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山东大学硕士学位论文 消应力电磁锤研制 摘要 本文针对目前消应力锤击工具存在的问题，研制了一种新型的锤击工具 电磁锤，该锤击工具可以实现锤击频率和锤击力独立调节，满足焊接工艺的要求。 电磁锤主要由锤击器、控制电路、主电路等部分组成。锤击器的主体部分为 甲壳螺管式电磁铁，主电路为晶闸管半波整流电路。锤击频率调节由控制电路有 节律的输出触发脉冲信号，触发主电路中的晶闸管实现；锤击力通过控制电路改 变触发脉冲的相位，调节锤击器电磁线圈的电流实现。 锤击器是电磁锤的主体部分，电磁锤通过锤击器实现对工件的锤击。锤击器 由电磁线圈、衔铁、锤杆、复位弹簧、外壳等部分组成。电磁线圈采用圆柱形， 线圈内径为2 3 r a m ，线圈厚度为3 0 m m ，线圈长度为4 0 m m ，绕线直径为o 8 3 m m ( 带 绝缘漆层) 。理论计算和分析表明：线圈发热量、线圈激磁安匝数随着线圈长度 或线圈厚度的增加而减小；随着绕线直径的增加而增大。 控制电路是电磁锤的核心，用于实现电磁锤锤击频率、锤击力独立调节。该 电路主要由稳压电源、同步电路、移相电路、调频电路、整形电路、驱动电路等 几部分组成。稳压电源为控制电路提供1 2 v 直流电压；同步电路获得与网压同 步信号，然后通过移相电路对同步信号整形，得到相位可调、频率为5 0 h z 的脉 冲信号。该脉冲信号经过调频电路降频，得至相位、频率都可调的脉冲信号。主 电路负载为感性负载，要求触发脉冲信号必须具有一定宽度才能有效触发主电路 中的晶闸管，因此通过整形电路把脉冲信号展宽，然后通过驱动电路输出触发主 电路中的晶闸管。 控制电路的主要部分均以集成电路为核心，电路工作稳定可靠。通过两个电 位器，输出的脉冲信号频率可以在0 4 3 1 2 5 h z 之间调节：脉冲信号的相位在 1 89 1 7 5 。之间连续调节。 实际测试结果表明，本文设计制作的电磁锤能够达到的最高锤击频率为 8 3 h z ，最高锤击力为2 8 1 k n 。当锤击力最大时，电磁锤连续工作而不致过热 的锤击频率范围为0 4 3 2 3 h z ，当锤击频率为8 3 h z 时，电磁锤可连续工作7 6 0 s 。 关键 司：电磁锤锤击处理焊接应力消应力 当奎查耋鎏主主垡笙苎 d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o m a g n e t i c h a m m e rf o rs t r e s s r e l i e v i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an e w p e e n i n gt o o l ，e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r , f o r s t r e s sr e l i e v i n g h a sb e e ni n v e s t i g a t e d p e e n i n gf r e q u e n c ya n dp e e n i n gp o w e ro ft h et o o lc a nb e a d j u s t e di n d e p e n d e n t l y t om e e tt h ed e m a n d so f w e l d i n gp r o c e d u r e e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e rm a i n l yc o n s i s t so fp e e n i n gi m p l e m e n t ，c o n t r o lc i r c u i t a n dm a i nc i r c u i t t h em a i ns t r u c t u r eo f p e e n i n gi m p l e m e n t i ss o l e n o i de l e c t r o m a g n e t ； m a i nc i r c u i ti ss i l i c o n - c o n t r o l l e dh a l f - w a v er e c t i l y i n gc i r c u i t p e e n i n gf r e q u e n c yi s c o n t r o l l e db yt h et r i g g e r i n gp u l s es i g n a l ，w h i c ht r i g g e r st h ec o n t r o l l e ds i l i c o ni nm a i n c i r c u i t ，o u t p u tb yac o n t r o lc i r c u i t p e e n i n gp o w e ri s d e t e r m i n e db yt h et r i g g e r i n g p u l s es i g n a l sp h a s e ，w h i c ha d j u