残余应力去除装置的冷却系统可以根据需要进行配备，当电磁能发生器不能够通过自然冷却降温时，需要通过冷却系统进行强制降温。冷却方式可采用铜管内通冷却水、空气或水雾等方式，也可以在电磁发生器外放置电风扇进行外部冷却。本实施例中，所述装置还包括水冷换热器4，所述水冷换热器4的出水口与所述铜管的进水口连接，所述水冷换热器4的回水口与所述铜管的回水口连接。具体地，水冷换热器4包括集水箱、水管和循环泵。集水箱的出口用水管连接，水管的另一端接铜管线圈的进水口，线圈铜管的出水口用另一根水管连接循环泵后，再接集水箱回水口，完成冷却循环。水冷换热器的入口水温为20～30℃，出口水温需低于55℃，冷却水流量为0.5～3m3/h，循环泵用于泵送冷却水，集水箱用于存放冷却水。
实际应用中，线圈骨架21通常为不导磁的片状材料围成的环状结构，片与片之间具有间隔，可起到中断线圈骨架内部的磁回路的作用，可选择陶瓷、刚玉或奥氏体不锈钢。线圈骨架用于固定和防护线圈，其厚度c为2～10mm，其主要作用是对绕制好的线圈起到支撑和固定的作用。同时，线圈骨架内壁到被处理钢材5的表面之间的距离b为1～50mm，防止运动的钢材在处理过程中对线圈产生剐蹭，导致线圈碰撞变形和短路。
本发明提供的钢材残余应力去除装置的使用操作过程如下：
若电磁能发生器需要冷却，则通冷却水之后，打开电源系统，输入规定的电流、电压和相应的电流波形，此时电磁能发生器产生磁场，之后被处理钢材由夹持输送辊导入电磁能发生器内部，进行电磁能处理，可根据钢材被处理的时间控制夹持输送辊的运行速度，从而控制钢材的运行速度，钢材导出电磁能发生器之后，表面钢材被处理好，整个过程完成。
采用本发明提供的钢材残余应力去除装置对Q235冷轧钢板进行残余应力去除处理。在影响消除残余应力的主要参数中，电流频率、占空比、峰值电流、处理时间和电磁能发生器底部到焊接接头的距离是主要影响因素，当电流频率为10Hz，占空比为20％，处理时间为60s，峰值电流为100A，电磁能发生器底部到焊接接头的距离为5mm时，得到的实验结果如表1所示。
表1实验结果
盲孔法测定的残余应力为平面应力，有X方向应力和Y方向应力。将处理前与处理后的焊接接头残余应力进行对比，可得到应力变化量，由表1可知，经电磁能处理后，X方向应力平均降低幅度为41.6％，Y方向应力平均降低幅度为31.2％。
本发明提供的钢材残余应力去除装置，单位长度消除残余应力时间较短，残余应力消除效率高，针对性强，可以根据实际产品的长度和数量进行电磁能发生器个数及类型的选择，从而进一步减小处理时间。同时，本发明在消除残余应力过程中，没有接触到产品表面，处理的温度为常温，其温度较低，不会产生氧化铁皮等次生缺陷，不会使接头显微组织发生变化，即不会发生相变。装置结构简单，占地面积小，成本低，不会产生次生污染和危害，还具有较强的适应性，可以满足不同厚度、类型及数量的产品。在实际使用中，不会对产品生产节奏等产生影响，可实现在线去应力处理。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种钢材残余应力去除装置，其特征在于，所述装置包括：电源和电磁能发生器；其中，
所述电磁能发生器包括线圈骨架和铜导体，所述线圈骨架的侧壁上纵向开设有贯穿的狭缝，所述铜导体绕制在所述线圈骨架上；
所述电源与所述铜导体连接，所述电源产生的电流大小周期性变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线圈骨架的横截面位于一个虚拟的圆环或圆角矩形环上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁能发生器的数量大于或者等于2，各所述电磁能发生器同轴设置。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，相邻所述电磁能发生器之间的间距范围为140～180mm。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括夹持输送辊，所述夹持输送辊包括多个辊筒，相邻的所述电磁能发生器之间设置有一个或多个所述辊筒。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铜导体为铜丝或等截面的矩形铜线，所述铜丝的直径范围为2～10mm。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述铜导体为铜管，所述铜管的外径范围为3～10mm，所述铜管的壁厚范围为1～3mm。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括水冷换热器，所述水冷换热器的出水口与所述铜管的进水口连接，所述水冷换热器的回水口与所述铜管的回水口连接。
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