CN113600942B - 一种可控局部氢致金属裂解装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可控局部氢致金属裂解装置及其操作方法，包括工作架、水泵、电解介质存储箱和电解接头；工作架的顶部放置有金属零件，金属零件待进行氢脆的部位设置有应力槽；电解接头设置于工作架的顶部，电解接头设置于金属零件的左右两侧，电解接头和应力槽之间对应设置，电解接头的端头和应力槽之间形成电解池；水泵固定设置于工作架的底部，水泵和电解接头之间连接设置有第一介质软管；电解介质存储箱固定设置于工作架的中部，电解介质存储箱和电解接头之间连接设置有第二介质软管，电解介质存储箱和水泵之间通过连接软管连通设置，借此，本发明具有能够在金属零件需要断裂的部位准确的引发氢脆，利用氢脆现象制造零件断裂的优点。

Description

一种可控局部氢致金属裂解装置及其操作方法

技术领域

本发明属于金属裂解技术领域，特别涉及一种可控局部氢致金属裂解装置及其操作方法。

背景技术

目前，在各行业中都存在将零部件进行断裂分解的需求，各行各业所采用的的方式多种多样，机械行业中常用的方式有冷加工(车、铣、线切割等)，热加工(火焰切割、激光切割等)等方式。

但是，上述方法存在以下缺点：

1、能耗高，设备功率通常较高；

2、零件断裂的位置存在局限性并且操作相对复杂，受加工设备的规格影响较大。

3、辅助材料消耗大，如冷加工刀具消耗、热加工的气体消耗等。

4、对零件本身有影响，如切割时热量会造成零件金相组织的变化。

5、当零件尺寸过大时，常规的断裂加工方式受限于设备大小、功率等限制难以施行。

因此，急需一种可以精确控制工件局部裂解的方法。

发明内容

本发明提出一种可控局部氢致金属裂解装置及其操作方法，能够在金属零件需要断裂的部位准确的引发氢脆，利用氢脆现象制造零件的断裂。

本发明的技术方案是这样实现的：一种可控局部氢致金属裂解装置，包括工作架、水泵、电解介质存储箱和电解接头；

工作架的顶部放置有金属零件，金属零件待进行氢脆的部位设置有应力槽；

电解接头设置于工作架的顶部，电解接头设置于金属零件的左右两侧，电解接头和应力槽之间对应设置，电解接头的端头和应力槽之间形成电解池；

水泵固定设置于工作架的底部，水泵和电解接头之间连接设置有第一介质软管；

电解介质存储箱固定设置于工作架的中部，电解介质存储箱和电解接头之间连接设置有第二介质软管，电解介质存储箱和水泵之间通过连接软管连通设置。

外接交流电由断路器接出后，接直流稳压电源，将交流电调整为直流电，其中正极插入电解池，负极接金属本体。在电流作用下，电解介质中产生各种离子，其中H+离子向负极运动并逐渐富集(即应力槽中存在电解介质的整个表面)，在浓度梯度的作用下逐渐渗入金属内部，引发氢脆现象。

作为一种优选的实施方式，工作架包括一体连接设置的第一工作连接架和第二工作连接架；

第一工作连接架的中部设置有工作连接板，所述水泵固定设置于第一工作连接架的底部，所述电解介质存储箱固定设置于工作连接板的顶部，所述金属零件固定设置于第一工作连接架的顶部；

第二工作连接架包括相同的两个，两个第二工作连接架分别设置于第一工作连接架顶部的左右两端，第二工作连接架设置于金属零件的左右两侧，所述电解接头包括相同的两个，两个电解接头分别对应设置于第二工作连接架的顶部，第二工作连接架的底部固定设置有直流稳压电源，直流稳压电源和电解接头之间电连接设置。

作为一种优选的实施方式，第一工作连接架的顶部固定设置有工件固定架，工件固定架的底端和第一工作连接架之间固定连接设置，工件固定架的顶端设置有向下凹陷的V型固定槽，固定槽和金属零件的底部之间相适配。

作为一种优选的实施方式，金属零件的前后两侧设置有护板，护板设置于工件固定架顶端的外侧，护板和工件固定架之间通过螺栓可拆卸连接设置。

作为一种优选的实施方式，第二工作连接架的顶部固定设置有气缸固定座，气缸固定座的一侧固定设置有气缸，气缸的一端设置有伸缩柱，伸缩柱贯穿气缸固定座后和电解接头之间固定连接设置。