s t st h ee l e c t r i cc o i l sc u r r e n t p e e n i n gi m p l e m e n t u s e df o r p e e n i n g t h e w o r k p i e c e i st h em a i n p a r t o f e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r i tc o n s i s t so fm a g n e t i cc o i l ，a r m a t u r e ，h a m m e rb a r , r e s t o r i n g s p r i n ga n ds h e l le t c m a g n e t i cc o i l i s c y l i n d r i c a l t h e i n n e rd i a m e t e ri s2 3 m m ， t h i c k n e s si s3 0 m m ，l e n g t hi s4 0 m ma n dd i a m e t e ro f w i r er a p p i n gi s0 8 3 m m a n a l y t i c c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：w i t ht h ec o i ll e n g t ha n dt h ec o i lt h i c k n e s si n c r e a s i n g h e a tp r o d u c t i v i t ya n dt h en u m b e ro fa m p e r et u r n sd e c r e a s e ；w i t ht h ed i a m e t e ro fw i r e r a p p i n gi n c r e a s i n gh e a tp r o d u c t i v i t ya n d t h en u m b e ro f a m p e r et u r n si n c r e a s e c o n t r o lc i r c u i t ，w h i c hc o n t r o l st h es w i t c h i n go fm a i nc i r c u i ta n dc o i lc u r r e n t ，i s t h ec e n t e ro f e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r c o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e sd i r e c tc u r r e n tp o w e r ， s y n c h r o n o u sc i r c u i t ，p h a s e s h i f t i n gc i r c u i t ，f r e q u e n c y m o d u l a t i o nc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t a n ds oo n d i r e c tc u r r e n t p o w e r o f f e r s12 vd cv o l t a g ef o r c o n t r o lc i r c u i t s y n c h r o n o u sc i r c u i tp r o d u c e sp u l s es i g n a lw i t hn e t w o r k p h a s e s h i f t i n gc i r c u i t a n d f r e q u e n c y m o d u l a t i o nc i r c u i ta d j u s t t h es y n c h r o n o u ss i g n a l sp h a s ea n df r e q u e n c y b e c a u s em a i nc i r c u i tl o a di si n d u c t i v e ，t h es i g n a lm u s tb ee x p a n d e db yw a v e s h a p i n g c i r c u i t a tl a s t ，t h es i g n a li so u t p u tb yd r i v ec i r c u i ta n d t r i g g e r ss c r i nm a i nc i r c u i t c o n t r o lc i r c u i t sm a i ns t r u c t u r ei s i n t e g r a t ec i r c u i t a n dt h ec i r c u i tc a nw o r k s t e a d i l y t h r o u g hr e g u l a t i n gt h et w op o t e n t i o m e t e r si n c o n t r o lc i r c u i tt h et r i g g e r i n g p u l s es i g n a l sf r e q u e n c yc a n b ea d j u s t e df r o m0 4 3 h zt o1 2 5 h za n di t sp h a s ec a nb e v a a j u s t e df r o m1 8 。