大型圆筒混合机焊缝去应力退火的温度测量与控制

易青

【摘 要】 介绍了大型圆筒混合机消除残余应力的焊缝局部退火的处理方法，并对电加热器、加热控制装置、热处理工艺进行了阐述，为现场大型筒体焊缝消除残余应力热处理提供了新的途径。

【关键词】 温度仪表 测量与控制 焊缝 局部退火 残余应力

1 引言

圆筒混合机是我公司为韩国制造的大型焊接筒体选矿设备，其材料为Q235A，几何尺寸φ4m×18m，厚度为25mm，其焊缝用埋弧自动焊机焊接，采用H08A埋弧焊丝。在选矿混合过程中的动平衡及同轴性直接影响到受力的均匀性，由于焊接、塑性变形、切削加工、铸造等因素的影响，一旦受力不均，所产生的内应力集中在焊缝上容易造成断裂。因此焊缝焊接后去除内应力退火，就显得十分重要，由于在炉内退火非常困难，我们采用焊缝局部退火，消除了焊缝所产生的残余内应力。经检验，各项性能指标符合有关技术条件的规定。

2 退火温度的测量与控制

2.1 加热过程控制原理

为了保证测温时的精密度与响应度，这里选用的7只Ⅱ级K型铠装热电偶。同时为了保证整个退火过程的可记录性，还使用了1台XWBJ-101大圆图自动平衡温度记录仪表，1台ER-187温度记录仪表以及6台智能温度控制仪表。

2.2 电加热元件的选择

陶瓷电加热器目前按其形状分为三个类型：即履带式、绳状式和指状式。根据圆筒混合机的结构形状采用履带式陶瓷电加热器，每片额定电压220V，额定功率10kw， 最高温度1050℃，发热面积约720×260mm。同时采用强度高，热辐射性能好的氧化铅陶瓷元件作绝缘材料，使用镍铬丝作发热体。

根据热处理工件来确定总电加热区域，设加热面积为A，A=D×H（米）

D为工件外径，H为加热宽度，一般情况下可取H=（7～10），为热处理工件的厚度。

2.3 退火温度的控制

2.3.1 退火温控柜的选择

在使用陶瓷电加热器进行热处理时，需要配有专门的温度控制设备来实现电加热器的升、恒、降温的变化，最好选用自动化程度较高的程序控制设备。这里我们采用过零触发固态继电器或大功率双向可控硅（SSC/SSR）控制功率输出，可控硅电源在电压过零时（一般是3°～5°）触发，使其导通，导通时的输出波形为完整的正弦波，不存在电源波形畸变以及随之而来的干扰，由于智能温度控制仪表具有自整定PID及模糊控制功能，使设备控制精度可达到±2℃。由于我公司生产的圆筒混合机直径通常在φ3.2m～φ3.8m，需要16个陶瓷电加热器，考虑到留有充分余地，选择控制设备的总功率为180kW，即可控制18个电加热器，其中控温点6个，记录点12个。

2.3.2 加热系统升温时的温度控制

圆筒混合机焊缝去应力退火曲线如图2所示

去应力退火温度一般为500℃～650℃；该温度退火时金属的组织不发生变化，只是消除内应力。按该工艺要求加热到550℃～590℃，考虑到温度仪表显示、控制有一个误差极限，故取加热温度为570℃。开始升温加热时，根据圆筒混合机筒体内壁焊缝的测温仪表显示的升温速度来反复调整ZWK型温控柜上的PXW系列智能温度控制仪表，使得电加热器退火温度在620℃～780℃范围内找出最佳温度，使得筒体在11.4小时温度上升到570℃；得到XWBJ-101大圆图自动平衡记录仪升温曲线的升温速度为50℃/h。

2.3.3 保温过程的控制

当大圆图自动平衡记录仪升温曲线到570℃时开始恒温，恒温目的是指被加热圆筒焊缝内外温度一致，恒温时间为80min。在恒温时期由于存在热能的补给与散失，恒温温度可能呈现出波动趋势，这时应根据实际情况，观察大圆图自动平衡记录仪的记录曲线，调整温度智能仪表的退火最高温度，使恒温曲线满足工艺要求。

2.3.4 降温过程的控制

经80min的恒温后开始降温，温控柜的温度智能仪的降温时间调整到7.4小时，并根据大圆图自动平衡记录仪的降温速度记录曲线，设定下限温度为250℃附近，使大圆图自动平衡记录仪的降温速度是50℃/h降温。当降温曲线为200℃时，断开电源，自然空冷，不要放在通风处，以免影响退火质量。

