CN110512159B - 一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，包括：处理间，其为中空长方体结构；多个导电接头，其对称设置在处理间轴向两侧内壁上，并穿出处理间；多个装夹卡爪，其设置在处理间内，且分别对称设置在所述导电接头两侧，用于夹持铝合金；电源，其两端分别与位于所述处理间轴向两侧外部的导电接头连接，用于提供脉冲电流。通过在处理间对待处理铝合金进行脉冲电流处理，消除镁合金内加工硬化，并且能够达到和退火处理的等效作用。本发明还一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，通过采集待处理铝合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，能够较优的消除镁合金内加工硬化。

Description

一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置及其控 制方法

技术领域

本发明涉及消除镁合金内加工硬化技术领域，更具体的是，本发明涉及一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置及其控制方法。

背景技术

为降低变形镁合金(挤压、轧制、锻造、冲压、超塑成形)的抗拉强度并提升塑性。根据使用要求和合金性质，往往采用①高温完全退火，要求退火温度高于再结晶温度，并进行长时间的保温来达到消除加工硬化，使之发生回复、再结晶来提升合金塑性；②低温去应力退火，要求退火温度低于再结晶温度，并进行短时间的保温以达到消除合金内部残余应力的目的。因此在镁合金的退火过程中，为保证工件退火质量，针对需求来选取退火参数(退火温度和保温时间)并保持退火环境的稳定性就显得尤为重要。

在现有生产中，镁合金往往是通过退火炉来进行退火处理。传统退火炉具有装载量大、操作便利等优点。但鉴于镁合金在热处理过程中对温度和湿度的高度敏感，镁合金受热不均匀和炉内氛围不稳定等现象可能会造成退火后的镁合金发生翘曲、开裂、表面氧化、腐蚀损耗等问题。同时镁合金的低熔点决定其退火温度也普遍较低，退火环境控制的精密与否极大地影响了镁合金的退火后质量。并且传统退火炉是通过电阻丝等加热部件来进行加热升温，较长的预热时间和退火保温时间导致能源利用率和退火效率低下。综合来看，现有的基于传统退火炉制定的镁合金退火工艺已不能很好地满足目前倡导的高质量、高效率、低能耗的处理要求。

发明内容

为解决因为退火环境恶劣造成的退火质量低劣的问题，本发明的一个目的是设计开发了一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，通过在处理间内设置有导电接头和装夹卡爪，对待处理铝合金进行夹持和脉冲电流处理，消除镁合金内加工硬化，并且能够达到和退火处理的等效作用。

本发明的另一个目的是设计开发一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，通过采集待处理铝合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，能够较优的消除镁合金内加工硬化。

本发明还对脉冲电流的峰值电流密度和脉宽进行校正，能够更好的消除镁合金内加工硬化。

本发明提供的技术方案为：

一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，包括：

处理间，其为中空长方体结构；以及

一对导电接头，其对称设置在所述处理间轴向两侧内壁上，并穿出所述处理间；

多个装夹卡爪，其设置在所述处理间内，且分别对称设置在所述导电接头两侧，用于夹持铝合金；

电源，其两端分别与位于所述处理间轴向两侧外部的所述导电接头连接，用于提供脉冲电流。

优选的是，还包括：

导热油，其设置在所述处理间内；

泄油孔，其设置在所述处理间侧面下部，用于泄出所述导热油；

其中，当所述装夹卡爪夹持铝合金时，所述导热油浸没所述铝合金。

优选的是，还包括：

一对绝缘橡胶圈，其分别套设在对应所述导电接头上，且位于所述导电接头穿过所述处理间处。

优选的是，所述处理间壁面由三层复合结构组成，包括内侧的陶瓷纤维板层、中间的玻璃纤维板层和外侧的钢保护层。

优选的是，所述导电接头和装夹卡爪的材质均为铜。

一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，采集待处理铝合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，其包括如下步骤：

步骤1：采集待处理铝合金的体积以及单位体积内的晶界、位错、亚晶粒和孪晶的含量；

步骤2：确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为待处理铝合金的体积，x₂为待处理铝合金单位体积内的晶界含量，x₃为待处理铝合金单位体积内的位错含量，x₄为待处理铝合金单位体积内的亚晶粒界含量，x₅为待处理铝合金单位体积内的孪晶含量；

步骤3：所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为m个；

步骤4：得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄}；其中，o₁为脉冲电流的峰值电流密度，o₂为脉冲电流的周期，o₃为脉冲电流的脉宽，o₄为脉冲电流的处理时间。

