CN111060227A - 一种原位应力检测修复集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位应力检测修复集成系统，包括应力检测模块、应力修复模块、冷却模块、应力复检模块以及用于操控所述集成系统的位移和给进速度的移动控制系统，应力检测模块和应力复检模块各包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个MDL传感器；应力修复模块包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个感应加热线圈；冷却模块包括用于对刚经过所述多个感应加热线圈热处理的区域进行淬火处理的冷却装置；应力检测模块、应力修复模块、冷却模块和应力复检模块各个模块的不同位置设置有红外定位器；应力修复模块的不同位置设置有红外测温仪以进行温度测试和记录。本发明应用于工业生产线上的原位应力消除修复，并在保证应力消除质量的基础上大幅提高效率。

Description

一种原位应力检测修复集成系统

技术领域

本发明属于金属加工残余应力修复领域，特别涉及一种应用于工业生产线上的集应力检测与应力修复一体化的原位应力检测修复集成系统。

背景技术

钢铁工业是我国国民经济的基础产业之一，对于国民经济的发展起到着不可忽视的作用。而由于我国在钢铁生产制造领域的先天技术限制，出厂检测技术使得我国的钢铁生产量庞大，而合格率低下，甚至一度不被欧美国家接受，多数钢产品自产自销。残余应力主要是由于机械加工和热加工处理后残留在材料内部且保持内平衡的内应力，如不加以处理，在材料使用中，由于不均匀的热处理、焊接或切削加工等操作，会使材料内部应力平衡破坏，应力水平超过强度极限而出现纳米级裂纹或缺陷，这种裂纹延伸扩展，最终导致材料失效破坏。而经过科学研究人员的多年研究，真正引起材料失效的是材料内部分布不均的应力梯度，而非局部应力的存在。因此消除或恢复材料内部的应力梯度水平对工件的服役寿命和质量控制至关重要。

目前应力消除方法可大致分为热处理时效和振动时效两种。其中，热处理时效是将待处理钢铁工件整体移至加热时效炉中，经过均匀升温和保温处理，使工件应力消除。但由于该方法本质是加热升温然后保温处理，整个过程需要几到十几小时，需要消耗大量的能耗，同时：造成环境污染；整体热处理对于应力水平正常部分的部件会因为热处理出现软化现象；对于大型钢铁构件及工业生产线上加工出的大型构件，受加热时效炉的内腔大小限制而无法使用该方法。因此该方法在被渐渐的取替。振动时效作为另一种目前常见的消除应力手段，利用专用设备的周期性外力作用使待处理钢铁工件发生共振，使工件内部的微观组织晶粒发生滑移和晶内孪生，从而削减残余应力的峰值，改善和均衡工件原有的残余应力的分布。但该方法只能针对出厂后完成加工的成品进行应力消除操作，需要与工件直接接触(实际是需要使用激振器夹住工件)，经过1小时的振动时效可以消除50％左右的残余应力，但不能完全消除应力，操作时间虽然相对热处理失效很短，但依然需要等待一段时间。因此，上述两种应力消除方法均不适宜应用于工业生产线上作为原位应力消除及修复工序。

发明内容

为此，本发明利用感应加热技术，设计感应加热圈并进行阵列排布，组合成可应用于工业生产线上的原位应力消除修复系统，并结合应力检测模块和计算机自动化控制，设计出一种应用于工业生产线上的原位应力消除修复集成系统，在保证应力消除质量的基础上大幅提高效率。

本发明提供了一种原位应力检测修复集成系统，包括应力检测模块A、应力修复模块B、冷却模块C、应力复检模块A’以及用于操控所述集成系统的位移和给进速度的移动控制系统，

所述应力检测模块A和所述应力复检模块A’各包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个MDL传感器(1)；所述应力修复模块B包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个感应加热线圈(2)；所述冷却模块C包括用于对刚经过所述多个感应加热线圈(2)热处理的区域进行淬火处理的冷却装置(3)；

所述应力检测模块A、所述应力修复模块B、所述冷却模块C和所述应力复检模块A’各个模块设置有多个位置不同的红外定位器(4)以进行定位；所述应力修复模块B还设置有多个位置不同的红外测温仪(5)以进行温度测试和记录；所述应力检测模块A、所述应力修复模块B、所述冷却系统C、所述应力复检模块A’沿所述集成系统的给进方向从前至后依次布置。

在一些实施例中，各感应加热线圈(2)可以为圆形线圈，其直径D为10～20mm。

在一些实施例中，各感应加热线圈(2)可以为V字形线圈，其V字顶点用于对铁磁钢进行热处理。

在一些实施例中，各MDL传感器(1)可以距离铁磁钢表面0.5～5mm，各感应加热线圈(2)可以距离铁磁钢表面0.5～10mm。

在一些实施例中，多个MDL传感器(1)和多个感应加热线圈(2)的阵列排布方式可以相同。优选地，多个MDL传感器(1)和多个感应加热线圈(2)可以采用多列错位补缺的方式进行阵列排布，即，在单个传感器或单个感应加热线圈尺寸的基础上，密集排列，在下一列同样密集排列在错开一个检测或加热区位置，如此往复至无遗漏区域，保证铁磁钢表面区域均能够被检测和修复元件覆盖。