t o1 7 5 。 e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r sp e e n i n gf r e q u e n c y c a dg ou pt o8 ，3 h za n dm a x i m u m p e e n i n gp o w e ri s 2 8 1k n w h e ni tw o r k sw i t hm a x i m u mp e e n i n g p o w e r f o r l o n g - t i m e a n dd o e s n t o v e r h e a t ，e l e c t r o m a g n e t i c h a m m e r sm a x i m u m p e e n i n g f r e q u e n c yi s2 3 h z w h e nt h ep e e n i n gf r e q u e n c yi s 8 3 h ze l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r c a nw o r k c o n t i n u o u s l yf o r 7 6 0 s k e y w o r d s ： e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r ；p e e n i n g ；w e l d i n g s t r e s s ；s t r e s sr e l i e v i n g v 1 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 益空璺 e l 期： 论文作者签名：墨丝笙遂 期： p 口夸，串。6 关于学位论文使用授权的声明 本入完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：考亟至量导师签名：遂丝星日期：竺兰墨z 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着国民经济的发展，焊接的应用日益广泛，尤其在压力容器、造船、化工 和石油设备、重型机械、核容器、航天飞行器和海洋工程等领域中，应用更为广 泛。 焊接是一个快速加热和冷却的过程，存在不均匀的温度场，高温金属在冷却 过程中，受到冷金属的约束而不能自由收缩，因而在这个过程中焊件会产生较大 的瞬态应力，焊后产生较大的焊接应力。 焊接应力对焊接结构的质量产生不利影响，它不仅会降低焊接结构的承载能 力，导致低应力破坏、疲劳破坏、应力腐蚀开裂等，而且还会影响结构的机加工 精度和尺寸稳定性。因此，必须采取应措施减小和消除焊接应力。 1 1 降低和消除焊接应力的方法 由于焊接残余应力对焊接质量有很不利的影响，因此如何降低和消除焊接残 余应力成为焊接领域的一个重要课题，人们提出了许多降低和消除残余应力的方 法。主要的方法有：焊前预热、整体高温回火、局部高温回火、机械拉伸法、温 差拉伸法、振动法、爆炸法、脉冲磁处理法、喷丸处理法、锤击法等【l _ 8 】。 1 焊前预热 焊前预热可有效地降低焊接残余应力，这在焊接实践中早已得到证实。在焊 接铸铁、高速钢等脆性材料时，为了降低应力，往往需要焊前预热，并且辅助以 缓冷。这种方法可有效地降低焊接应力，获得比较令人满意的焊缝，但是这种方 法恶化了施工环境。 2 整体高温回火 这种方法是将整个焊件放入一个热处理炉内，加热到一定温度，然后保温一 段时间，再缓慢冷却。消除内应力的效果主要取决于加热温度、材料的成分和组 织、应力状态及保温时间。对于同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力消 除的越彻底。这种方法在降低残余应力的同时还可以改善接头的性能，提高其塑 性。但这种方法一般都在加热炉内进行，对于尺寸较大的结构，如大型厚壁容器、 球罐、原子能发电站设备的压力外壳等，其应用受到一定限制。此外，对于不同 第一章绪论 膨胀系数的金属组成的焊接结构，高温回火处理会引起新的应力。 3 局部高温回火 在焊缝周围进行局部的高温回火，也能降低焊接残余应力，但是消除效果不 如整体高温回火处理好。这种方法最大的优点是灵活方便，比整体高温回火经济， 在整体高温回火很困难的情况下往往采用这种方法。局部处理多用于比较简单 的、拘束度较小的焊接接头，如长的圆筒容器、管道接头、长构件的对接接头。 为了取得较好的降低应力效果，应保证有足够的加热宽度。局部热处理可采用气 体、红外线、间接电阻或工频感应等热源进行加热。 4 机械拉伸法 焊缝及其附近的纵向应力为拉应力，对焊接构件进行加载时，拉应力区在外 载的作用下产生拉伸塑性变形。