优选的是，所述脉冲电流为方波。

优选的是，还包括：

对脉冲电流的峰值电流密度进行校正：

对脉冲电流的脉宽进行校正：

其中，ξ为脉冲电流的峰值电流密度的校正系数，为脉冲电流的脉宽的校正系数。

优选的是，所述铝合金单位体积内的晶界、位错、亚晶粒和孪晶的含量通过金相显微镜确定。

所述隐层的神经元为5个；所述隐层及所述输出层的激励函数均采用S型函数f_j(x)＝1/(1+e^-x)。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，通过在处理间内设置有导电接头和装夹卡爪，对待处理铝合金进行夹持和脉冲电流处理，消除镁合金内加工硬化，达到和退火处理的等效作用。

(2)本发明设计开发的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，通过采集待处理铝合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，能够较优的消除镁合金内加工硬化。本发明还对脉冲电流的峰值电流密度和脉宽进行校正，能够更好的消除镁合金内加工硬化。

附图说明

图1为本发明所述用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的结构示意图。

图2为本发明所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的局部结构放大示意图。

图3为本发明所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的局部结构放大示意图。

图4为本发明所述装夹卡爪放大结构示意图。

图5为本发明实施例中AZ31B型镁合金冷轧后在500倍放大倍数下的微观组织图像。

图6为本发明实施例中AZ31B型镁合金常规退火后在500倍放大倍数下的微观组织图像。

图7为本发明实施例中AZ31B型镁合金脉冲电流处理后在500倍放大倍数下的微观组织图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-4所示，本发明提供一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，包括：处理间100，其为中空长方体结构；多个铜制导电接头110，其对称设置在处理间100轴向两侧内壁上，并穿出处理间100，以便和电源的导线连接。在位于处理间100内的每个导电接头110两侧对称设置有多个铜制装夹卡爪120，用于夹持铝合金；电源130，其两端分别通过导线与位于处理间100轴向两侧外部的导电接头110连接，用于提供脉冲电流。

在处理间100内设置有导热油(图中未示出)，并在处理间100侧面下部设置有泄油孔140，用于泄出所述导热油。当装夹卡爪120夹持铝合金时，所述的导热油应当浸没铝合金。

所述的处理间100由三层复合结构组成，包括内侧的陶瓷纤维板层、中间的玻璃纤维板层和外侧的钢保护层。

在每个导电接头110上套设有绝缘橡胶圈150，且该绝缘橡胶圈150位于导电接头110穿过处理间100处。由于电源通电之后铜制导电接头110带电，绝缘橡胶圈150起到绝缘作用，避免导电接头110上的电导到处理间100的外侧钢保护层上，避免发生触电隐患。

所述的导电接头110为两个，铜制装夹卡爪120为两组(4个)，满足了可通过多点夹持来保持板材状镁合金在处理过程中稳定的需求，导电接头与装夹卡爪的数量、尺寸、形状可根据所需处理工件的尺寸和数量来进行调整。本实施例中为两组。

所述的中空式的处理间110壁面包括内层的陶瓷纤维层101与中间层的玻璃纤维层102以及最外层钢保护层103。陶瓷纤维抗污能力强，耐磨性高，防腐蚀性好；陶瓷纤维板是一种特别适合于在本发明中作为油浴电处理的保温材料。中间层的玻璃纤维板具有极高的抗击穿强度，可保证装置在工作时的安全性，作为中间层，玻璃纤维板在具有良好的耐热性与绝缘性的同时，更具有优异的机械强度来支撑复合三层的紧密结合。

另外，在处理间100的下部开通了泄油孔140，处理时所用保护液为导热油，导热油具有传热效果好，散热快，热稳定性强等优点。被导热油浸没的待处理镁合金工件在进行脉冲电流处理时产生的焦耳热可被部分传导，进而避免其因过度升温而造成烧损，同时保护镁合金在被处理过程中避免与外界空气接触发生氧化。其次导热油化学性质稳定，不导电的同时也不易燃，而且无味，腐蚀性低，对设备环境影响很小。

通过高密度脉冲电流对镁合金进行通电处理，在高能脉冲电流的作用下，由于焦耳热效应的瞬时性，镁合金在短时间内温度得到提升并保持稳定。同时脉冲电流也会降低镁合金发生静态再结晶的阈值，即在高电流低温度下实现镁合金内残余应力和加工硬化的消除。有别于在传统退火过程中对镁合金内所有晶粒(无论存在缺陷与否)都进行均匀地感应加热，电流的通入会在镁合金的缺陷处产生一种“靶向效应”，这种“靶向效应”即指在合金中，当有电流通过时电子主要会在合金的缺陷处(晶界、位错、亚晶粒、孪晶)对其进行“轰击”并传递能量，这会促进位错的湮灭和晶粒的生长，也避免了能量在无缺陷处的非必要传递导致晶粒过度长大。由于镁合金是在导热油中进行的脉冲电流处理，这使得镁合金的温度得到传导，镁合金不会因过热而发生折弯或烧损，且镁合金在处理过程中与外界隔离绝缘，保障了安全性的同时避免了镁合金在处理过程中其表面与空气接触发生氧化从而降低表面质量。对比基于以“固-固扩散”为原理并需要耗费长时间的传统退火工艺，脉冲电流处理在使镁合金达到降低残余应力、消除加工硬化并完善组织结构这几个目的的同时，该过程的整体处理周期却大幅缩短，很大程度上也避免了对工件造成的侵蚀与损耗的可能，提升了镁合金产品的处理后质量。

