CN209669286U

CN209669286U - 一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置

Info

Publication number: CN209669286U
Application number: CN201920429342.3U
Authority: CN
Inventors: 刘永珍; 冯崴崴; 吕占祥; 付栋栋; 王文君; 麻永林; 李运良
Original assignee: BEIJING YEKE MAGNETIC MATERIALS CO LTD; YEKE METAL CO Ltd; Inner Mongolia University of Science and Technology
Current assignee: BEIJING YEKE MAGNETIC MATERIALS CO LTD; YEKE METAL CO Ltd; Inner Mongolia University of Science and Technology
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2029-04-01

Abstract

本实用新型公开一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置。装置包括：电源系统、电磁发生器系统和冷却系统；所述电磁发生器系统包括多个电磁发生器，所述电磁发生器包括线圈和U形铁芯，所述线圈缠绕在所述U形铁芯上，所述线圈与所述电源系统连接；所述冷却系统用于冷却电磁发生器系统，所述电磁发生器系统位于待处理焊接板的正上方，去除焊接残余应力的处理时间根据所述待处理焊接板的长度和所述U形铁芯的数量确定。本实用新型可提供消除焊接残余应力所需的能量，对接头显微组织不会产生影响，可以提高接头相应的性能。本实用新型可随焊接设备即时进行消应力处理，也可以在焊接结束之后再进行消应力处理，适应性比较强。

Description

一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置

技术领域

本实用新型涉及焊接残余应力处理技术领域，特别是涉及一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置。

背景技术

焊接残余应力对焊接接头的强度、抗腐蚀、抗疲劳等性能产生负面影响，当进行完焊接后通常要采取相应手段和措施对焊接残余应力进行消除。在生产中常采用的方法有焊后热处理、超声波处理、震动处理等。以上方法都是通过特定的方式将能量施加到焊接接头上，促使接头产生应力松弛，从而消除焊接残余应力，也就是说，外界提供一定的能量是消除焊接残余应力的前提条件。

利用脉冲磁场所产生的能量可以用于消除焊接残余应力。脉冲电磁能可以给焊接接头残余应力的消除或减小提供能量，当电流进行加载时，电流可以在极短的时间内从0A上升到峰值电流，在电流急剧变化的同时会产生较大的磁场强度，同时伴随较大的电磁能。

焊接接头微观区域内的位错分布状态与残余应力有密切联系，当晶体内的位错开动、合并、均匀化、消失等现象发生时，残余应力水平会迅速下降。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。而矩形波脉冲电磁所产生的磁场及能量可以促使接头在微观区域形成位错开动，产生微观滑移，使得局部区域的位错密度下降，位错胞状结构数量减小，位错分布及均匀性得到提高，并在晶粒尺度上形成塑性变形，产生应力松弛现象，从而消除或减小焊接残余应力。同时，由于钢铁材料具有导磁性，当施加电磁能时，会使焊接接头晶粒尺度上的磁畴发生变化，从而产生微观塑性变形，使得残余应力水平下降。

焊后热处理去除焊接残余应力是生产中应用最为广泛的一种方法。该方法简单实用，但其缺点也比较明显。该方法为了消除接头残余应力需将整个焊接结构件放入加热炉中进行整体加热处理，降低接头位错密度，引起应力松弛。该方法虽然可以很好的把接头残余应力消除，但也会使接头及母材的性能产生不利影响。该方法进行处理后，接头和母材的强度会下降，塑性和韧性也会下降，从而造成焊接结构件的整体性能也会下降。同时构件表面会产生大量的氧化铁皮，构件的表面质量会受到影响。在进行热处理后，焊接构件会由于应力松弛，发生塑性变形，导致构件尺寸精度下降，影响装配等。

焊后热处理方法根据构件大小和焊接接头厚度制定热处理工艺，构件越大、接头越厚，其热处理时间越长，热处理效率越低。超声波处理方法去除焊接残余应力效率较低，所采用的设备庞大笨重，设备费用较高。震动处理方法设备噪音大，处理效率低，只能处理较为平整、且厚度较小的焊接接头。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置，能够提高消除焊接残余应力的效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置，包括：电源系统、电磁发生器系统；所述电磁发生器系统包括多个电磁发生器，所述电磁发生器包括线圈和U形铁芯，所述线圈缠绕在所述U形铁芯上，所述线圈与所述电源系统连接；所述电磁发生器系统位于待处理焊接板的正上方，去除焊接残余应力的处理时间根据所述待处理焊接板的长度和所述U形铁芯的数量确定。