3 应力检测结果分析

残余应力对筒体的影响是复杂、多方面的，我们仅从消除残余应力的热处理工艺进行分析。圆筒混合机筒体焊缝经去应力退火处理后，经用“钻孔法”在圆周焊缝附近对称取四个点，检测残余应力经过分析对比如表1所示。

采用第四强度理论计算残余应力的相当应力，退火前的各测量点残余应力是较高的，而退火后的各测量点残余应力下降幅度较大。针对退火前后残余应力和相当应力的相对变化率普遍下降，观察相当应力的相对变化率最小幅度是58.8%，最大幅度是83.0%， 残余应力平均下降了70.4%。

4 结语

以上分析说明此种退火方法满足了筒体焊缝局部退火温度的工艺要求。消除残余内应力的效果非常理想。同时，此方法由于采用了内外双侧保温毡进行径向复盖，其保温效果非常好，即降低了电能消耗，又保证了质量，增加了效益，减少了操作者劳动的强度。焊缝局部退火温度控制将与电炉温度控制一样实现自动控制。不足之处是操作复杂，如热电偶的安装，温度仪表的控制，温差的减小，需要操作人员具有实际经验。

参考文献：

[1]中国纺织大学，方博武，编著.《金属冷热加工的残余应力》高等教育出版社，1991（7）.

[2]戴少度，主编.《材料力学》.国防工业出版社出版发行，2000（8）.endprint

【摘 要】 介绍了大型圆筒混合机消除残余应力的焊缝局部退火的处理方法，并对电加热器、加热控制装置、热处理工艺进行了阐述，为现场大型筒体焊缝消除残余应力热处理提供了新的途径。

【关键词】 温度仪表 测量与控制 焊缝 局部退火 残余应力

1 引言

圆筒混合机是我公司为韩国制造的大型焊接筒体选矿设备，其材料为Q235A，几何尺寸φ4m×18m，厚度为25mm，其焊缝用埋弧自动焊机焊接，采用H08A埋弧焊丝。在选矿混合过程中的动平衡及同轴性直接影响到受力的均匀性，由于焊接、塑性变形、切削加工、铸造等因素的影响，一旦受力不均，所产生的内应力集中在焊缝上容易造成断裂。因此焊缝焊接后去除内应力退火，就显得十分重要，由于在炉内退火非常困难，我们采用焊缝局部退火，消除了焊缝所产生的残余内应力。经检验，各项性能指标符合有关技术条件的规定。

2 退火温度的测量与控制

2.1 加热过程控制原理

为了保证测温时的精密度与响应度，这里选用的7只Ⅱ级K型铠装热电偶。同时为了保证整个退火过程的可记录性，还使用了1台XWBJ-101大圆图自动平衡温度记录仪表，1台ER-187温度记录仪表以及6台智能温度控制仪表。

2.2 电加热元件的选择

陶瓷电加热器目前按其形状分为三个类型：即履带式、绳状式和指状式。根据圆筒混合机的结构形状采用履带式陶瓷电加热器，每片额定电压220V，额定功率10kw， 最高温度1050℃，发热面积约720×260mm。同时采用强度高，热辐射性能好的氧化铅陶瓷元件作绝缘材料，使用镍铬丝作发热体。

根据热处理工件来确定总电加热区域，设加热面积为A，A=D×H（米）

D为工件外径，H为加热宽度，一般情况下可取H=（7～10），为热处理工件的厚度。

2.3 退火温度的控制

2.3.1 退火温控柜的选择

在使用陶瓷电加热器进行热处理时，需要配有专门的温度控制设备来实现电加热器的升、恒、降温的变化，最好选用自动化程度较高的程序控制设备。这里我们采用过零触发固态继电器或大功率双向可控硅（SSC/SSR）控制功率输出，可控硅电源在电压过零时（一般是3°～5°）触发，使其导通，导通时的输出波形为完整的正弦波，不存在电源波形畸变以及随之而来的干扰，由于智能温度控制仪表具有自整定PID及模糊控制功能，使设备控制精度可达到±2℃。由于我公司生产的圆筒混合机直径通常在φ3.2m～φ3.8m，需要16个陶瓷电加热器，考虑到留有充分余地，选择控制设备的总功率为180kW，即可控制18个电加热器，其中控温点6个，记录点12个。