当外载撤消后，使原来拉伸弹性应变减小，从而 减小拉应力区的应力。加载应力越高，产生的塑性变形越大，内应力消除的越彻 底。 在确定加载应力时，必须充分估计工作时可能出现的各种附加应力，使加载 时的应力高于实际工作时的应力。 5 温差拉伸法 这个方法的基本原理和机械拉伸法相同，也是利用拉伸产生塑性变形，所不 同的是机械拉伸法是利用外力来进行拉伸，而本法是利用局部加热的温差来拉伸 焊缝区。它的具体做法是在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧乙炔焰进行加热，在 焰炬后面一定距离处用一个带有排孔的水管喷头喷水冷却。焰炬和喷水管以相同 的速度向前移动，这样就造成了一个两侧温度高，焊缝温度低的温度场。两侧金 属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸。本法对焊逢比较规则，厚度不大的板壳 结构具有一定的使用价值。 6 振动法 振动法利用由偏心轮和变速马达组成的激振器使结构发生共振所产生的循 环应力来降低内应力1 3 6 】。其效果取决于激振器和构件的支点位置、激振频率和 时间。本法设备简单价廉，处理费用低，时间短，也没有高温回火时金属表面的 氧化问题。我国已在一些重要结构上应用并取得一定的效果，但如何控制振动， 山东大学硕士学位论文 使之既能降低应力又不致于使结构发生疲劳破坏等问题尚待进一步研究解决。 7 爆炸法 本法是通过布置在焊缝附近的炸药带引爆产生的冲击波与残余应力的交互 作用，使金属产生适量的塑性变形，残余应力因而得到松弛。根据构件厚度和材 料的性能选定恰当单位焊缝长度上药量和布置方式是取得良好效果的决定因素。 8 脉冲磁处理法 脉冲磁处理法是一种崭新的非热处理型降低焊接结构中残余应力的方法 【7 9 1 。强脉冲磁处理采用大功率脉冲放电装置，通过不同形式的磁化器进行大电 流脉冲放电，从而产生强脉冲磁场，使铁磁材料在磁化过程中发生物理变化，如 磁畴畴壁的移动和磁矩的转动，磁畴越过阻碍或脱离钉扎移动、合并以至消失， 使得材料内部微区应力状态随之变化，从而导致金属内部发生弥散性分布的微区 塑性变形而产生应力松弛。此外，铁磁材料在磁化过程中还会出现磁致伸缩，在 脉冲磁场的作用下，产生磁振动，从而降低残余应力。透射电镜分析结果表明【叭， 预拉伸钢试样中的位错通过其所具有的某些电磁特性与外加脉冲磁场发生了相 互作用，以至位错开动，分布更加均匀，导致了局部塑性变形，从而引起了应力 松驰。作者认为磁场作用下的位错均匀化是磁处理降低残余应力的主要原因。已 进行的试验表明，脉冲磁处理法是一种很有发展前途的新方法，其消应力机理还 有待进一步研究。 9 喷丸处理 喷丸处理是提高金属制件抗疲劳性能的一种冷加工方法。在喷丸处理中，用 一种小的球形弹丸轰击工件表面，每粒弹丸冲击金属表面就像是用细小的锤尖在 敲击，其消除残余应力的原理类似于锤击处理。表面形成一层压应力区，提高了 工件的疲劳寿命。但是它需要特殊的喷丸设备和特定的场合，灵活性较低，其应 用也受到一定的限制。 1 0 锤击法 锤击处理消除焊接残余应力早已为人们所知。该方法是通过锤击在被处理金 属表面产生两维塑性延伸，释放了焊接过程中产生的残余拉伸弹性应变，从而达 到释放残余应力的目的。该方法和其他方法相比，操作简单、施工方便、效率高， 第一章绪论 可以节省能源，降低成本。但由于多年来，国内外对于锤击处理工艺参数和消应 力之间的关系研究较少，加上锤击装置比较落后，使锤击法的应用受到了限制。 另外，还有许多方法，比如液压脉动法【0 1 等等。还有人把一些方法结合起来 应用，达到比较好的效果【l 】。 1 2 锤击法研究概况 锤击法早在上世纪二十年代就被应用于焊接领域，但当时有关锤击处理的工 艺并没有科学的根据，最直接的原因就是没有办法测量锤击的效果。但由于在当 时锤击是焊接大型结构的一个重要工序，工人在进行生产时不知道应该锤击到什 么程度，完全凭自己的经验进行。所以一些工矿企业迫切希望有关部门能够尽快 制定一套锤击处理的规程来指导生产。 二十世纪2 0 年代到5 0 年代美国对锤击法消除残余应力作了很多研究 n - i v 】。 二十世纪四十年代，美国加利福尼亚大学和华盛顿大学对锤击处理进行了研究。 指出锤击处理能够降低焊接残余应力，防止焊接裂纹的产生，消除焊接变形。 到了五十年代，美国船舶工程国家试验室和海军试验室联合研制了第一台锤击处 理装置，并对锤击处理对焊接结构的力学性能和金相组织的影响进行了研究，发 现试件经过锤击处理后硬度升高，其中在蓝脆温度区间进行锤击处理硬度最高 1 2 1 。 七十年代后，国内外学者对于锤击处理可以改善焊接接头疲劳性能产生了浓 厚的兴趣，并开展了大量的研究工作【1 8 1 9 】。但对于锤击处理消除焊接残余应力方 面的研究不多。 近几年，随着锤击法的应用及研究的发展，在锤击消除焊接残余应力方面的 研究工作逐渐增多，特别在高硬度低塑性钢材焊接时，往往材料不能承受焊接应 力而出现裂纹，致使焊接失败，人们发现在焊后立即进行锤击可以解决这个问题， 并对其机理也进行了深入的研究。 1 2 1 锤击处理对焊接结构性能的影响 任登义教授【2 0 通过手锤对焊条电弧堆焊的6 0 c r m o 工具钢试件进行锤击，用 应变电测法测出了锤击的f t 曲线及锤击力大小，以此为基础探讨了锤击对焊缝 施加影响的机制。