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乌克兰消除残余应力的电物理处理工艺

发布时间:2016-11-17 阅读:0次

HINA MACHINERY INVESTMENT GROUP LIMITED
华建机械投资有限公司


一、消除残余应力的传统工艺
处理方式 优 点 局 限 性
自然时效 晶体位错自然松驰,残余应力逐渐减弱 - 周期长(一般长达六个月、一年甚至更长)
- 工件堆放占地面积大
热时效 通过加热、保温、退火,促进晶体移动和结构重组,降低位错变形的密度,使金属性能得到改善 - 建造和维护加热炉成本高,耗能多,劳动强度大,污染严重
- 炉内温度不均匀,升降温的速度无法严格控制
- 大尺寸部件不便放入加热炉处理
振动时效 对受处理工件施加100-200赫兹的低频载荷,引发工件共振,使工件晶体位错密度降低 - 只能降低应力的高峰值,不能完全消除残余应力,有时还可能引发新的应力
- 无法处理自身共振频率大于200赫兹的短工件
- 噪音高达93-95分贝
- 振动次数过多会降低工件的使用寿命
超声波
冲击处理 用超声波频率冲击工件表面,形成一种收缩应力,从而增大工件表层的强度 - 只能在工件表面收缩应力,形成一个加固层,提高抗疲劳强度,但加固层厚度不超过1-1.5毫米
- 26-28千赫兹的超声波冲击无法深入到工件内部,因此也无法消除工件内部的残余应力

二、电物理处理工艺
工作原理:让电流脉冲按照预先设定的规则(包括间隔、强度、方向等变化)沿金属工件扩散,通过磁能量、电能量和电子能量促使金属微观结构内的位错加快移动(晶体内和晶体之间),消除晶体缺陷,达到松驰残余应力的目的。
在此过程中,起关键作用的因素是:
 
磁能量 电流产生涡旋磁场,促使磁畴壁移动,从而促使位错的移动和变形结构重组。
电能量 电流形成的电场可以在金属内部产生弹性机械应力(纵向拉伸力和横向收缩力),促使位错在晶体内向晶界和晶体上表面移动。
电子能量 电流脉冲对电子的特性产生影响,减少位错部位的电子阻力,降低障碍高度,从而减少位错在障碍处的堆积,加快变形结构的重建。
热能量 电流的温度能够对晶体内的位错产生一定的热起伏作用,有助于位错的消除。
由于电物理处理时电流产生的热量不超过50度,所以此因素可以忽略不计。

     效果:金属微观结构改善,磁通量加大,矫顽力降低,金属的机械特性也明显改善,抗拉强度、塑性和疲劳强度均有显著提高。
使用特点:
- 处理结构件的厚度可以达到40毫米;
- 处理过程只需要15-20分钟;
- 对需要处理的工件无尺寸上的限制;
- 设备重量不足2吨,可运至任何现场完成工作,无噪音,无污染,节省时间和能耗。
试验案例1 
电物理处理对位错结构重组和应力松弛的影响

试验表明,对用俄制АК25(14ХН3МФДА)号合金钢制做的焊接件进行电物理处理后,磁通量н提高8-16%,晶体尺寸LA缩小25-50%,位错密度ND降低30-40%,微观应力降低70-80%,如图所示:

磁通量      晶体尺寸
位错密度          微观应力(二极应力)

注:АК25(14ХН3МФДА)是一种合金钢,可用于制造坦克装甲和舰艇的船体。
   
试验案例2 
电物理处理对金属结构的影响

以下是放大100倍的显微照片,显示电物理处理前后焊缝处(左列)和焊缝周边区域(右列)金属结构变化情况:

焊缝处(沿纵向中心位置)
俄制35ГС号低合金钢

(处理前)颗粒尺寸为6
焊缝周边区域
俄制35ГС号低合金钢
(处理前)颗粒尺寸为9级
(处理后)颗粒尺寸为8级   (处理后)颗粒尺寸为10级
基本金属的颗粒尺寸在电物理处理前和电物理处理后均为11级。
注:35ГС是一种低合金钢,用于制造建筑钢筋。
试验案例3 
电物理处理对金属材料冲击韧性的影响
对焊缝不做处理、做热处理、做电物理处理后,冲击韧性的变化情况: 
俄制20号钢(碳素钢)         
俄制09Г2С号钢(低合金钢)

■- 不做处理   ●- 做热处理        ▲- 做电物理处理        ◆- 基础材料
注:09Г2С是一种高强度低合金钢,用于制造输油管道和各种机械制造业的结构件。20号钢是一种碳素钢。

