一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法
【專利摘要】一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明采用噴嘴（1）噴出高壓的水射流束（3）在焊縫（4）上移動(dòng)，調(diào)整水射流束（3）的軸心動(dòng)壓為220~700MPa；并保持噴嘴（1）出水口與焊縫（4）間距5~10mm，水射流束（3）垂直于工件表面沿焊接軌跡自焊縫（4）往復(fù)移動(dòng)4~8次，強(qiáng)化應(yīng)力消除效果。本發(fā)明的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法操作簡(jiǎn)便，可以快速的消除焊接后焊接處殘余的應(yīng)力。并且本發(fā)明可對(duì)空間狹窄的焊縫進(jìn)行應(yīng)力消除，如死角位置、補(bǔ)焊位置，并可保證整個(gè)焊縫應(yīng)力消除效果好、且穩(wěn)定平均。
【專利說明】一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]焊接是一種運(yùn)用加熱或加壓手段、添加或不添加填充材料將構(gòu)件不可拆卸的連接在一起或在基材表面堆敷覆蓋層的加工工藝，它是現(xiàn)代生產(chǎn)中一種不可缺少的加工工藝，但由于焊接時(shí)由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入，導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件溫度場(chǎng)分布不均勻，在焊后不可避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力的存在將會(huì)嚴(yán)重影響焊件的加工制造及其焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。焊后接頭的工作應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)材料的力學(xué)性能有著重大的影響，如在焊接件的長(zhǎng)期使用過程中出現(xiàn)的脆性破壞和疲勞破壞等問題，它是通過殘余應(yīng)力改變的。此外，大量事例表明，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕開裂、機(jī)械加工精度、結(jié)構(gòu)剛度和受壓桿件穩(wěn)定性等都有很大的影響對(duì)結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生很大影響。
[0003]如何有效地控制焊接殘余應(yīng)力一直以來都是國(guó)內(nèi)外焊接學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，目前控制焊接殘余應(yīng)力的常規(guī)方法有:焊后熱處理、力學(xué)形變法(過載拉伸、振動(dòng)時(shí)效、錘擊、噴丸、爆炸處理等)和溫差形變法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相繼又出現(xiàn)了低應(yīng)力無變形法、瞬態(tài)拉伸焊接法、脈沖磁法、隨焊碾壓法和隨焊錘擊法等現(xiàn)代控制新方法。以上方法各有缺點(diǎn)，例如焊后熱處理消除應(yīng)力效果較好但是需要消耗大量的能源和時(shí)間，對(duì)于奧氏體不銹鋼而言需要采用昂貴的固溶處理，目前很多容器都未經(jīng)熱處理直接使用；振動(dòng)時(shí)效方法雖然能耗小、周期短，卻不適用于處理厚板等高剛性部件；機(jī)械作用法雖然應(yīng)用較為廣泛，但這些方法難以消除死角部位(如接管根部)的殘余應(yīng)力，使得斷裂失效往往產(chǎn)生于死角位置?，F(xiàn)有技術(shù)中未涉及高壓水射流可消除焊接殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，該方法可以快速的消除焊接后焊接處殘余的應(yīng)力，且可對(duì)空間狹窄的焊縫進(jìn)行應(yīng)力消除，并可保證整個(gè)焊縫應(yīng)力消除效果好、且穩(wěn)定平均。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，包括高壓水射流輸送泵和與其相連的噴嘴，工件上有焊接好的焊縫，焊縫的兩端分別為起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，其特征在于，包括如下步驟:
1)將焊接好的工件冷卻后，固定在工作平臺(tái)上；
2)將噴嘴移至焊縫的正上方，噴嘴出水口與焊縫間距5~10mm，噴嘴噴出的水射流束垂直于工件表面；
3)啟動(dòng)高壓水射流輸送泵的液壓和氣壓系統(tǒng)，調(diào)整水射流束軸心動(dòng)壓為22(T700MPa；
4)從焊縫的起始點(diǎn)開始，沿著焊縫移動(dòng)噴嘴至焊縫的終止點(diǎn)，噴嘴移動(dòng)速度為
0.001-0.01m/s，保持噴嘴出水口與焊縫間距不變；
5)保持步驟4)中噴嘴與工件間距和噴嘴移動(dòng)速率，將噴嘴沿焊縫往復(fù)移動(dòng)4-8次，關(guān)閉噴嘴即得。
[0006]所述的工件為304不銹鋼，水射流束軸心動(dòng)壓為22(T250MPa。
[0007]所述的工件為316不銹鋼，水射流束軸心動(dòng)壓為67(T700MPa。
[0008]所述的工件為304不銹鋼和Q345R復(fù)合板，水射流束軸心動(dòng)壓為28(T300MPa。