指出由于焊后冷速大，焊缝容易形成较大的柱状晶，这种呈束 状排列且单一取向的柱状晶严重损害该方向的抗裂性和韧性。锤击提高其冲击韧 山东大学硕士学位论文 性可从两个方面说明。其一，经过锤击的焊缝，其晶粒基本为等轴晶。锤击力使 焊缝反复变形，尤其是沿柱状晶横向的滑移，使柱状晶破碎，打乱了其方向性； 在锤击后的再结晶过程中，重新形成新的晶界及多边化的亚晶界。这一过程使晶 粒尺寸变小、晶界变薄。而且在后一层锤击时。前一层的高温区仍然持续这一过 程，最终使整个堆焊层消除了较发达的柱状晶，这是锤击增韧的根本所在。其二， 锤击对第二相形态的改变是提高焊缝韧性的另一重要机制。为了便于观察，选用 具有网状碳化物的d 3 1 7 焊缝，并制成锤击与未锤击的复合焊层以便对比观察。 未锤击层，其碳化物沿原奥氏体晶界呈网状分布，锤击层内连续网状形态完全消 失，大部分碳化物变为孤立的团块状，仅少量团块间尚有所谓“搭桥”现象。这 一结果表明，锤击对网状碳化物产生了锻造破碎效应，它可破坏早期析出的第二 相( 如共晶碳化物) 的连续性，从而避免了脆性相对基体的连续割裂，提高焊缝的 韧性储备，使冲击韧性提高3 0 。另外还指出，锤击不仅可以提高冲击韧性， 同时还提高了结构的强度。由于冷焊结晶的极度不平衡，使自然冷却的焊态组织 中存在高密度的微观不连续，表现为微孔、气泡、疏松孔洞等。这些微观缺陷削 弱了焊缝对压头压入的抵抗力，表现为硬度向低值波动。而经锤击的焊缝，在锻 打中这些微观缺陷被压实、弥合甚至焊合，恢复了组织的连续性并提高了致密性， 使平均硬度提高了1 5 。 在对高强铝合金l y l 2 c z 焊接时，随焊锤击处理可明显强化焊接接头，特别 是随焊锤击能够明显强化焊趾，提高焊件的强度和塑性 2 。2 2 1 。与常规焊相比，其 抗拉强度提高2 6 ，延伸率增加5 0 。常规焊件断1 2 1 形貌上存在较多树枝晶； 随焊锤击件断口为韧窝和撕裂棱形貌，焊后锤击的断口形貌则介于常规焊件和随 焊锤击件之间，可观察到韧窝和撕裂棱，亦可观察到少量树枝晶。 焊缝经过锤击处理后，其显微结构发生变化，应力状态也发生变化，原来的 残余拉应力变为残余压应力，使焊接结构的疲劳寿命大幅度提高【2 孓2 ”。文献 2 3 】 指出：锤击处理可以延长焊接接头的裂纹萌生时间，降低裂纹扩展速率，从而提 高试件的疲劳总寿命：锤击处理产生的残余压应力是裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿 命提高的主要原因：缺口愈小，锤击处理所产生的效果愈大。文献 2 4 】则指出， 焊接接头的疲劳强度主要决定于焊趾区的应力集中系数，焊趾区经过锤击处理， 能够显著提高疲劳强度，高强钢材的潜力得以有效发挥。焊趾区经锤击处理能提 高接头疲劳强度，主要是通过锤击引入了残余压应力和改善了焊趾区的应力集中 第一苹绪论 因素，同时也可消除一定微观缺陷。文献 2 5 、 2 6 则从强化焊趾的角度出发， 通过对不进行焊趾强化、手锤焊趾强化、强化器焊趾强化、喷丸焊趾强化的四种 焊缝进行实验，p s n 疲劳曲线对比试验说明，锤击强化后焊缝焊趾的疲劳强度 都有了明显的提高，其幅度分别达到：中值疲劳极限3 6 一1 0 5 ，9 9 存活率 疲劳极限5 7 一1 1 6 。焊缝焊趾的疲劳承载能力达到或接近基体材料的疲劳强 度水平。 锤击消除焊接残余应力主要是由于锤击使焊缝金属产生塑性流动，使焊缝金 属侧向扩展，减小、消除拉伸弹性应变，降低和消除焊接残余拉伸内应力。因而 通过锤击处理，可以消除引起变形的焊接残余应力2 7 。0 1 。 另外锤击处理引入了残余压应力，对于抗腐蚀钢焊缝来说，焊接接头的抗腐 蚀性能也有所提高。 l 。2 。2 锤击参数对锤击效果的影响 锤击参数主要包括锤击力、锤击温度、锤击部位、锤击次数、锤头形状和尺 寸等。不同的锤击参数，锤击的效果不同。如果锤击参数选择不合适，锤击处理 不但不能达不到预期的目的。反而会出现相反的效果。 1 锤击力 锤击力不同，消除残余应力的效果也不相同。一开始，随着锤击力的增加， 焊缝处的残余应力进一步得到释放，但熔合线及焊接热影响区中的释放不如焊缝 中心区显著。但是锤击力并不是越大越好。当锤击程度超过材料的塑性允许极限 时，反而产生因锤击而造成的裂纹1 3 1 3 2 。对薄板焊接时出现热裂纹进行分析，锤 击力对锤击效果有很大的影响，锤击力在小于2 m p a 和大于5m p a 时焊件的裂纹 率均比较大，锤击力在2 5m p a 之间时裂纹率较低，基本上属于弧坑裂纹。因 此，锤击力在此范围内时，可有效地控制焊接热裂纹的产! l t 33 1 。因为当锤击力较 小时，锤击作用形成的应变量不足以抵消焊接过程中不均匀加热形成的致裂拉应 变，控制热裂纹的效果不明显。当锤击力较大时，锤击会导致焊接熔池产生较大 的振荡，反而会促进热裂纹的进步产生。 2 锤击温度( 锤击时机) 王新洪老师建立了锤击消应力的有限元模型，并用该模型对自口铸铁焊补进 山东大学硕士学位论文 行实例分析【3 1 3 2 5 2 1 。指出锤击时机对锤击的效果也有很大影响，在高温和低温区 间锤击，残余应力的释放效果不佳。