作为一种优选的实施方式，电解接头包括电解框架和接头部；

电解框架呈矩型设置，电解框架的一端和伸缩柱之间固定连接设置，电解框架的另一端和接头部之间固定连接设置；

接头部的端头和所述应力槽之间形成所述电解池，接头部内贯穿设置有入口通道和出口通道，入口通道的一端和第一介质软管之间连通设置，入口通道的另一端和电解池之间连通设置，出口通道的一端和第二介质软管之间连通设置，出口通道的另一端和电解池之间连通设置。

作为一种优选的实施方式，接头部的端头固定设置有橡胶垫，电解接头随气缸压紧至所述应力槽时，橡胶垫和应力槽之间形成所述电解池。

作为一种优选的实施方式，接头部的端头内设置有石墨阳极，石墨阳极的一端置于电解接头内设置，石墨阳极的另一端插入电解池设置，石墨阳极和所述直流稳压电源之间电连接。

一种可控局部氢致金属裂解装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤1、在金属零件待进行氢脆的部位设置应力槽，该应力槽的尖端朝向断裂扩展方向设置；

步骤2、将金属零件放置于工件固定架的顶端进行定位，使金属零件两侧的应力槽水平放置；

步骤3、启动气缸推动电解接头移动至应力槽处，橡胶垫和应力槽之间压紧形成密闭的空腔，此时石墨阳极插入该空腔内，并不和应力槽之间相接触；

步骤4、启动水泵，令电解介质储存箱中的液体开始循环，通过第一介质软管，填充满电解接头和应力槽之间形成的空腔内，形成一个封闭的电解池；

步骤5、打开电源，交流电通过直流稳压电源转换为直流电，直流电通过专电解接头，正极接石墨阳极，负极接电解接头本体，此时电解池内的电解介质被电解为各种正离子与负离子，应力槽本体成为阴极，石墨阳极为阳极；

步骤6、电解一定时间，待应力槽内表面完成H⁺的富集并渗透后，切断电源，关闭水泵，气缸退出，将金属零件拆卸；

步骤7、将金属零件存储在专用场地，等待氢脆反应引发断裂。

作为一种优选的实施方式，步骤1中在金属零件待进行氢脆的部位设置应力槽的方法为，使用刀尖圆角为R0.2，角度为60°菱形的刀具，采用铣削方式加工出应力槽，该应力槽的尖端方向为裂纹扩展方向，同时，应力槽规格为：张角60°，槽深2mm，应力槽根部圆角R0.2，槽长60mm，应力槽边缘距离金属零件边缘距离2mm，呈一个船型凹槽，船形两端圆弧半径为R25mm。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1、本发明工艺更加灵活，对设备需求较小，对金属零件规格限制较小，更易实现。

2、本发明工艺能耗低、辅助材料消耗小，断裂所需能量更多的来源于材料本身的应力。

3、对金属零件的影响较小，断裂面变形小，金相组织不发生变化。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，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为本发明的结构示意图；

图2为电解介质循环路线图；

图3为电路示意图；

图4为金属零件的结构示意图；

图5为应力槽的结构示意图；

图6为应力槽的第一剖切图；

图7为应力槽的第二剖切图；

图8为直流稳压电源的结构示意图；

图9为水泵的结构示意图；

图10为电解接头的结构示意图；

图11为接头部的结构示意图。

图中，1－工作架；2－水泵；3－电解介质存储箱；4－电解接头；5－气缸；6－第一介质软管；7－第二介质软管；8－直流稳压电源；9－金属零件；10－第一工作连接架；11－第二工作连接架；12－工作连接板；13－工件固定架；14－护板；40－电解框架；400－气缸推杆支撑板；401－绝缘支撑板；41－接头部；42－入口接头； 43－出口接头；410－出口通道；411－入口通道；412－石墨阳极；413－橡胶垫；414－金属支撑架；415－第一接头连接部；416－第二接头连接部；417－阳极接头；418－阴极接头；419－导电弹性垫片；4150－安置口；4151－限位口；4152－限位柱；4170－阳极导线；50－气缸固定座；80－断路器；90－应力槽。

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。

一种可控局部氢致金属裂解装置，包括工作架1、水泵2、电解介质存储箱 3和电解接头4；

工作架1的顶部放置有金属零件9，金属零件9待进行氢脆的部位设置有应力槽90；

电解接头4设置于工作架1的顶部，电解接头4设置于金属零件9的左右两侧，电解接头4和应力槽90之间对应设置，电解接头4的端头和应力槽90 之间形成电解池；

水泵2固定设置于工作架1的底部，水泵2和电解接头4之间连接设置有第一介质软管6；

电解介质存储箱3固定设置于工作架1的中部，电解介质存储箱3和电解接头4之间连接设置有第二介质软管7，电解介质存储箱3和水泵2之间通过连接软管连通设置。

工作架1包括一体连接设置的第一工作连接架10和第二工作连接架11；

第一工作连接架10的中部设置有工作连接板12，所述水泵2固定设置于第一工作连接架10的底部，所述电解介质存储箱3固定设置于工作连接板12的顶部，所述金属零件9固定设置于第一工作连接架10的顶部；