可选的，当温度大于或等于设定温度值时，所述装置还包括冷却系统，所述冷却系统与所述电磁发生器系统连接，所述冷却系统用于冷却所述电磁发生器系统。

可选的，当温度大于或等于设定温度值时，各所述电磁发生器的线圈由多根直径为3～10mm、壁厚为1～3mm的紫铜管绕制而成，各所述电磁发生器的线圈匝数为20～100匝。

可选的，当温度小于设定温度值时，各所述电磁发生器的线圈采用直径为2～10mm的紫铜线绕制而成。

可选的，各所述电磁发生器之间的间距为150～180mm，各所述电磁发生器底部到所述待处理焊接接头的距离为1～10mm，各所述电磁发生器的电感为200～1000μH。

可选的，所述U形铁芯由0.2～0.7mm的取向硅钢片叠制而成，所述U形铁芯包括一个上缘和两个磁头，所述上缘厚度为20～120mm，所述上缘高度为10～60mm，各所述磁头高度为100～380mm，各所述磁头宽度为20～100mm，两个所述磁头内侧之间的距离为150～180mm。

可选的，所述电源系统采用输出震荡波电流或三角波电流或矩形波电流或正弦波电流的电源。

可选的，所述冷却系统包括冷却水、循环泵和蓄水箱，所述蓄水箱用于存储所述冷却水，所述循环泵用于泵送所述冷却水至所述线圈内部。

可选的，所述冷却系统的入口水温为20～30℃，出口水温小于55℃，所述冷却水的流量为0.5～3m³/h。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置，包括：电源系统、电磁发生器系统和冷却系统；所述电磁发生器系统包括多个电磁发生器，所述电磁发生器包括线圈和U形铁芯，所述线圈缠绕在所述U形铁芯上，所述线圈与所述电源系统连接；所述冷却系统用于冷却电磁发生器系统，所述电磁发生器系统位于待处理焊接板的正上方。本实用新型可提供消除焊接残余应力所需的能量，对接头显微组织不会产生影响，不仅能够提高接头相应的性能，而且能够提高消除焊接残余应力的效率。本实用新型可随焊接设备即时进行消应力处理，也可以在焊接结束之后再进行消应力处理，适应性比较强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型基于电磁能去除焊接残余应力的装置组成图；

图2为本实用新型电磁发生器系统结构示意图；

图3为本实用新型电磁发生器主视图；

图4为本实用新型电磁发生器俯视图；

图5为本实用新型震荡波示意图；

图6为本实用新型矩形波示意图；

图7为本实用新型三角波示意图；

图8为本实用新型正弦波示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型基于电磁能去除焊接残余应力的装置组成图。图2为本实用新型电磁发生器系统结构示意图。如图1和图2所示，一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置，包括：电源系统1和电磁发生器系统2；所述电磁发生器系统2包括多个电磁发生器20，可用于焊接接头较长的产品上，从而提高消应力处理效率。所述电磁发生器包括线圈201和U形铁芯202，所述线圈201缠绕在所述U形铁芯202上，所述线圈201与所述电源系统1连接；所述电磁发生器系统2位于待处理焊接接头4的正上方。各所述电磁发生器20之间的间距D为150～180mm，各所述电磁发生器20底部到所述待处理焊接接头4的距离f为1～10mm，各所述电磁发生器20的电感为200～1000μH。所述装置还包括承载板5，所述承载板5用于连接、固定和支撑各所述电磁发生器20，须有一定的刚度，防止在工作过程中发生变形，可选用刚度较好的槽钢或工字钢，去除焊接残余应力的处理时间根据所述待处理焊接板的长度和所述U形铁芯的数量确定。