[0009]由于焊縫較細(xì)長(zhǎng)，采用人工擊打焊接處的方法消除殘余應(yīng)力，力度不易控制、費(fèi)時(shí)費(fèi)力；且有時(shí)焊縫的位置較偏較窄，無法直接擊打。 申請(qǐng)人:在研究中發(fā)現(xiàn)在工件淬火冷卻后，可采用高壓水射流消除應(yīng)力。經(jīng)高壓水射流處理后的焊縫區(qū)表面等效塑性應(yīng)變?cè)龃蟆８邏核淞魈幚碜饔迷趦?nèi)部存在殘余拉應(yīng)力的工件表面上，其攜帶的巨大沖擊壓應(yīng)力在材料表層產(chǎn)生足夠的塑性變形，在焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生拉伸塑性應(yīng)變，抵消拉伸彈性應(yīng)變，從而使焊縫及熱影響區(qū)殘余應(yīng)力得到松弛。
[0010]高壓的噴嘴距工件件距離5~10mm。 申請(qǐng)人:在研究中發(fā)現(xiàn)噴嘴距工件距離5~10 mm是一個(gè)較為合適的噴射距離，在這個(gè)距離內(nèi)殘余應(yīng)力消除效果更好，距離太大或太小殘余應(yīng)力效果不顯著。距離太大時(shí)需升高水壓造成能耗浪費(fèi)，距離太小造成水流在工件表面噴濺嚴(yán)重，實(shí)際操作時(shí)影響觀察水流的落點(diǎn)。
[0011] 申請(qǐng)人:認(rèn)為針對(duì)不同的材料選用不用的水射流壓力。根據(jù)有限元分析實(shí)施實(shí)例結(jié)果，如針對(duì)304不銹鋼，當(dāng)軸心動(dòng)壓達(dá)到22(T250MPa時(shí)，焊縫中心縱向殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且軸心動(dòng)壓較小能耗較低；針對(duì)316不銹鋼，當(dāng)軸心動(dòng)壓達(dá)到67(T700MPa時(shí)，焊縫中心縱向殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且軸心動(dòng)壓較小能耗較低；針對(duì)304不銹鋼和Q345R復(fù)合板，當(dāng)軸心動(dòng)壓達(dá)到28(T300MPa時(shí)，焊縫中心縱向殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，且軸心動(dòng)壓較小能耗較低，即可以達(dá)到較好的殘余應(yīng)力消除效果。
[0012]噴嘴移動(dòng)速度取0.001-0.01m/s之間時(shí)，殘余應(yīng)力消除效果更好，如果移動(dòng)速度超過0.01m/s，焊接殘余應(yīng)力將得不到很好的降低。如果移動(dòng)速度低于0.0Olm/s，殘余應(yīng)力的大小基本與噴嘴移動(dòng)速度無關(guān)，殘余應(yīng)力隨移動(dòng)速度基本沒有變化，為考慮消除效果、時(shí)間及經(jīng)濟(jì)性，選取0.001m/s^0.01m/s為宜。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法所具有的有益效果是:
1、本發(fā)明的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，與傳統(tǒng)焊接殘余應(yīng)力消除方法相比，具有效果好、成本低、無污染、操作簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和容易對(duì)狹窄、深凹槽等死角部位進(jìn)行消除的優(yōu)點(diǎn)。
[0014]2、本發(fā)明的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法經(jīng)高壓水射流處理后的焊縫區(qū)表面等效塑性應(yīng)變?cè)龃?。高壓水射流處理作用在?nèi)部存在殘余拉應(yīng)力的不銹鋼復(fù)合板表面上，其攜帶的巨大沖擊壓應(yīng)力在材料表層產(chǎn)生足夠的塑性變形，使殘余應(yīng)力得到松弛。
[0015]3、本發(fā)明經(jīng)高壓水射流處理后，焊縫表面及熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力得到了很大程度上的降低，在焊縫區(qū)甚至已經(jīng)產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，有效控制了疲勞源的萌生和裂紋的擴(kuò)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)模擬示意圖。
[0017]圖2是實(shí)施例1中高壓水射流作用前后的304不銹鋼表面殘余應(yīng)力分布示意圖。[0018]圖3是實(shí)施例1中304不銹鋼焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力隨高壓水射流壓力分布示意圖。
[0019]圖4是實(shí)施例2中高壓水射流作用前后的316不銹鋼表面殘余應(yīng)力分布示意圖。
[0020]圖5是實(shí)施例2中316不銹鋼焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力隨高壓水射流壓力分布示意圖。
[0021]圖6是實(shí)施例3中高壓水射流作用前后的304不銹鋼和Q345R復(fù)合板表面殘余應(yīng)力分布示意圖。
[0022]圖7是實(shí)施例3中304不銹鋼和Q345R復(fù)合板焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力隨高壓水射流壓力分布示意圖。