本发明设计开发的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，通过在处理间内设置有导电接头和装夹卡爪，对待处理铝合金进行夹持和脉冲电流处理，消除镁合金内加工硬化，达到和退火处理的等效作用。

本发明提供一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，采集待处理铝合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，其包括如下步骤：

步骤一、建立BP神经网络模型。

BP模型上各层次的神经元之间形成全互连连接，各层次内的神经元之间没有连接，输入层神经元的输出与输入相同，即o_i＝x_i。中间隐含层和输出层的神经元的操作特性为：

o_pj＝f_j(net_pj)

其中p表示当前的输入样本，ω_ji为从神经元i到神经元j的连接权值，o_pi为神经元j的当前输入，o_pj为其输出；f_j为非线性可微非递减函数，一般取为S型函数，即f_j(x)＝1/(1+e^-x)。

本发明采用的BP神经网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示待处理铝合金的n个检测信号；第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x₁,x₂,...,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,...,y_m)^T

输出向量：o＝(o₁,o₂,...,o_p)^T

本发明中，输入层节点数为n＝5，输出层节点数为p＝4，隐藏层节点数m＝5。

输入层5个参数分别表示为：x₁为待处理铝合金的体积，x₂为待处理铝合金单位体积内的晶界含量，x₃为待处理铝合金单位体积内的位错含量，x₄为待处理铝合金单位体积内的亚晶粒界含量，x₅为待处理铝合金单位体积内的孪晶含量；

本实施例中，铝合金单位体积内的晶界、位错、亚晶粒和孪晶的含量通过金相显微镜确定。

输出层4个参数分别表示为：o₁为脉冲电流的峰值电流密度，o₂为脉冲电流的周期，o₃为脉冲电流的脉宽，o₄为脉冲电流的处理时间。

本实施例中所使用的脉冲电流为方波。

步骤二、进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值。

(1)训练方法

各子网采用单独训练的方法；训练时，首先要提供一组训练样本，其中的每一个样本由输入样本和理想输出对组成，当网络的所有实际输出与其理想输出一致时，表明训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出与实际输出一致。

(2)训练算法

BP网络采用误差反向传播(Backward Propagation)算法进行训练，其步骤可归纳如下：

第一步：选定一结构合理的网络，设置所有节点阈值和连接权值的初值。

第二步：对每个输入样本作如下计算：

(a)前向计算：对l层的j单元

式中，为第n次计算时l层的j单元信息加权和，/>为l层的j单元与前一层(即l-1层)的单元i之间的连接权值，/>为前一层(即l-1层，节点数为n_l-1)的单元i送来的工作信号；i＝0时，令/>为l层的j单元的阈值。

若单元j的激活函数为sigmoid函数，则

且

若神经元j属于第一隐层(l＝1)，则有

若神经元j属于输出层(l＝L)，则有

且e_j(n)＝x_j(n)-o_j(n)；

(b)反向计算误差：

对于输出单元

对隐单元

(c)修正权值：

η为学习速率。

第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。

BP算法采用梯度下降法求非线性函数极值，存在陷入局部极小以及收敛速度慢等问题。更为有效的一种算法是Levenberg-Marquardt优化算法，它使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为

Δω＝(J^TJ+μI)^-1J^Te

其中J为误差对权值微分的雅可比(Jacobian)矩阵，I为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。

在系统设计时，系统模型是一个仅经过初始化了的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了系统的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，系统可以进行自学习，以不断完善网络性能。

本实施例中所使用的脉冲电流为方波。铝合金单位体积内的晶界、位错、亚晶粒和孪晶的含量通过金相显微镜确定。

本实施例中还对脉冲电流的峰值电流密度进行校正：

对脉冲电流的脉宽进行校正：

其中，ξ为脉冲电流的峰值电流密度的校正系数，为脉冲电流的脉宽的校正系数。

下面结合具体的实施例进一步的对本发明提供的对发动机技术状态的方法进行说明。

选取AZ31B镁合金板，在脉冲处理之前，将5mm厚的挤压态AZ31B镁合金在室温环境下沿挤压方向进行冷轧处理，每道次轧制的变形量小于5％，多道次轧制后累积的变形量为25％，获得待处理用冷轧板。并采用本发明提供的方法确定脉冲电流参数并处理，具体试验结果如表1所示。