当温度大于或等于设定温度值时，所述装置还包括冷却系统，所述冷却系统与所述电磁发生器系统2连接，所述冷却系统用于冷却所述电磁发生器系统2，当装置的冷却方式为水冷、空冷、雾冷时，各所述电磁发生器的线圈由多根直径为3～10mm、壁厚为1～3mm的紫铜管绕制而成，各所述电磁发生器的线圈匝数为20～100匝，铜管之间通过绝缘丝带进行绝缘。铜管直径可以根据电磁发生器冷却效果而定。

当温度小于设定温度值时，例如，当装置为自然冷却时，各所述电磁发生器的线圈采用直径为2～10mm的紫铜线绕制而成。

图3为本实用新型电磁发生器主视图。图4为本实用新型电磁发生器俯视图。如图3和图4所示，所述U形铁芯202由0.2～0.7mm的取向硅钢片叠制而成，所述U形铁芯202包括一个上缘和两个磁头，所述上缘厚度e为20～120mm，所述上缘高度x为10～60mm，各所述磁头高度y为100～380mm，各所述磁头宽度z为20～100mm，两个所述磁头内侧之间的距离d为150～180mm。线圈的厚度b、高度a、宽度c可根据铜管的直径、匝数、电磁发生器输出功率等进行匹配。

图5为本实用新型震荡波示意图。图6为本实用新型矩形波示意图。图7为本实用新型三角波示意图。图8为本实用新型正弦波示意图。如图5-8所示，所述电源系统1采用输出震荡波电流或三角波电流或矩形波电流或正弦波电流的电源。电流经过电磁发生器后可输出具有瞬时较大磁场强度的功能，电磁发生器可采用并联和串联方式进行连接，输入电流1～500A，输入电压380V，输出峰值电流10～1000A，占空比为0～100％，频率为10～1000Hz。

所述冷却系统包括冷却水、循环泵和蓄水箱，所述蓄水箱用于存储所述冷却水，所述循环泵用于泵送所述冷却水至所述线圈201内部。所述冷却系统的入口水温为20～30℃，出口水温小于55℃，所述冷却水的流量为0.5～3m³/h。

本实用新型可提供消除焊接残余应力所需的能量，对接头显微组织不会产生影响，可以提高接头相应的性能。本实用新型可随焊接设备即时进行消应力处理，也可以在焊接结束之后再进行消应力处理，适应性比较强。即，本实用新型的装置可以实现在线处理，也可以实现焊后处理。当进行在线处理时，该装置要与焊接速度进行匹配，确保单位面积所接受处理的时间为10s～60s。所以要使电磁发生器的个数、处理时间和焊接速度相匹配。

本实用新型的装置可以适用于多种形式的焊接接头，设备效率高，磁场透入深度大，可处理厚度较大的焊接接头。本实用新型不会影响焊接接头的表面质量，不会改变接头组织，并在处理后不会因为应力松弛而发生宏观塑性变形。在冷态情况下，可去除焊接残余应力约40％。在热态情况下，可去除焊接残余应力50～60％。

本实用新型具有下列优势：

第一，消除焊接残余应力更具针对性。焊接应力多数存在于焊缝和焊接热影响区，而焊缝和焊接热影响区的范围和面积较小，利用该发明装置可直接用于焊缝和焊接热影响区等残余应力较高的区域，消除残余应力更具针对性。常规热处理会把整个焊接构件进行热处理，虽然可以对焊接接头的残余应力进行去除，但也会影响到母材的性能，从而顾此失彼。

第二，残余应力消除过程用时短。利用该发明，单位长度处理时间较短，可以根据实际焊接接头长度进行电磁发生器个数选择，从而进一步减小处理时间。常规热处理，耗时较长，根据产品的厚度，动辄10小时以上。

第三，残余应力消除效率高。由于该发明处理时间短，其处理效率高。常规热处理时间长，热处理效率较低。

第四，对焊接接头表面质量无影响。该发明在处理过程中，没有接触到焊接接头表面，处理的温度为常温或焊后热态，其温度较低，不会产生氧化铁皮等次生缺陷。

第五，不会对焊接接头的显微组织产生影响。该发明处理温度较低，不会使接头显微组织发生变化，即不会发生相变。而常规热处理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。