2.3.2 加热系统升温时的温度控制

圆筒混合机焊缝去应力退火曲线如图2所示

去应力退火温度一般为500℃～650℃；该温度退火时金属的组织不发生变化，只是消除内应力。按该工艺要求加热到550℃～590℃，考虑到温度仪表显示、控制有一个误差极限，故取加热温度为570℃。开始升温加热时，根据圆筒混合机筒体内壁焊缝的测温仪表显示的升温速度来反复调整ZWK型温控柜上的PXW系列智能温度控制仪表，使得电加热器退火温度在620℃～780℃范围内找出最佳温度，使得筒体在11.4小时温度上升到570℃；得到XWBJ-101大圆图自动平衡记录仪升温曲线的升温速度为50℃/h。

2.3.3 保温过程的控制

当大圆图自动平衡记录仪升温曲线到570℃时开始恒温，恒温目的是指被加热圆筒焊缝内外温度一致，恒温时间为80min。在恒温时期由于存在热能的补给与散失，恒温温度可能呈现出波动趋势，这时应根据实际情况，观察大圆图自动平衡记录仪的记录曲线，调整温度智能仪表的退火最高温度，使恒温曲线满足工艺要求。

2.3.4 降温过程的控制

经80min的恒温后开始降温，温控柜的温度智能仪的降温时间调整到7.4小时，并根据大圆图自动平衡记录仪的降温速度记录曲线，设定下限温度为250℃附近，使大圆图自动平衡记录仪的降温速度是50℃/h降温。当降温曲线为200℃时，断开电源，自然空冷，不要放在通风处，以免影响退火质量。

3 应力检测结果分析

残余应力对筒体的影响是复杂、多方面的，我们仅从消除残余应力的热处理工艺进行分析。圆筒混合机筒体焊缝经去应力退火处理后，经用“钻孔法”在圆周焊缝附近对称取四个点，检测残余应力经过分析对比如表1所示。

采用第四强度理论计算残余应力的相当应力，退火前的各测量点残余应力是较高的，而退火后的各测量点残余应力下降幅度较大。针对退火前后残余应力和相当应力的相对变化率普遍下降，观察相当应力的相对变化率最小幅度是58.8%，最大幅度是83.0%， 残余应力平均下降了70.4%。

4 结语

以上分析说明此种退火方法满足了筒体焊缝局部退火温度的工艺要求。消除残余内应力的效果非常理想。同时，此方法由于采用了内外双侧保温毡进行径向复盖，其保温效果非常好，即降低了电能消耗，又保证了质量，增加了效益，减少了操作者劳动的强度。焊缝局部退火温度控制将与电炉温度控制一样实现自动控制。不足之处是操作复杂，如热电偶的安装，温度仪表的控制，温差的减小，需要操作人员具有实际经验。

参考文献：

[1]中国纺织大学，方博武，编著.《金属冷热加工的残余应力》高等教育出版社，1991（7）.

[2]戴少度，主编.《材料力学》.国防工业出版社出版发行，2000（8）.endprint

【摘 要】 介绍了大型圆筒混合机消除残余应力的焊缝局部退火的处理方法，并对电加热器、加热控制装置、热处理工艺进行了阐述，为现场大型筒体焊缝消除残余应力热处理提供了新的途径。

【关键词】 温度仪表 测量与控制 焊缝 局部退火 残余应力

1 引言

圆筒混合机是我公司为韩国制造的大型焊接筒体选矿设备，其材料为Q235A，几何尺寸φ4m×18m，厚度为25mm，其焊缝用埋弧自动焊机焊接，采用H08A埋弧焊丝。在选矿混合过程中的动平衡及同轴性直接影响到受力的均匀性，由于焊接、塑性变形、切削加工、铸造等因素的影响，一旦受力不均，所产生的内应力集中在焊缝上容易造成断裂。因此焊缝焊接后去除内应力退火，就显得十分重要，由于在炉内退火非常困难，我们采用焊缝局部退火，消除了焊缝所产生的残余内应力。经检验，各项性能指标符合有关技术条件的规定。

2 退火温度的测量与控制

2.1 加热过程控制原理

为了保证测温时的精密度与响应度，这里选用的7只Ⅱ级K型铠装热电偶。同时为了保证整个退火过程的可记录性，还使用了1台XWBJ-101大圆图自动平衡温度记录仪表，1台ER-187温度记录仪表以及6台智能温度控制仪表。