第二工作连接架11包括相同的两个，两个第二工作连接架11分别设置于第一工作连接架10顶部的左右两端，第二工作连接架11设置于金属零件9的左右两侧，所述电解接头4包括相同的两个，两个电解接头4分别对应设置于第二工作连接架11的顶部，第二工作连接架11的底部固定设置有直流稳压电源8，直流稳压电源8和电解接头4之间电连接设置。

第一工作连接架10的顶部固定设置有工件固定架13，工件固定架13的底端和第一工作连接架10之间固定连接设置，工件固定架13的顶端设置有向下凹陷的V型固定槽，固定槽和金属零件9的底部之间相适配。

金属零件9的前后两侧设置有护板14，护板14设置于工件固定架13顶端的外侧，护板14和工件固定架13之间通过螺栓可拆卸连接设置。

第二工作连接架11的顶部固定设置有气缸固定座50，气缸固定座50的一侧固定设置有气缸，气缸的一端设置有伸缩柱，伸缩柱贯穿气缸固定座50后和电解接头4之间固定连接设置。

电解接头4包括包括一体连接设置的电解框架40和接头部41；

电解框架40包括一体连接设置的气缸推杆支撑板400和绝缘支撑板401，绝缘支撑板401包括相同的两个，两个绝缘支撑板401分别设置于气缸推杆支撑板400前后两端的左侧；

接头部41设置于绝缘支撑板401的左侧，接头部41为金属支撑架414，接头部41外侧套设有外包胶，接头部41内设置有左右贯通的入口通道411和出口通道410，接头部41左侧设置有导电弹性垫片419，导电弹性垫片419呈V 型设置，导电弹性垫片419的一端置于接头部41外侧，导电弹性垫片419的另一端插入接头部41设置。

入口通道411的右端设置有入口接头42，出口通道410的右端设置有出口接头43，电解介质由入口接头42进入入口通道411中，并通过入口通道411进入由接头部41和金属零件9之间形成的电解池中，处理结束后，电解介质由出口通道410进入出口接头43中，并通过出口接头43排出。

接头部41包括一体连接设置的第一接头连接部415和第二接头连接部416，第二接头连接部416和所述绝缘支撑板401之间相连接，第一接头连接部415 设置于第二接头连接部416的左侧，第一接头连接部415的纵截面积小于第二接头连接部416的纵截面积。

第一接头连接部415的中部设置有安置口4150，安置口4150设置于入口通道411和出口通道410之间，安置口4150内放置有石墨阳极412，石墨阳极412 的一端置于安置口4150的外侧，石墨阳极412的另一端插入安置口4150设置。

第二接头连接部416的右侧固定设置有阳极接头417和阴极接头418，其中阳极接头417和石墨阳极412之间通过阳极导线4170相连接，阳极导线4170 外侧套设有阳极导线4170套管。

第一接头连接部415的左侧端面设置有若干限位口4151，限位口4151前后贯通设置，限位口4151内固定设置有限位柱4152，限位柱4152包括相同的两个，两个限位柱4152分别设置于限位口4151的前后两端，所述导电弹性垫片 419包括若干个，导电弹性垫片419和限位口4151一一对应设置，导电弹性垫片419的一端和限位柱4152之间相卡合，导电弹性垫片419的另一端伸出第一接头连接部415设置。

第一接头连接部415的左侧固定连接设置有橡胶垫413。

一种可控局部氢致金属裂解装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤1、在金属零件9待进行氢脆的部位设置应力槽90，该应力槽90的尖端朝向断裂扩展方向设置；

步骤2、将金属零件9放置于工件固定架13的顶端进行定位，使金属零件 9两侧的应力槽90水平放置；

步骤3、启动气缸推动电解接头4移动至应力槽90处，橡胶垫413和应力槽90之间压紧形成密闭的空腔，此时石墨阳极412插入该空腔内，并不和应力槽90之间相接触；

步骤4、启动水泵2，令电解介质储存箱中的液体开始循环，通过第一介质软管6，填充满电解接头4和应力槽90之间形成的空腔内，形成一个封闭的电解池；

步骤5、打开电源，交流电通过直流稳压电源8转换为直流电，直流电通过专电解接头4，正极接石墨阳极412，负极接电解接头4本体，此时电解池内的电解介质被电解为各种正离子与负离子，应力槽90本体成为阴极，石墨阳极412 为阳极；