第六，残余应力消除设备简单，不会产生次生污染和危害。该发明装置和方法简单，常规热处理设备庞大复杂。

第七，具有较强的适应性。该发明具有较强的适应性，可以满足不同厚度和类型的焊接接头。而常规热处理并不能满足较大尺寸范围内的产品。

具体实施例1：

采用Q690钢板作为焊接母材，试板尺寸为500×200×15mm，在试板宽度的1/2处沿长度方向开“V”形坡口，坡口角度为60°。焊接采用富氩混合气体保护焊(MAG焊)，极性为DC+，焊丝选用药芯焊丝CHT100CK3，焊接过程采用Ar+20％CO₂气体保护，气体纯度99.98％以上。表1为母材和焊材的化学成分，表2为材料的力学性能，表3为焊接参数。焊接残余应力测定采用盲孔应力释放法，测定点位于焊缝中心，共有6个，测定点之间的间距>10mm。

表1母材和焊材的化学成分(质量分数，％)

表2材料的力学性能

表3焊接参数

经过焊接后，形成待处理的焊接接头。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、处理时间和电磁发生器底部到焊接接头的距离是主要影响因素，其中当电流频率为10Hz，占空比为20％，处理时间为30s时，分别改变峰值电流和电磁发生器底部到焊接接头的距离，可得到四个方案。表5为方案1实验结果，表6为方案2实验结果，表7为方案3实验结果，表8为方案4实验结果。

表4焊接残余应力处理方案

表5方案1实验结果

盲孔法测定的残余应力为平面应力，有X方向和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5可知，方案1处理后，X方向应力平均降低幅度为38％，Y方向应力平均降低幅度为24.5％。

表6方案2实验结果

由表6可知，方案2处理后，X方向应力平均降低幅度为45.2％，Y方向应力平均降低幅度为29.4％。

表7方案3实验结果

由表7可知，方案3处理后，X方向应力平均降低幅度为50％，Y方向应力平均降低幅度为32.1％。

表8方案4实验结果

由表8可知，方案4处理后，X方向应力平均降低幅度为54.3％，Y方向应力平均降低幅度为41.6％。

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实用新型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实用新型的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。

Claims

1.一种基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，包括：电源系统、电磁发生器系统；所述电磁发生器系统包括多个电磁发生器，所述电磁发生器包括线圈和U形铁芯，所述线圈缠绕在所述U形铁芯上，所述线圈与所述电源系统连接；所述电磁发生器系统位于待处理焊接板的正上方，去除焊接残余应力的处理时间根据所述待处理焊接板的长度和所述U形铁芯的数量确定。

2.根据权利要求1所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，当温度大于或等于设定温度值时，所述装置还包括冷却系统，所述冷却系统与所述电磁发生器系统连接，所述冷却系统用于冷却所述电磁发生器系统。

3.根据权利要求2所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，当温度大于或等于设定温度值时，各所述电磁发生器的线圈由多根直径为3～10mm、壁厚为1～3mm的紫铜管绕制而成，各所述电磁发生器的线圈匝数为20～100匝。

4.根据权利要求1所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，当温度小于设定温度值时，各所述电磁发生器的线圈采用直径为2～10mm的紫铜线绕制而成。

5.根据权利要求1所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，各所述电磁发生器之间的间距为150～180mm，各所述电磁发生器底部到所述待处理焊接接头的距离为1～10mm，各所述电磁发生器的电感为200～1000μH。

6.根据权利要求1所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，所述U形铁芯由0.2～0.7mm的取向硅钢片叠制而成，所述U形铁芯包括一个上缘和两个磁头，所述上缘厚度为20～120mm，所述上缘高度为10～60mm，各所述磁头高度为100～380mm，各所述磁头宽度为20～100mm，两个所述磁头内侧之间的距离为150～180mm。

7.根据权利要求1所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，所述电源系统采用输出震荡波电流或三角波电流或矩形波电流或正弦波电流的电源。

8.根据权利要求2所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，所述冷却系统包括冷却水、循环泵和蓄水箱，所述蓄水箱用于存储所述冷却水，所述循环泵用于泵送所述冷却水至所述线圈内部。

9.根据权利要求8所述的基于电磁能去除焊接残余应力的装置，其特征在于，所述冷却系统的入口水温为20～30℃，出口水温小于55℃，所述冷却水的流量为0.5～3m³/h。