本发明还提供了一种利用上述集成系统的原位应力检测修复方法，包括如下步骤：

S1：利用红外定位器(4)和移动控制系统将所述集成系统移动至铁磁钢表面上方，并通过虚拟坐标软件建立虚拟坐标系；

S2：利用应力检测模块A对下方铁磁钢进行应力异常位置检测，红外定位器(4)将检测出的应力异常位置以虚拟坐标形式发送至移动控制系统并记录，移动控制系统将虚拟坐标传输至应力修复模块B；

S3：移动控制系统控制集成系统移动，使应力修复模块B移动至铁磁钢的应力异常位置上方；

S4：利用感应加热线圈(2)加热铁磁钢的应力异常位置，并利用红外测温仪(5)进行温度测试并记录，并将结果传输到移动控制系统；同时按照步骤S2对下方铁磁钢的新区域进行应力异常位置检测；

S5：应力修复模块B完成热处理后，移动控制系统控制集成系统移动，利用冷却模块C对刚经过应力修复模块B处理的区域进行冷却淬火处理；同时按照步骤S4对铁磁钢新区域的应力异常位置进行热处理；

S6：冷却模块C完成冷却淬火处理后，移动控制系统控制集成系统移动，利用应力复检模块A’对刚经过冷却模块C处理的区域进行应力复检，以确认经过应力修复的铁磁钢的应力异常位置的应力水平正常。

本发明的有益效果：

1)本发明基于MDL应力传感器和感应加热的技术，通过计算机软件控制整个集成系统在生产线输送带上方移动，通过红外定位器和软件建立的虚拟坐标系定位集成系统及集成系统下方的铁磁钢上应力待修复位置坐标，实现原位检测和修复铁磁钢。

2)本发明通过设计最佳尺寸范围的感应加热圈，消除了感应加热的环效应，由于铁磁钢本身产生的涡流分布和其电阻率，同时由于热辐射在铁磁钢中取决于铁磁钢的导热各向异性，如焊接区为各向异性，铁磁钢母材区为各向同性，致使感应加热实现线圈投射下面积内的等效加热，在短时间内热传导不会在周围扩散，之后热能向外辐射并依据与中心的距离增加而快速递减，这使得热处理的区域控制得以实现并能完成短时高温加热热处理。

3)本发明的集成系统的运行和控制均通过计算机软件控制，通过红外定位器实现自动化定位应力缺陷或异常位置坐标，设备自动定位进行应力恢复，极大地避免了人工操作带来的人为误差，同时节省了人力成本。

4)本发明的集成系统的应力修复部分，采用感应加热圈进行热处理，处理过程可以在开放环境中进行，且无需与铁磁钢工件接触，不需进行特殊气氛保护，因此可以实现工厂生产线上的原位应力修复操作，无需对铁磁钢进行转移。

5)通过计算机控制的应力修复部分的多元件阵列排布，每次应力恢复只针对应力需要修复的区域进行感应加热实现应力修复，无需对整个铁磁钢的全面积热处理，节约能源，降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例1的圆形感应加热线圈的尺寸变化、涡流“环效应”的消除过程以及加热线圈电流与涡流方向示意图；

图2为本发明实施例1的原位应力检测修复集成系统(未示出移动控制系统、红外定位器以及红外测温仪)的结构示意图；

图3为本发明实施例1的红外定位器以及红外测温仪的布局示意图；

图4为本发明实施例2的V字形感应加热线圈的结构示意图；

图5为本发明实施例1的施加应力前后以及应力修复后的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明是基于感应加热原理，与传统封闭热腔内加热和振动时效不同，无需转移铁磁钢到加热腔内或加持于激振器上，真正实现原位热处理。

感应加热的原理是高频正弦电流在感应线圈中通过，线圈下方的铁磁钢表面形成一个正弦涡流磁场，同时在涡流磁场将穿透铁磁钢表面。涡流磁场在铁磁钢内部形成体积为V的涡流场，同时有穿透深度δ和涡流场直径Dec决定，其中穿透深度δ根据如下公式得出：

其中，σ是铁磁钢导电系数；ρ是铁磁钢电阻率；μ_r是相对磁导率；f是待测铁磁钢中的激励频率；μ_o是真空绝对磁导率；ω是角频率。通过将脉冲场作为谐波正弦场，将脉冲电流波形传输到感应线圈中，可以考虑为近似的涡流效应。