步骤6、电解一定时间，待应力槽90内表面完成H⁺的富集并渗透后，切断电源，关闭水泵2，气缸退出，将金属零件9拆卸；

步骤7、将金属零件9存储在专用场地，等待氢脆反应引发断裂。

本发明所运用的方法与阴极保护法类似，属于利用电化学反应来达到目标，但是实施的方式及目的不同。阴极保护法是通过给被保护金属提供电子，防止被保护金属因失去电子而变成金属离子，造成金属腐蚀。而本发明利用了金属的氢脆现象作为金属材料断裂的手段。

氢脆又叫氢致断裂，即金属材料在氢与应力的联合作用下产生的破坏现象，在发生氢脆现象时展现出裂纹迅速扩展的特点，在各领域中，经常会发生氢脆导致金属材料突然脆断从而造成严重事故。本发明通过技术手段在金属零件9 需要断裂的部位准确的引发氢脆，在不造成零件其他部位氢脆风险的前提下，利用氢脆现象制造零件的断裂。

其中应力槽90加工的适用方式有三种：机械切削加工(如铣削、拉削)、线切割加工、激光加工，相关加工目前已经有成熟工艺，如发动机连杆的应力槽90加工就应用上述方法。

本发明使用铣刀在环形金属零件9上加工出平面及应力槽90，使用刀尖圆角为R0.2，角度为60°菱形的刀具，采用铣削方式加工出应力槽90，该应力槽 90的尖端方向为裂纹扩展方向，同时，应力槽90规格为：张角60°，槽深2mm，应力槽90根部圆角R0.2，槽长60mm，应力槽90边缘距离金属零件9边缘距离 2mm，呈一个船型凹槽，船形两端圆弧半径为R25mm，船形凹槽两端R25mm的过渡圆弧作用是引导裂纹方向，覆盖整个断裂面；应力槽90边缘距离零件边缘2mm 不加工通透，作用是保证后续专用电解接头4的密封垫能够将应力槽90进行密封，不让电解介质外泄；根部圆角R0.2是由于加工刀具刀尖制造精度限制，理论上越小越好。

本发明所用电解介质为以5％的NaCl溶液为基液，配置0.07％H2S溶液，电解介质温度为25±1℃，氢脆处理保持时间为25±5min，氢脆处理时间根据金属零件9的不同而改变，本实施例中所用金属零件9为环型结构，根据实验结果，所用时间为25±5min。

本发明利用原理为：通过外加电源，应力槽90及其附近的金属成为阴极，在电流作用下，电解池中的电解液发生电解，生成H+、Na+、HS－、S2－等，其中带正电荷的H+、Na+向阴极移动，H+在金属表面由于亲和力作用，从金属表面进入金属晶格空位或原子间的间隙，同时由于阴极附近的HS－与S2－由于特性吸附原因也会抑制阴极表面的H+合成氢分子，这都会造成阴极表面形成H+富集，令其浓度增加，在浓度梯度的作用下，氢原子向金属内部扩算的速度增加，填充了应力槽90内表面区域的金属空隙或位错造成的微观缺陷之中。当应力水平和氢含量在局部地区达到临界值时将将沿着应力槽90的尖端方向开裂，随着氢向高应力区扩散，经一定的孕育期后在裂纹尖端处再次出现临界状态，于是又发生第二次氢脆开裂，这个过程不断反复，在裂纹尖端不断形成和扩展新的裂纹，最终造成材料的断裂。

氢脆现象对所有金属都有影响，其中高强钢、钛合金材料对氢脆尤为敏感，对于本发明，具备高应力的材料更容易实现氢致断裂。对于其他材料则存在一定的滞后断裂情况，此时可根据实际需求对材料施加轻微载荷加速氢脆断裂过程，具体施加方式可按照不同零件结构分别设计，本发明中不进行列举。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，包括工作架、水泵、电解介质存储箱和电解接头；