在高温进行锤击，此时焊缝仍处于塑性状态， 锤击能不能被很好地吸收，因此锤击效果差；若在低温，锤击能同样也不能被大 量吸收，锤击效果不仅不好而且还可能产生机械破坏作用。而在中温区间进行锤 击，可以有效地释放残余应力。这说明了锤击必须在焊缝恢复弹性的温度下进行， 此时焊缝塑性高锤击效果好。随焊锤击工艺就是利用焊后焊缝的温度在最佳温度 进行锤击，并且收到了很好的效果 3 3 - 3 5 】。 3 锤击强度 在研究锤击强度对残余应力的影响时，引入了锤击密度的概念口“，即锤击痕 覆盖率s s w ，其中s j 为锤击痕总侧表面积，s w 为焊缝表面积。通过改变锤击 密度来改变锤击强度。发现，随着锤击痕覆盖率的增加，焊缝表面纵向残余应力 进一步降低，对焊缝中心进行应力测量，其应力值已达到材料的屈服极限【3 。由 此可以看出随着锤击次数的增加，被锤击部位的塑性变形量增大，压应力会上升 到很大值，但是这些残余压应力只是在被锤击的表面，而深层有可能由于过度锤 击而产生新的拉伸内应力，因而锤击强度不宜过高。 4 锤击部位 文献【3 6 对1 6 m n r 钢板的焊接接头的不同锤击部位进行了对比试验，指出 锤击处理可以有效地消除焊接接头残余应力。 当仅对焊缝表面层进行锤击处理时，当锤击覆盖率( 锤击痕总侧表面积与焊 缝表面积之比) 为o 5 o 7 5 时，焊接接头表面残余应力被较好地消除，锤击后 焊缝成双向压缩应力状态，熔合线附近纵向保留1 0 0 1 2 0 m p a 作用的拉伸应力。 再增加对焊缝表面的锤击，只能增加焊缝双向压缩应力合熔合线附近的横向压应 力，而对熔合线附近的纵向残余应力应力影响不大。 当集中对焊缝两侧熔合线附近的区域进行覆盖率为6 的锤击处理，并对焊缝 表面进行o 2 5 覆盖率均匀锤击处理，结果使焊缝表面与熔合线附近区域的表面 残余应力都被有效地消除。但是深度较小。 逐层处理试板内部残余应力也得到了较好的消除。其内部纵向应力最高值 2 0 0 m p a ，并且在焊缝表面及一定深度范围内构成双向压应力层。在逐层锤击处 理工艺中，焊缝在自身的热循环过程中的弹性拉伸应变将在随后的锤击处理中得 第一章绪论 到释放。理论上讲，当焊后的锤击处理使金属产生的塑性伸长应变范围和应变量 等于焊接热循环产生的拉伸弹性范围和应变量时，残余拉应力将被彻底地消除， 而下道焊缝相当于在无应力试板上迸行，在这种条件下，逐层处理的多层焊试 板内部将没有残余拉应力的存在。 文献【3 3 】指出，薄板焊接时，锤击部位和熔池距离r * = 1 7 m m 时，裂纹率较 大；当rt = 2 0 m m 时裂纹率较小，且随锤击距离的增大，裂纹率增大。因为当 锤击距离较小时，锤击位置离焊接电弧太近，锤击对焊接熔池产生严重振荡，会 促进热裂纹的产生。当锤击距离较大时，锤击的部位离产生热裂纹的敏感位置太 远，对于减少热裂纹的效果也不明显。结果表明，锤击距离应控制在2 0 一2 3 r a m 左右时，锤击工艺控制热裂纹的效果较好。 5 锤头形状和尺寸 锤头的形状和尺寸对锤击处理的效果也有很大影响，采用锤头的面积较小 时，锤击能量能够很好地被焊缝吸收，锤头的面积较大时，锤击能量反而不能被 焊缝吸收，锤击的效果不好。到底应用什么样的锤头好，这方面的研究还很少 有人认为直径为巾8 球形锤头为最佳锤头口引。 1 2 3 锤击工具应用现状 迄今为止，国内外用于消应力处理的锤击工具多种多样，主要有手锤、风铲、 电镐和电锤等。手锤是最早应用的工具，并且现在也一直在应用。任登义教授曾 经采用应变法测量了手锤产生力的大小口”，指出重量为o 4 5 k g 的手锤可产生 6 3 4 k n 的锤击力；重量为0 。9 1 k g 的手锤产生的锤击力可达到1o 2 7 k n 。用手锤 所能达到的锤击频率非常有限，当锤击频率升高时，锤击力随之减小。要想获得 大的锤击力，锤头开始位置到锤击部位必须具有相当长的距离，使锤头有一个加 速的过程，此时锤击频率就会降的比较低。在实际应用中，用手锤锤击处理工作 强度大、操作工艺难以掌握、要求经验性强等。对于大型焊接结构的锤击处理时， 手锤一般很难胜任。焊接白口铸铁时，通常要求在短时间内对焊缝充分锤击，否 则会出现焊接热裂纹，这给锤击处理提出很高的要求，用手锤锤击往往很难做 到锤击充分，即使做到，工作强度也很大。 随着科学技术的进步，出现了一些电动和风动工具( 电镐、电锤和风铲等) ， 应用这些工具对焊接结构进行锤击处理，很大程度上降低了工作强度，提高了锤 山东大学硕士学位论文 击效率。但是这些工具通常是为建筑施工、道路施工、矿山开采设计的，它们的 锤击频率很高，一般情况下，锤击频率为2 5 5 0 h z ，有的甚至高达1 0 0 h z 以上。 b o s c h - 5 c e 电锤的技术参数如表l 一1 所示。由表可以看出，锤击功随着锤击频 率的变化而变化，也就是说锤击力与锤击频率是相关联的。根据焊接结构锤击处 理的特点，不同的材料对锤击参数的要求是不同的，例如对于低碳钢的锤击处理， 低碳钢焊接性好，韧性高，因而对锤击的参数要求不高，为了提高效率，可以适 当提高锤击频率和锤击力。然而对于高碳钢、白口铸铁等焊接性差、塑韧性低的 材料，要求准确地确定锤击参数。文献 3 1 指出白口铸铁锤击处理的最佳锤击时 机为焊后7 s ，并且要锤击充分。