乌克兰消除残余应力的电物理处理工艺和MAE-1D装置

（作者）萨基尔科　V．　许小海

一、传统工艺概况
金属构件（铸件、锻件、尤其是焊接件，包括管道、罐体、各种形式和尺寸的结构件）在冷热加工过程中会使金属内部晶体结构错位密度增大，错位在柱塞部位聚积，引起结构的不均匀性，产生大量的残余应力，导致工件强度降低、易断裂、易变形、缩短使用寿命。对这类工件进行加工处理，消除残余应力，加大韧性和伸展性，加大磁渗透力，从而提高工件的抗疲劳强度和使用寿命，是金属加工业的一项重要课题。
消除残余应力的传统工艺有自然时效、热时效、振动时效和超声波冲击处理。自然时效，是让工件内部应力自然松驰，随着时间延长，应力的分布逐渐均匀，强度减弱。热处理，是将工件放入加热炉，通过加热、保温、退火，改变工件内部晶体结构，降低变形错位的密度，使金属性能得到改善。振动处理，是通过施加100－200赫兹的低频载荷，引发受处理工件自身频率的共振，使工件内部变形错位密度降低。超声波冲击处理，是用超声波频率冲击工件表面，在工件表面形成一种收缩应力，从而增大工件表层的强度，提高抗疲劳强度。
以上各种方法，对消除残余应力都有一定作用，但各自又有局限性：
－　自然时效需要将工件长时间露天放置（一般长达六个月至一年），周期长，占地面积大；
－　热处理耗能多，建造和维护加热炉的成本比较高，劳动强度大，污染严重，炉内温度不均匀，升温和降温的速度无法严格控制，另外一些大尺寸部件也不方便放入热处理炉；
－　振动处理可以降低、但是无法完全消除残余应力，一级宏观应力能够降低30－35%，对二级微观应力无明显作用，有时还会导致新的应力产生，它只能降低应力的高峰值并将其在受处理部位重新分配，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，最重要的是，振动次数过多会降低工件的耐久性，缩短总体使用寿命；
－　超声波冲击处理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
乌克兰学者在大量工程经验的基础上研发了消除残余应力的电物理处理工艺（乌克兰专利号№53559 А）和MAE-1D(DS10D)装置（乌克兰专利号№43290А）。使用这种工艺和装置，可以在车间内组织生产，也可以安装在车辆上野外使用，操作简便，节省时间和能耗，无噪音无污染，对工件的尺寸大小无限制，最重要的是这种方法不仅对一级宏观应力有明显效果，而且能够在二级微观应力的水平上消除应力。乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所2008年11月至2009年5月所做的鉴定试验表明，经过电物理处理的试验样件，出现疲劳裂纹时，施加载荷的次数（压力120MPA，频率14赫兹）远比未做处理的样件高出1.8倍，也就是说，未经处理的样件施加载荷40万次时出现了疲劳裂纹，而经过处理的样件，施加载荷70万次时才出现疲劳裂纹，样件牢固性能甚至高于同类钢材进行热处理后的性能指标。
电物理处理工艺的工作原理是：让电流脉冲沿工件扩散；电流脉冲的变化按照一定的规则进行，由MAE-1D装置的自动控制系统调控；电流的高能量作用促使受处理部位的金属结构发生重组；电流通过晶体内形成的应力（机械的和电子的力），引起错位的重新移动和调整，加快应力松驰；松驰深度随着电流脉冲强度加大而增加，错位密度降低，在错位结构重组的同时，金属结构敏感特性也发生改善（硬度降低，冲击韧性加大，磁渗透力加大等）。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。
电物理处理工艺是一种提高焊接件可靠性和延长使用寿命的有效方法。炭钢和低合金钢焊接部位――基本金属－焊接区－焊缝的牢固度和伸展度都得到保障，冲击韧性比经过热处理的部件高20－40%，比基本金属高出更多。用这种方法对任何结构件的焊缝部位进行局部性处理，尤其对大尺寸工件或罐体工件进行局部处理都非常有效，是其他方法所无法替代的。

三、对焊接样件进行电物理处理前后金属结构的变化
以下照片是放大100倍后形成的显微组织试片，显示对焊接样件进行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（中心位置上下纵向）金属结构变化
用于焊接的钢材为俄国标35号（ 35ГС）

（处理前）颗粒为6级

焊缝周边区域金属结构变化
用于焊接的钢材为俄国标35号（ 35ГС）

（处理前）颗粒为9级

（处理后）颗粒为8级　　（处理后）颗粒为10级

用图表表示：
样件（纵向焊缝显微）颗粒尺寸（放大100倍）
电物理处理前电物理处理后
焊缝金属Металл шва6级8级
周边区域Околошовная зона9级10级
基本金属Основной металл11级11级

四、MAE-1D装置情况
MAE-1D装置由控制柜、连接电缆和夹子组成。控制柜的正面安装了控制器、显示器和记录仪。该套装置可以固定在一地，也可以装入集装箱运至野外工作。
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。
工艺手册会规定电物理处理的参数，这些参数是根据用户提供的材料信息经过优化选择的。工艺手册还会给出连接夹子的位置。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。

DS10D电物理处理装置

对管道焊接部位进行电物理处理　　接上MAE-1D装置

主要技术指标：

电流单极脉冲振幅改变范围 0.1 － 10.0 kА
工作电流压力，不大于15-20 V
自动控制的工作状态数量8 个
一个处理循环的时间 15-20 分钟
最大脉冲电流所需功率150-200 kW
每个循环所需要的电能6-10 kW/小时
电网压力~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

五、MAE-1D（MAE-1M）装置实际使用情况

俄罗斯境内：
1“土星”科研生产联合体　1套
雷宾斯克市，航空发动机制造厂
2“涅瓦”厂　1套
圣彼得堡市，燃气轮机制造厂
3“北方机械制造厂”　4套
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
莫斯科市，坦克制造业
乌克兰境内：
5黑海造船厂　1套
尼古拉耶夫市，建造航空母舰
6“彩霞”机械制造厂　2套
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
克里沃依罗克市，燃气轮机制造厂
8尼古拉耶夫格里纳杰木内制铝厂　1套
尼古拉耶夫市，加工铝原料
9奥德萨港区厂　1套
奥德萨市，生产化肥
10“氮气”厂　1套
切尔卡斯市，生产化工产品