所述工作架的顶部放置有金属零件，所述金属零件待进行氢脆的部位设置有应力槽；

所述电解接头设置于工作架的顶部，所述电解接头设置于金属零件的左右两侧，所述电解接头和应力槽之间对应设置，所述电解接头的端头和应力槽之间形成电解池；

所述水泵固定设置于工作架的底部，所述水泵和电解接头之间连接设置有第一介质软管；

所述电解介质存储箱固定设置于工作架的中部，所述电解介质存储箱和电解接头之间连接设置有第二介质软管，所述电解介质存储箱和水泵之间通过连接软管连通设置。

2.根据权利要求1所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述工作架包括一体连接设置的第一工作连接架和第二工作连接架；

第一工作连接架的中部设置有工作连接板，所述水泵固定设置于第一工作连接架的底部，所述电解介质存储箱固定设置于工作连接板的顶部，所述金属零件固定设置于第一工作连接架的顶部；

第二工作连接架包括相同的两个，两个第二工作连接架分别设置于第一工作连接架顶部的左右两端，第二工作连接架设置于金属零件的左右两侧，所述电解接头包括相同的两个，两个电解接头分别对应设置于第二工作连接架的顶部，第二工作连接架的底部固定设置有直流稳压电源，直流稳压电源和电解接头之间电连接设置。

3.根据权利要求2所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述第一工作连接架的顶部固定设置有工件固定架，工件固定架的底端和第一工作连接架之间固定连接设置，工件固定架的顶端设置有向下凹陷的V型固定槽，V型固定槽和金属零件的底部之间相适配。

4.根据权利要求3所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述金属零件的前后两侧设置有护板，护板设置于工件固定架顶端的外侧，护板和工件固定架之间通过螺栓可拆卸连接设置。

5.根据权利要求2所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述第二工作连接架的顶部固定设置有气缸固定座，气缸固定座的一侧固定设置有气缸，气缸的一端设置有伸缩柱，伸缩柱贯穿气缸固定座后和电解接头之间固定连接设置。

6.根据权利要求5所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述电解接头包括电解框架和接头部；

电解框架呈矩型设置，电解框架的一端和伸缩柱之间固定连接设置，电解框架的另一端和接头部之间固定连接设置；

接头部的端头和所述应力槽之间形成所述电解池，接头部内贯穿设置有入口通道和出口通道，入口通道的一端和第一介质软管之间连通设置，入口通道的另一端和电解池之间连通设置，出口通道的一端和第二介质软管之间连通设置，出口通道的另一端和电解池之间连通设置。

7.根据权利要求6所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述接头部的端头固定设置有橡胶垫，电解接头随气缸压紧至所述应力槽时，橡胶垫和应力槽之间形成所述电解池。

8.根据权利要求7所述的一种可控局部氢致金属裂解装置，其特征在于，所述接头部的端头内设置有石墨阳极，石墨阳极的一端置于电解接头内设置，石墨阳极的另一端插入电解池设置，石墨阳极和所述直流稳压电源之间电连接。

9.一种可控局部氢致金属裂解装置的操作方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的一种可控局部氢致金属裂解装置进行操作，其操作方法包括如下步骤：

步骤1、在金属零件待进行氢脆的部位设置应力槽，该应力槽的尖端朝向断裂扩展方向设置；

步骤2、将金属零件放置于工件固定架的顶端进行定位，使金属零件两侧的应力槽水平放置；

步骤3、启动气缸推动电解接头移动至应力槽处，橡胶垫和应力槽之间压紧形成密闭的空腔，此时石墨阳极插入该空腔内，并不和应力槽之间相接触；

步骤4、启动水泵，令电解介质储存箱中的液体开始循环，通过第一介质软管，填充满电解接头和应力槽之间形成的空腔内，形成一个封闭的电解池；

步骤5、打开电源，交流电通过直流稳压电源转换为直流电，直流电通过电解接头，正极接石墨阳极，负极接电解接头本体，此时电解池内的电解介质被电解为各种正离子与负离子，应力槽本体成为阴极，石墨阳极为阳极；

步骤6、电解一定时间，待应力槽内表面完成H⁺的富集并渗透后，切断电源，关闭水泵，气缸退出，将金属零件拆卸；

步骤7、将金属零件存储在专用场地，等待氢脆反应引发断裂。

10.根据权利要求9所述的一种可控局部氢致金属裂解装置的操作方法，其特征在于，所述步骤1中在金属零件待进行氢脆的部位设置应力槽的方法为，使用刀尖圆角为R0.2，角度为60°菱形的刀具，采用铣削方式加工出应力槽，该应力槽的尖端方向为裂纹扩展方向，同时，应力槽规格为：张角60°，槽深2mm，应力槽根部圆角R0.2，槽长60mm，应力槽边缘距离金属零件边缘距离2mm，呈一个船型凹槽，船形两端圆弧半径为R25mm。

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