试验案例4 
电物理处理对金属材料疲劳强度的影响
2008年乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所做过一个有关疲劳强度的试验。
试验样件为俄制09Г2С号低合金钢,T型焊接件,长450mm, 宽120mm, 厚10mm
试验方法:对样件施加反复的对称的弯曲载荷,压力为120MPA,频率为14赫兹。
试验结果:
- 对未做处理的样件施加载荷,达到40万次时出现疲劳裂纹。
- 对经过电物理处理的3个样件施加载荷,出现3毫米长疲劳裂纹时:
1号样件 施载56万次 疲劳强度提高1.4倍
2号样件 施载72万次 疲劳强度提高1.8倍
3号样件 施载72万次 疲劳强度提高1.8倍
试验结果表明,经过电物理处理,金属材料疲劳强度有大幅度提高。

四种处理方法效果之比较
焊接后
处理方法 检 测 指 标 (绿色标出的为良好现象,黄色标出反之,淡粉色为视情而定)
 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
 
硬度
HV 
抗拉强度
极限
σ b  MPa 
相对延伸率
  % 
相对收缩力
   % 
冲击韧性
KCV J/sm-2  
疲劳强度 
宏观应力
(1级)
MPa 
微观应力
(2级)
 MPa 
错位密度
Nd sm-2 
晶体
颗粒尺寸

热处理 下降 无明显
变化 增强 增强 增强 增强 下降 下降 下降 缩小

振动处理 无明显
变化 下降 无记录 无记录 无记录 下降 下降 无明显
变化 无记录 无明显
变化

超声波处理 增强 无记录 无记录 无记录 无记录 下降 无记录 无明显
变化 无记录 无明显
变化

电物理处理 无明显变化
或增强 增强 增强 增强 增强 增强 下降 下降 下降 缩小
对金属材料进行热处理后,材料硬度会降低;进行电物理处理后,材料硬度变化不大,有时甚至还有提高。另外,在都有增强的指标上,电物理处理的增强幅度大于热处理。

乌克兰专家处理过并取得良好效果的材料清单(材料标号为乌克兰和俄罗斯标准)
碳素钢 -  ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, 15, 20,  20Х, 25, 30Х, 40Х, 45
低合金钢 -  09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д-35, 10ХСНД, 12ГС, 12Г2СБ, 13Г1СУ,  14ХГС, 14ГН, 14СНД, 15ХСНД, 15Г2СФ, 16ГС
合金钢 -  15Х2МФА (48ТС-3-40), 15Х2НМФА, 18Х2Н4МА, 20ХМФЛ, 20ХГСА, 30ХГСА, 30Х3МФ, 30ХН2МФА, 40Х2Н2МА
耐高温低合金钢 -  12ХМ, 15Х1М1Ф, 12Х1МФ,18Х3МФ
钛合金 -  ВТ1-0, ВТ5, ВТ6, ВТ8-1
铝合金 -  В95, Д16
不锈钢、耐热和耐高温钢 -  08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т
装甲钢 -   Armox 500T

消除残余应力的MAE-1D装置
MAE-1D装置应用电物理处理原理消除残余应力。它由控制柜、连接电缆和夹子组成。控制柜的正面安装有控制器、显示器和记录仪。需要处理的部件由夹子和一根15米长的电缆连接到MAE-1D装置上。
装置可以固定在一地使用,也可以装入集装箱运至野外工作。
工艺手册会规定电物理处理的参数。处理过程是自动化的,不需要高级操作人员。
控制系统的独特之处是它的控制软件。
每台装置内可以储备8种处理方案。处理数据可以由打印机打印出来。

对管道焊接部位进行电物理处理  
用夹子接上MAE-1D装置                                                                                 MAE-1D电物理处理装置主机
MAE-1D装置主要技术指标
电流脉冲振幅范围  0.1 - 10.0 kА
工作电压,不大于 15-20 V
自动控制的工作状态 8 个
一个处理循环所需时间  15-20 分钟
最大电流脉冲所需功率 150-200 kW
每个处理循环所需电能 6-10 kW/小时
电网电压~3, 50 Hz  380 ± 20 V
尺寸(长宽高) 0.91.41.6 米
重量(不含电缆) 1160 公斤

MAE-1D(MAE-1M)装置部分使用情况
1 “土星”科研生产联合体 1套  俄罗斯雷宾斯克市,制造航空发动机
2 “涅瓦”厂 1套         俄罗斯圣彼得堡市,制造燃气轮机
3 “北方机械制造厂” 4套     俄罗斯谢维拉德温斯克市,制造核潜艇、海上石油钻井平台
4 “钢铁”科研所 1套                   俄罗斯莫斯科市,制造坦克
5 黑海造船厂 1套                        乌克兰尼古拉耶夫市,建造航空母舰
6 “彩霞”机械制造厂 2套              乌克兰尼古拉耶夫市,建造燃气轮机、输油管线加压设备、舰艇 
7 “日升”科研生产联合体 1套        乌克兰克里沃依罗克市,制造燃气轮机
8 “格里纳杰木内”制铝厂 1套         乌克兰尼古拉耶夫市,加工铝原料
9 “奥德萨”港区厂 1套                  乌克兰奥德萨市,生产化肥
10 “氮气”厂 1套                          乌克兰切尔卡斯市,生产化工产品

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