一般情况下，若施加几百kHz的频率，涡流场穿透深度δ可到达几十到几百微米。根据待测铁磁钢的厚度和需要进行的热处理深度调节电流激励频率，可以实现精确热处理应力恢复。依据感应电流的大小，待处理铁磁钢升温速度快，能迅速达到热处理目标温度，从而实现短时热处理且完成应力恢复，大大节约时间。

实施例1

本实施例采用圆形感应加热线圈。电磁感应线圈的直径D和涡流分布在很大程度上取决于线圈与待处理钢材表面的距离。当感应线圈远离铁磁钢表面，其感应生成的涡流形成厚度r的磁环，而随着D变小，涡流分布遵循1/d法则，d为线圈与铁磁钢间的距离。增大线圈与材料间的距离d有利于对微元单位钢的热处理，从而提升相应范围内应力恢复效果。但考虑成本及降低能耗，根据“环效应”，如图1所示，即涡流分布主要集中于线圈辐射下的范围边界处，形成一个涡流环。当线圈的直径D减小时，铁磁钢内形成的涡流环随之改变，环形中心空洞减小，当线圈的直径D减小至Dm时，涡流环变成涡流盘，空心消失，无热处理空白，使应力修复范围固定为一个圆形区域。因此，本发明通过设计出最优化尺寸的感应线圈末端，在距离d处每次操作均能对下方一个圆形区域进行均匀热处理。

本实施例提供的原位应力检测修复集成系统，如图2所示，包括应力检测模块A、应力修复模块B、冷却模块C、应力复检模块A’以及用于操控该集成系统的位移和给进速度的移动控制系统，其中，应力检测模块A、应力修复模块B、冷却系统C、应力复检模块A’沿集成系统的给进方向从前至后依次布置。特别地，应力检测模块A和应力修复模块B之间的距离应足够远，以避免应力修复模块B的高温损害应力检测部分A。

应力检测模块A包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个MDL传感器1；应力修复模块B包括通过相似阵列排布在铁磁钢表面上方的多个感应加热线圈2；冷却模块C包括用于对刚经过多个感应加热线圈2热处理的区域进行淬火处理的冷却装置3；应力检测模块A’包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个MDL传感器1，与应力检测模块A的结构相同。在本实施例中，MDL传感器1和感应加热线圈2的阵列排布方式相同，该阵列排布采用多列错位补缺的方式，即在单个传感器或感应加热线圈尺寸的基础上，密集排列，在下一列同样密集排列在错开一个检测或加热区位置，如此往复至无遗漏区域，保证铁磁钢表面区域均能够被检测和修复元件覆盖。

优选地，感应加热线圈2的直径D为10～20mm。

特别地，各MDL传感器1距离铁磁钢表面0.5～5mm，各感应加热线圈2距离铁磁钢表面0.5～10mm。

此外，应力检测模块A、应力修复模块B、冷却模块C和应力复检模块A’各个模块的不同位置设置有红外定位器4以进行定位。如图3所示，应力检测模块A、应力修复模块B和应力复检模块A’的前后左右分别设置红外定位器4，冷却模块C的左右设置红外定位器4。应力修复模块B的不同位置还设置有红外测温仪5以进行温度测试和记录，如图3所示，应力修复模块B的前后左右设置红外测温仪5。

实施例2

针对工业生产的特殊尺寸及特殊外形钢的检测修复工作，可以通过对感应加热线圈形状重新设计，特制不同的线圈外形。在针对小型化生产或单一点应力修复热处理的本实施中，如图4所示，感应加热线圈2为V字形线圈，依靠V字顶点S处对下方的铁磁钢进行热处理。除此之外，本实施例的整个集成系统可以如实施例1所示，此处不再赘述。

下面通过描述利用本发明的集成系统进行原位检测修复的方法来进一步说明本发明。简单概括，本发明的集成系统的工作流程为：应力检测模块应力检测，红外定位器定位，计算机绘制虚拟坐标系→应力修复模块修复，红外测温仪检测温度→冷却模块淬火冷却→应力复检模块检测确认状态→成品。

具体地：

1)可将本发明集成系统悬挂与工厂或实际生产厂房的龙骨吊臂下并且在生产线输送带上方，其在移动控制系统(例如计算机)控制下的吊臂上可沿着生产线水平移动，具体的移动速度和位移距离由计算机软件控制；

2)集成系统的前端(靠近出料口方向)的应力检测模块A通过MDL技术对下方铁磁钢进行应力水平分布检测，阵列排布后的MDL传感器可以保证检测区域无遗漏无死角，检测出的异常位置会根据虚拟坐标(x,y)记录，坐标传输给应力修复模块B，计算机控制整个集成系统移动；