由于白口铸铁塑性很低，如果锤击力过大，可 表1 - 1b o s c h 5 c e 电锤参数 使焊缝向四周充分延展，而熔合区附近的母材的延展不能与之相适应，结果在熔 合区母材一侧产生断续裂纹。第一层焊完后，这些裂纹尚未暴露，随后的几层堆 焊则使裂纹沿熔合区贯通，最终导致焊缝的整体剥落。若锤击不充分，则会出现 热裂纹。另外锤击频率过高时，还会引起焊接接头的疲劳破坏。因此锤击力、锤 击频率必须很好的搭配，爿能达到预期的锤击效果。 现有的锤击工具，锤击力与锤击频率不能独立调节，难以满足焊接工艺的要 求。 1 3 本文研究的主要内容 本文旨在设计、制作一种锤击频率和锤击力能够独立调节电动锤击工具 电磁锤，以满足焊接工艺的要求。本文的主要研究内容有： 1 锤击器的设计。包括电磁铁类型的选择，电磁线圈和锤击器结构的优化设 第一苹绪论 计，保证锤击器在稳定工作时能产生足够大的锤击力。 2 控制装置的设计。包括主电路和控制电路的设计，实现锤击力和锤击频率 的独立调节。通过控制电路调节线圈电流的大小，改变电磁线圈安匝数，实现电 磁力大小的调节；通过控制电路控制主电路的工作频率，实现锤击频率的调节。 3 电磁锤的制作与调试。实际测量锤击力的数值、锤击的最高频率、电磁锤 的温升以及电磁锤的最佳工作状态。 山东大学硕士学位论文 第二章电磁锤基本组成及工作过程 2 1 电磁锤的组成 电磁锤主要由锤击器、主电路和控制电路组成。主电路是能源部分，通过主 电路给锤击器提供电能：锤击器是电磁锤的主体部分，电磁锤通过锤击器对工件 实施锤击：控制电路是电磁锤的核心部分，控制电路控制主电路导通与断开，并 且控制电流的大小，实现锤击频率、锤击力独立调节。 2 1 1 锤击器 电磁锤锤击器结构示意图如图2 1 所示，其主体部分是甲壳螺管式电磁铁， 主要由衔铁、电磁线圈、锤杆、复位弹簧等组成。电磁线圈每通电一次，电磁锤 对工件实施一次锤击。工作过程如下：电磁线圈通电后，产生电磁场，对衔铁产 生电磁吸引力。衔铁在电磁力的作用下克服复位弹簧的弹力向下运动，衔铁接触 复 固 上盖 图2 - l 锤击器结构示意图 电磁线圈 底盖 第二章电磁锤基本组成及工作过程 到锤杆时对锤杆产生冲击作用，冲击力通过锤杆传递到工件，实现一次锤击。当 电磁线圈断电后，衔铁在复位弹簧的作用下返回初始位置。这样电磁线圈反复通 电和断电，即可实现对工件豹连续锤击。 2 1 2 主电路 主电路的组成如图2 2 所示，单相交流电( 2 2 0 v ) 直接给主电路供电，在 电路中，晶闸管v t 作为无触点开关，与锤击器电磁线圈( 线圈用串联的电感l o 和电阻元件r l 表示) 串联。控制电路在规定的时刻输出与网压同步、相位可连续 调节的触发脉冲信号，触发主电路中晶闸管v t ，使主电路导通。当网压过零后。 续流二极管v d l 导通，晶闸管自动关断，线圈储存的电能通过续流回路释放。 晶闸管承受过电压的能力较差，尤其主电路中接有感性负载，容易造成晶闸 管的过电压损坏，因此在晶闸管阳极和阴极之间并联电容和电阻保护晶闸管。原 理是利用电容c o 来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量 储存到电容中，然后释放到电阻r o 中去消耗掉。 a 图2 - 2 电磁锤主电路图 主电路的负载是电感性的，当晶闸管刚触发导通时，电感元件中产生阻碍电 山东大学硕士学位论文 流变化的感应电动势e l ，其极性为上正下负，电流不能突变，电流将逐渐上升。 当电流达到最大值时，感应电动势为零，而后电流减小，电动势也就改变极性， 在图2 2 中为上负下正。此后在交流电压“过零之前，e l 和“极性相同，晶闸管 导通。即使电压“过零值变负，只要e l 大于“，晶闸管继续承受正向电压，电流 仍将继续流通，如图2 - 3 ( a ) 所示。只要电流大于维持电流时。晶闸管不能关断， 负载上出现了负电压。当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能关断，并且立 即承受反向电压，如图2 3 ( b ) 所示。 ( a ) ( b ) o 图2 - 3 接电感性负载时晶闸管半波整流电路的电压与电流的波形 综上可见，在单相半波可控整流电路接电感性负载时，晶闸管导通角0 将大 于( 1 8 0 。一a ) 。负载电感愈大，导通角0 愈大，在一个周期中负载上负电压所 占的比例就愈大，整流输出电压和电流的平均值就愈小。因此有必要采取相应措 施使晶间管在电源电压“降到零值时及时关断，使负载上不出现负电压。 在线圈两端并联一个续流二极管v d l 来解决上述出现的问题。当交流电压u 过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势e l 产 第二章电磁锤基本组成及工作过程 生的电流经过这个二极管形成回路。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受 反向电压而关断，电感储存的电能在线圈电阻上消耗掉。 2 1 3 控制电路 1 控制电路组成 控制电路在规定的时刻输出与网压同步且相位可连续调节的脉冲信号，触发 主电路中晶闸管v t ，使主电路导通，网压过零时，续流二极管导通，晶闸管自 动关断。为了能够实现独立调节锤击频率和锤击力，控制电路应该具有稳定改变 触发脉冲的频率和触发脉冲的相位角的功能。 