表1试验结果

对型号为AZ31B的镁合金进行常规退火处理，退火处理在箱式炉中进行，退火气氛为空气，退火后空冷。退火温度为300℃，保温时间为60min。

宏观塑性上：沿AZ31B镁合金的轧制方向进行应变速率为1/1000s-1的拉伸测试，获得冷轧AZ31B镁合金的抗拉强度为351MPa，延伸率为11.2％。常规退火后AZ31B镁合金的抗拉强度为277MPa，延伸率为26.5％。脉冲电流处理后AZ31B镁合金的抗拉强度为269MPa，延伸率为27.3％。

微观组织上：参见附图5-7，图5中A处为冷轧处理后的孪晶，图6中B处为常规退货处理后的再结晶组织，图7中C处为脉冲电流处理后的再结晶组织，对比常规退火后镁合金的微观组织表征和宏观塑性测试，通过本发明所述装置处理后的镁合金在宏观塑性上，因镁合金内部的加工硬化被消除使得抗拉强度降低。镁合金内部发生静态再结晶使得晶粒得到细化，延伸率增加。在微观组织上，从消除孪晶、促进再结晶和均匀晶粒度这三方面，镁合金通过脉冲电流处理可在更短的时间内达到常规退火标准，且再结晶更完全，晶粒度更均匀，未出现再结晶不完全和晶粒过度长大的现象。因此，脉冲电流处理可以达到退火处理的等效作用，并且能够更好的消除铝合金的内部缺陷，提高性能。

本发明设计开发的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，通过采集待处理铝合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，能够较优的消除镁合金内加工硬化。本发明还对脉冲电流的峰值电流密度和脉宽进行校正，能够更好的消除镁合金内加工硬化。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，使用用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，其特征在于，采集待处理镁合金体积以及单位体积内的缺陷含量，并基于BP神经网络确定脉冲电流的参数，其包括如下步骤：

步骤1：采集待处理镁合金的体积以及单位体积内的晶界、位错、亚晶粒和孪晶的含量；

步骤2：确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为待处理镁合金的体积，x₂为待处理镁合金单位体积内的晶界含量，x₃为待处理镁合金单位体积内的位错含量，x₄为待处理镁合金单位体积内的亚晶粒界含量，x₅为待处理镁合金单位体积内的孪晶含量；

步骤3：所述输入层向量映射到隐层，隐层的神经元为m个；

步骤4：得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄}；其中，o₁为脉冲电流的峰值电流密度，o₂为脉冲电流的周期，o₃为脉冲电流的脉宽，o₄为脉冲电流的处理时间；

其中，所述用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置，包括：

处理间，其为中空长方体结构；以及

多个导电接头，其对称设置在所述处理间轴向两侧内壁上，并穿出所述处理间；

多个装夹卡爪，其设置在所述处理间内，且分别对称设置在所述导电接头两侧，用于夹持镁合金；

电源，其两端分别与位于所述处理间轴向两侧外部的所述导电接头连接，用于提供脉冲电流。

2.如权利要求1所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置还包括：

导热油，其设置在所述处理间内；

泄油孔，其设置在所述处理间侧面下部，用于泄出所述导热油；

其中，当所述装夹卡爪夹持镁合金时，所述导热油浸没所述镁合金。

3.如权利要求1或2所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置还包括：

多个绝缘橡胶圈，其分别一一对应套设在对应所述导电接头上，且位于所述导电接头穿过所述处理间处。

4.如权利要求3所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述处理间壁面由三层复合结构组成，包括内侧的陶瓷纤维板层、中间的玻璃纤维板层和外侧的钢保护层。

5.如权利要求4所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述导电接头和装夹卡爪的材质均为铜。

6.如权利要求1所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述脉冲电流为方波。

7.如权利要求1所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，还包括：

对脉冲电流的峰值电流密度进行校正：

对脉冲电流的脉宽进行校正：

其中，ξ为脉冲电流的峰值电流密度的校正系数，为脉冲电流的脉宽的校正系数。

8.如权利要求1、6或7所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述镁合金单位体积内的晶界、位错、亚晶粒和孪晶的含量通过金相显微镜确定。

9.如权利要求8所述的用于消除镁合金内加工硬化的脉冲电流处理装置的控制方法，其特征在于，所述隐层的神经元为5个；所述隐层及所述输出层的激励函数均采用S型函数f_j(x)＝1/(1+e^-x)。