易青

(北方重工集團(tuán)有限公司計(jì)量檢測(cè)中心,遼寧沈陽(yáng) 110027)

大型圓筒混合機(jī)焊縫去應(yīng)力退火的溫度測(cè)量與控制

易青

(北方重工集團(tuán)有限公司計(jì)量檢測(cè)中心,遼寧沈陽(yáng) 110027)

介紹了大型圓筒混合機(jī)消除殘余應(yīng)力的焊縫局部退火的處理方法,并對(duì)電加熱器、加熱控制裝置、熱處理工藝進(jìn)行了闡述,為現(xiàn)場(chǎng)大型筒體焊縫消除殘余應(yīng)力熱處理提供了新的途徑。

溫度儀表 測(cè)量與控制 焊縫 局部退火 殘余應(yīng)力

1 引言

圓筒混合機(jī)是我公司為韓國(guó)制造的大型焊接筒體選礦設(shè)備，其材料為Q235A，幾何尺寸φ4m×18m，厚度為25mm，其焊縫用埋弧自動(dòng)焊機(jī)焊接，采用H08A埋弧焊絲。在選礦混合過(guò)程中的動(dòng)平衡及同軸性直接影響到受力的均勻性，由于焊接、塑性變形、切削加工、鑄造等因素的影響，一旦受力不均，所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力集中在焊縫上容易造成斷裂。因此焊縫焊接后去除內(nèi)應(yīng)力退火，就顯得十分重要，由于在爐內(nèi)退火非常困難，我們采用焊縫局部退火，消除了焊縫所產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)檢驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定。

表1 殘余應(yīng)力對(duì)比分析

圖1 加熱過(guò)程控制原理示意圖

2 退火溫度的測(cè)量與控制

2.1 加熱過(guò)程控制原理

為了保證測(cè)溫時(shí)的精密度與響應(yīng)度，這里選用的7只Ⅱ級(jí)K型鎧裝熱電偶。同時(shí)為了保證整個(gè)退火過(guò)程的可記錄性，還使用了1臺(tái)XWBJ-101大圓圖自動(dòng)平衡溫度記錄儀表，1臺(tái)ER-187溫度記錄儀表以及6臺(tái)智能溫度控制儀表。

2.2 電加熱元件的選擇

陶瓷電加熱器目前按其形狀分為三個(gè)類(lèi)型：即履帶式、繩狀式和指狀式。根據(jù)圓筒混合機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀采用履帶式陶瓷電加熱器，每片額定電壓220V，額定功率10kw， 最高溫度1050℃，發(fā)熱面積約720×260mm。同時(shí)采用強(qiáng)度高，熱輻射性能好的氧化鉛陶瓷元件作絕緣材料，使用鎳鉻絲作發(fā)熱體。

根據(jù)熱處理工件來(lái)確定總電加熱區(qū)域，設(shè)加熱面積為A，A＝D ×H(米)

D為工件外徑，H為加熱寬度，一般情況下可取H＝(7～10)，為熱處理工件的厚度。

2.3 退火溫度的控制

2.3.1 退火溫控柜的選擇

在使用陶瓷電加熱器進(jìn)行熱處理時(shí)，需要配有專(zhuān)門(mén)的溫度控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)電加熱器的升、恒、降溫的變化，最好選用自動(dòng)化程度較高的程序控制設(shè)備。這里我們采用過(guò)零觸發(fā)固態(tài)繼電器或大功率雙向可控硅(SSC/SSR)控制功率輸出，可控硅電源在電壓過(guò)零時(shí)(一般是3°～5°)觸發(fā)，使其導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)的輸出波形為完整的正弦波，不存在電源波形畸變以及隨之而來(lái)的干擾，由于智能溫度控制儀表具有自整定PID及模糊控制功能，使設(shè)備控制精度可達(dá)到±2℃。由于我公司生產(chǎn)的圓筒混合機(jī)直徑通常在φ3.2m～φ3.8m，需要16個(gè)陶瓷電加熱器，考慮到留有充分余地，選擇控制設(shè)備的總功率為180kW，即可控制18個(gè)電加熱器，其中控溫點(diǎn)6個(gè)，記錄點(diǎn)12個(gè)。