2.2 电加热元件的选择

陶瓷电加热器目前按其形状分为三个类型：即履带式、绳状式和指状式。根据圆筒混合机的结构形状采用履带式陶瓷电加热器，每片额定电压220V，额定功率10kw， 最高温度1050℃，发热面积约720×260mm。同时采用强度高，热辐射性能好的氧化铅陶瓷元件作绝缘材料，使用镍铬丝作发热体。

根据热处理工件来确定总电加热区域，设加热面积为A，A=D×H（米）

D为工件外径，H为加热宽度，一般情况下可取H=（7～10），为热处理工件的厚度。

2.3 退火温度的控制

2.3.1 退火温控柜的选择

在使用陶瓷电加热器进行热处理时，需要配有专门的温度控制设备来实现电加热器的升、恒、降温的变化，最好选用自动化程度较高的程序控制设备。这里我们采用过零触发固态继电器或大功率双向可控硅（SSC/SSR）控制功率输出，可控硅电源在电压过零时（一般是3°～5°）触发，使其导通，导通时的输出波形为完整的正弦波，不存在电源波形畸变以及随之而来的干扰，由于智能温度控制仪表具有自整定PID及模糊控制功能，使设备控制精度可达到±2℃。由于我公司生产的圆筒混合机直径通常在φ3.2m～φ3.8m，需要16个陶瓷电加热器，考虑到留有充分余地，选择控制设备的总功率为180kW，即可控制18个电加热器，其中控温点6个，记录点12个。

2.3.2 加热系统升温时的温度控制

圆筒混合机焊缝去应力退火曲线如图2所示

去应力退火温度一般为500℃～650℃；该温度退火时金属的组织不发生变化，只是消除内应力。按该工艺要求加热到550℃～590℃，考虑到温度仪表显示、控制有一个误差极限，故取加热温度为570℃。开始升温加热时，根据圆筒混合机筒体内壁焊缝的测温仪表显示的升温速度来反复调整ZWK型温控柜上的PXW系列智能温度控制仪表，使得电加热器退火温度在620℃～780℃范围内找出最佳温度，使得筒体在11.4小时温度上升到570℃；得到XWBJ-101大圆图自动平衡记录仪升温曲线的升温速度为50℃/h。

2.3.3 保温过程的控制

当大圆图自动平衡记录仪升温曲线到570℃时开始恒温，恒温目的是指被加热圆筒焊缝内外温度一致，恒温时间为80min。在恒温时期由于存在热能的补给与散失，恒温温度可能呈现出波动趋势，这时应根据实际情况，观察大圆图自动平衡记录仪的记录曲线，调整温度智能仪表的退火最高温度，使恒温曲线满足工艺要求。

2.3.4 降温过程的控制

经80min的恒温后开始降温，温控柜的温度智能仪的降温时间调整到7.4小时，并根据大圆图自动平衡记录仪的降温速度记录曲线，设定下限温度为250℃附近，使大圆图自动平衡记录仪的降温速度是50℃/h降温。当降温曲线为200℃时，断开电源，自然空冷，不要放在通风处，以免影响退火质量。

3 应力检测结果分析

残余应力对筒体的影响是复杂、多方面的，我们仅从消除残余应力的热处理工艺进行分析。圆筒混合机筒体焊缝经去应力退火处理后，经用“钻孔法”在圆周焊缝附近对称取四个点，检测残余应力经过分析对比如表1所示。

采用第四强度理论计算残余应力的相当应力，退火前的各测量点残余应力是较高的，而退火后的各测量点残余应力下降幅度较大。针对退火前后残余应力和相当应力的相对变化率普遍下降，观察相当应力的相对变化率最小幅度是58.8%，最大幅度是83.0%， 残余应力平均下降了70.4%。

4 结语

以上分析说明此种退火方法满足了筒体焊缝局部退火温度的工艺要求。消除残余内应力的效果非常理想。同时，此方法由于采用了内外双侧保温毡进行径向复盖，其保温效果非常好，即降低了电能消耗，又保证了质量，增加了效益，减少了操作者劳动的强度。焊缝局部退火温度控制将与电炉温度控制一样实现自动控制。不足之处是操作复杂，如热电偶的安装，温度仪表的控制，温差的减小，需要操作人员具有实际经验。

参考文献：

[1]中国纺织大学，方博武，编著.《金属冷热加工的残余应力》高等教育出版社，1991（7）.

[2]戴少度，主编.《材料力学》.国防工业出版社出版发行，2000（8）.endprint