3)应力修复模块B移动至对应待处理铁磁钢区域上方，应力修复模块B中的对应应力异常的坐标位置的感应加热线圈2开始工作，应力修复模块B处的红外测测温仪5对下方的待处理铁磁钢的温度进行测试并记录，测试结果通过电路传输到计算机中记录；同时，应力检测模块A下方给进到铁磁钢的待检测新区域，应力检测模块A对该区域进行应力检测，并将检测结果再次以坐标的形式传输给计算机并进行记录；

4)应力恢复工作结束后，计算机再次控制整个集成系统移动，以固定的速度推进，冷却模块C启动，对刚经过应力修复模块B的区域进行冷却淬火处理；同时，应力检测模块A对再次进入检测范围的铁磁钢新区域进行检测，应力修复模块B根据应力检测模块A的检测结果坐标对进入应力修复范围的待处理铁磁钢区域进行热处理应力修复；

5)整个集成系统在计算机的控制下，移动并进行相关操作，当经过检测及应力修复的铁磁钢进入应力检测复检模块A’范围时，应力检测复检模块A’对下方铁磁钢进行再次检测，确认经过应力修复的铁磁钢的应力异常部位的应力水平正常。

为进一步说明本发明的应力修复效果，选取一铁磁钢试样，施加应力前使用传感器检测应力分布情况，之后将试样放置在一稳定的支撑台上，在其上方30cm处释放一颗金属球，使得金属球掉落在试样中间附近，认为引入应力，并再次检测应力状态。使用本发明实施例1中集成系统中的应力回复模块中的一个感应加热线圈2对铁磁钢试样金属球落点位置进行应力回复，并在操作后再次检测应力状态并记录。将施加应力的前后结果及修复结果通过绘图软件集合到一张图中，即得到图5。从图5中，可以很直观地展现本发明的应力修复效果。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种原位应力检测修复集成系统，其特征在于，包括应力检测模块A、应力修复模块B、冷却模块C、应力复检模块A’以及用于操控所述集成系统的位移和给进速度的移动控制系统，

所述应力检测模块A和所述应力复检模块A’各包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个MDL传感器(1)；所述应力修复模块B包括阵列排布在铁磁钢表面上方的多个感应加热线圈(2)；所述冷却模块C包括用于对刚经过所述多个感应加热线圈(2)热处理的区域进行淬火处理的冷却装置(3)；

所述应力检测模块A、所述应力修复模块B、所述冷却模块C和所述应力复检模块A’各个模块设置有多个位置不同的红外定位器(4)以进行定位；所述应力修复模块B还设置有多个位置不同的红外测温仪(5)以进行温度测试和记录；所述应力检测模块A、所述应力修复模块B、所述冷却系统C、所述应力复检模块A’沿所述集成系统的给进方向从前至后依次布置。

2.根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，各感应加热线圈(2)为圆形线圈，其直径D为10～20mm。

3.根据权利要求1所述的集成系统，其特征在于，各感应加热线圈(2)为V字形线圈，其V字顶点用于对铁磁钢进行热处理。

4.根据权利要求1-3之一所述的集成系统，其特征在于，各MDL传感器(1)距离铁磁钢表面0.5～5mm，各感应加热线圈(2)距离铁磁钢表面0.5～10mm。

5.根据权利要求1-4之一所述的集成系统，其特征在于，多个MDL传感器(1)和多个感应加热线圈(2)的阵列排布方式相同。

6.根据权利要求5所述的集成系统，其特征在于，所述阵列排布方式为多列错位补缺方式。

7.一种利用根据权利要求1-6之一所述的集成系统的原位应力检测修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：利用红外定位器(4)和移动控制系统将所述集成系统移动至铁磁钢表面上方，并通过虚拟坐标软件建立虚拟坐标系；

S2：利用应力检测模块A对下方铁磁钢进行应力异常位置检测，红外定位器(4)将检测出的应力异常位置以虚拟坐标形式发送至移动控制系统并记录，移动控制系统将虚拟坐标传输至应力修复模块B；

S3：移动控制系统控制集成系统移动，使应力修复模块B移动至铁磁钢的应力异常位置上方；

S4：利用感应加热线圈(2)加热铁磁钢的应力异常位置，并利用红外测温仪(5)进行温度测试并记录，并将结果传输到移动控制系统；同时按照步骤S2对下方铁磁钢的新区域进行应力异常位置检测；

S5：应力修复模块B完成热处理后，移动控制系统控制集成系统移动，利用冷却模块C对刚经过应力修复模块B处理的区域进行冷却淬火处理；同时按照步骤S4对铁磁钢新区域的应力异常位置进行热处理；

S6：冷却模块C完成冷却淬火处理后，移动控制系统控制集成系统移动，利用应力复检模块A’对刚经过冷却模块C处理的区域进行应力复检，以确认经过应力修复的铁磁钢的应力异常位置的应力水平正常。

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