控制电路工作流程图如图2 - 4 所示，主要包括降压、整流、脉冲移相、脉冲 调频、脉冲整形、脉冲输出等几个过程。相应的控制电路主要由同步电路、脉冲 移相电路、调频延时电路、脉冲整形电路、驱动电路等几部分组成。 图2 - 4 控制电路工作流程方框图 山东大学硕士学位论文 2 ，控制电路的基本要求 控制电路不仅能够调节触发脉冲频率，而且能够控制触发脉冲的相位。此外 主电路的负载是电感性的，因此控制电路除了能满足一般要求外，还因电路的特 殊性带来其它的问题。因此对控制电路的基本要求如下瞰3 9 1 ： ( 1 ) 控制电路的触发信号必须在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区，以保证晶闸 管可靠触发。同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限制，以防止因门极过 热而造成晶闸管损坏。 ( 2 ) 触发脉冲应具有一定的宽度，触发脉冲消失前阳极电流应能上升至掣住电 流，保证晶闸管可靠开通。通常晶闸管开通时间需要6 1 2s 以上，为可靠起见脉 冲宽度应有足够的裕量。一般情况在实际应用中，电阻性负载脉冲宽度应有2 0 ps 5 0 耻s ；感性负载脉冲宽度最好不要小于】0 0 1 ts ，一般取l m s ( 相当于5 0 h z 正弦波的1 8 。) 。触发脉冲前沿要尽可能陡，缩短开通时间，防止晶闸管管芯因 门极附近局部电流密度过大而损坏。 ( 3 ) 触发脉冲与主电路电源电压必须同步，并保证与工作状态相适应的相位关 系。为了控制主电路电流的大小，控制电路应能在主电路要求的移相范围内调整 控制角a 。 ( 4 ) 控制电路应保证触发脉冲的稳定性，在稳态时触发脉冲应保持相等的时间间 隔，以保证锤击器稳定的锤击频率和锤击力。 2 z 电磁锤工作原理 2 2 ，l 锤击频率的调节 由上面分析电磁锤的工作过程可知，线圈每通电一次电磁锤完成一次锤击， 锤击频率由线豳的通电频率确定。控制电路有节奏地输出同步脉冲信号触发主电 路中的晶闸管导通，每一个脉冲信号使线圈通电一次，因此锤击频率就取决于触 发脉冲的频率。通过控制触发脉冲的频率来控制电磁锤的锤击频率，这个功能主 要由控制电路中的脉冲调频环节实现。 2 2 2 锤击力的调节 锤击力随着电磁力的增大而增大，而电磁力由电磁线圈的激磁安匝数和衔铁 的材料、尺寸决定。电磁铁一旦设计完成，线圈的匝数和衔铁材料、尺寸已经确 第二章电磁锤基本组成及工作过程 定，唯一能够改变的是线圈的电流，通过改变线圈的电流改变线圈的激磁安匝数， 即可改变锤击力。 如图2 3 所示，在导通期间，u v t = o 电压全部加到线圈，输出电流为输入 正弦电压r l 电路电流响应【3 8 】。因此线圈电流为， 卜阜【s i 。( 卅小s l n ( 口训。一钞】 ( 2 1 ) 式中u 主电路外接电源额定电压( v ) ； 主电路外接电源角频率，= 2 矿； ，主电路外接电源频率( h z ) ； r ，线圈电阻( q ) ： 厶线圈的电感( 亨) ； 妒线圈阻抗角，妒= a r c t 趴笔 ； z _ 一线圈阻抗( o ) ，z = 凡2 + ( n ) 2 ； 触发角； ，时间( s ) 。 线圈接在主电路中，线圈电流取决于控制角1 2 ，如图2 - 5 所示。当线圈厚度 为3 0 m m 、线圈高度为4 0 m m 、绕线裸直径为0 8 0 m m 、线圈内径为2 3 m m 时， 不同的触发角对应最大安匝数n i 。a x 如表2 - 1 所示。 ( a ) q 7 产趋形刀j 移，习一狰7 l l j i 1 卜 。 j 图2 - 5 晶闸管的触发角 ( a ) 网压正弦半波 ( b ) 控制电路输出触发脉冲波形 由表2 - l 可以看出，触发角越小，n i 。a x 越大。由此电磁吸引力越大，锤击 力越大。当控制角为3 0 。时最大激磁安匝数是控制角为1 5 0 。时最大激磁安匝数的 山东大学硕士学位论文 l o 多倍。因此控制角3 0 。时的锤击力比1 5 0 。时大很多。因此，在线圈匝数一定 时，改变晶闸管的控制凫a ，可以得到大小不同的锤击力。 表2 - i 同一线圈不同触发角对应的安匝数n i 一 2 3 本章小结 1 提出一种新型的锤击消应力装置电磁锤，并介绍了电磁锤的结构及工作 原理。电磁锤主要由锤击器、主电路、控制电路等部分组成。 2 锤击器是电磁锤的执行机构，其主体部分为螺管式电磁铁，电磁线圈每通电 一次电磁锤实现一次锤击。 3 ，主电路为晶闸管半波整流电路，其负载为锤击器的电磁线圈。主电路的通电 频率由控制电路输出的触发脉冲控制。 4 控制电路是电磁锤的核心部分，控制电路不仅通过控制触发脉冲的频率实现 对锤击频率的控制，而且通过改变触发脉冲的相位改变电磁线圈的电流，调节锤 击力。 第三章锤击器的设计 第三章锤击器的设计 3 1 电磁铁类型的选择 电磁锤对电磁铁的基本要求：电磁铁必须对工件提供足够的锤击力，这就要 求衔铁在短时间内获得大的动能【4 14 2 1 ，即线圈对衔铁做功。衔铁在短时间内获得 大的动能，必须满足两个条件：( 1 ) 电磁铁具有大的电磁吸引力；( 2 ) 衔铁有足够 的行程。 睨= i f d s ( 3 1 ) 式中阡0 动铁的动能或者线圈对衔铁做的功