2.3.2 加熱系統(tǒng)升溫時(shí)的溫度控制

圓筒混合機(jī)焊縫去應(yīng)力退火曲線(xiàn)如圖2所示

去應(yīng)力退火溫度一般為500℃～650℃；該溫度退火時(shí)金屬的組織不發(fā)生變化，只是消除內(nèi)應(yīng)力。按該工藝要求加熱到550℃～590℃，考慮到溫度儀表顯示、控制有一個(gè)誤差極限，故取加熱溫度為570℃。開(kāi)始升溫加熱時(shí)，根據(jù)圓筒混合機(jī)筒體內(nèi)壁焊縫的測(cè)溫儀表顯示的升溫速度來(lái)反復(fù)調(diào)整ZWK型溫控柜上的PXW系列智能溫度控

圖2 退火工藝曲線(xiàn)

制儀表，使得電加熱器退火溫度在620℃～780℃范圍內(nèi)找出最佳溫度，使得筒體在11.4小時(shí)溫度上升到570℃；得到XWBJ-101大圓圖自動(dòng)平衡記錄儀升溫曲線(xiàn)的升溫速度為50℃/h。

2.3.3 保溫過(guò)程的控制

當(dāng)大圓圖自動(dòng)平衡記錄儀升溫曲線(xiàn)到570℃時(shí)開(kāi)始恒溫，恒溫目的是指被加熱圓筒焊縫內(nèi)外溫度一致，恒溫時(shí)間為80min。在恒溫時(shí)期由于存在熱能的補(bǔ)給與散失，恒溫溫度可能呈現(xiàn)出波動(dòng)趨勢(shì)，這時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，觀(guān)察大圓圖自動(dòng)平衡記錄儀的記錄曲線(xiàn)，調(diào)整溫度智能儀表的退火最高溫度，使恒溫曲線(xiàn)滿(mǎn)足工藝要求。

2.3.4 降溫過(guò)程的控制

經(jīng)80min的恒溫后開(kāi)始降溫，溫控柜的溫度智能儀的降溫時(shí)間調(diào)整到7.4小時(shí)，并根據(jù)大圓圖自動(dòng)平衡記錄儀的降溫速度記錄曲線(xiàn)，設(shè)定下限溫度為250℃附近，使大圓圖自動(dòng)平衡記錄儀的降溫速度是50℃/h降溫。當(dāng)降溫曲線(xiàn)為200℃時(shí)，斷開(kāi)電源，自然空冷，不要放在通風(fēng)處，以免影響退火質(zhì)量。

3 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果分析

殘余應(yīng)力對(duì)筒體的影響是復(fù)雜、多方面的，我們僅從消除殘余應(yīng)力的熱處理工藝進(jìn)行分析。圓筒混合機(jī)筒體焊縫經(jīng)去應(yīng)力退火處理后，經(jīng)用“鉆孔法”在圓周焊縫附近對(duì)稱(chēng)取四個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)殘余應(yīng)力經(jīng)過(guò)分析對(duì)比如表1所示。

采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算殘余應(yīng)力的相當(dāng)應(yīng)力，退火前的各測(cè)量點(diǎn)殘余應(yīng)力是較高的，而退火后的各測(cè)量點(diǎn)殘余應(yīng)力下降幅度較大。針對(duì)退火前后殘余應(yīng)力和相當(dāng)應(yīng)力的相對(duì)變化率普遍下降，觀(guān)察相當(dāng)應(yīng)力的相對(duì)變化率最小幅度是58.8%，最大幅度是83.0%，殘余應(yīng)力平均下降了70.4%。

4 結(jié)語(yǔ)

以上分析說(shuō)明此種退火方法滿(mǎn)足了筒體焊縫局部退火溫度的工藝要求。消除殘余內(nèi)應(yīng)力的效果非常理想。同時(shí)，此方法由于采用了內(nèi)外雙側(cè)保溫氈進(jìn)行徑向復(fù)蓋，其保溫效果非常好，即降低了電能消耗，又保證了質(zhì)量，增加了效益，減少了操作者勞動(dòng)的強(qiáng)度。焊縫局部退火溫度控制將與電爐溫度控制一樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。不足之處是操作復(fù)雜，如熱電偶的安裝，溫度儀表的控制，溫差的減小，需要操作人員具有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

[1]中國(guó)紡織大學(xué),方博武,編著.《金屬冷熱加工的殘余應(yīng)力》高等教育出版社,1991(7).

[2]戴少度,主編.《材料力學(xué)》.國(guó)防工業(yè)出版社出版發(fā)行,2000(8).