[0023]其中:1、噴嘴；2、工件；3、水射流束；4、焊縫；5、起始點(diǎn)；6、運(yùn)動(dòng)方向；7、高壓水射流輸送泵；8、壓力計(jì)；9、終止點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]圖f 3是本發(fā)明的最佳實(shí)施例，下面結(jié)合附圖f 7對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0025]結(jié)合附圖1，實(shí)施例f 3中采用的高壓水射流射流裝置包括高壓水射流輸送泵7和與其相連的噴嘴1，以及用于放置工件2的工作平臺(tái)。噴嘴I噴出水射流束3垂直于工件2表面。高壓水射流輸送泵7上設(shè)有控制水壓的壓力計(jì)8，工件2上設(shè)有采用補(bǔ)焊接頭焊接好的焊縫4。焊縫 4的兩端分別為起始點(diǎn)5和終止點(diǎn)9。
[0026]實(shí)施例f 3中軸心動(dòng)壓為水射流束3沖擊中心處的最高壓力，亦即滯止壓力；屈服強(qiáng)度是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力。
[0027]實(shí)施例1
參照附圖廣3，工件2為304不銹鋼材質(zhì)，工件2上的焊縫4采用304不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊接，在工件2中間位置進(jìn)行補(bǔ)焊，焊縫4深度為4mm，焊縫4坡口角度為60°，噴嘴I直徑為 Imm0
[0028]本實(shí)施例包括如下步驟:
1)將焊接好的工件2冷卻后，固定在工作平臺(tái)上；
2)將噴嘴I移至焊縫4的正上方，噴嘴I出水口與焊縫4間距8mm，噴嘴I噴出的水射流束3垂直于工件表面；
3)啟動(dòng)高壓水射流輸送泵7的液壓和氣壓系統(tǒng)，調(diào)整水射流束3軸心動(dòng)壓為220MPa，即為工件材料屈服強(qiáng)度的0.85、.9倍；
4)從焊縫4的起始點(diǎn)5開始，沿著焊縫4移動(dòng)噴嘴I至焊縫4終止點(diǎn)9，噴嘴I移動(dòng)速度0.008m/s，保持噴嘴I出水口與焊縫4間距不變；
5)保持步驟4)中噴嘴I與工件間距和噴嘴移動(dòng)速率，將噴嘴按焊縫4往復(fù)移動(dòng)7次，關(guān)閉噴嘴即得。
[0029]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)高壓水射流降低304不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，將304不銹鋼補(bǔ)焊接頭表面一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)在高壓水射流作用前后的殘余應(yīng)力值導(dǎo)出，利用這些數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖2所示。
[0030]參照?qǐng)D2，給出了軸心動(dòng)壓為350MPa時(shí)，實(shí)施例1噴嘴I的水射流束3沖擊前后沿工件2表面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。圖2中縱坐標(biāo)值殘余應(yīng)力(MPa)表示工件2表面的橫向和縱向殘余應(yīng)力值，橫坐標(biāo)沿工件表面距離(mm)的表示沿工件2表面路徑的距離分布；分別定義橫向應(yīng)力A，縱向應(yīng)力％。一&一作用前1表示是高壓水射流處理前工件表面橫
向殘余應(yīng)力分布，一α—作用前1表示是高壓水射流處理前工件表面縱向殘余應(yīng)力分布，可以看出:工件2上焊縫4和焊縫4周圍的熱影響區(qū)產(chǎn)生了較大的縱向應(yīng)力，最大值已經(jīng)達(dá)到268MPa。圖2中，一▲一作用后&表示是高壓水射流處理后工件表面橫向殘余應(yīng)力分布，
一 一作用后I表示是高壓水射流處理后工件表面縱向殘余應(yīng)力分布。可以看出:經(jīng)過本發(fā)明高壓水射流處理后，焊縫4及熱影響周圍區(qū)域表面的殘余應(yīng)力得到了很大程度的降低，在焊縫區(qū)的橫向應(yīng)力均降至-HOMPa以下，縱向應(yīng)力降至-5MPa以下，橫向應(yīng)力平均降低了195MPa，縱向應(yīng)力平均降低了 264MPa。
[0031]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)高壓水射流降低304不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，分別取不同軸心動(dòng)壓的水射流作用在304不銹鋼焊縫上。圖3中，縱坐標(biāo)值“殘余應(yīng)力(MPa)”表示工件2焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力，橫坐標(biāo)“軸心動(dòng)壓(MPa)”表示是水射流的不同軸心動(dòng)壓值。殘余應(yīng)力(MPa)為O或負(fù)值，且軸心動(dòng)壓(MPa)較小時(shí)，為最優(yōu)化工藝。將304不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力值導(dǎo)出，由此可得到在不同軸心動(dòng)壓下304不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力值。然后利用這些數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖3所示，它表示了焊縫表面最大縱向殘余應(yīng)力隨軸心動(dòng)壓的變化曲線，從圖3中的殘余應(yīng)力曲線和等塑性應(yīng)變曲線可看出，隨著高壓水射流壓力的增大，在焊縫區(qū)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力越來越大，當(dāng)軸心動(dòng)壓達(dá)到220MPa (0.85、.9倍的304材料的屈服強(qiáng)度)時(shí)，焊縫中心縱向殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，因此選取304不銹鋼所用高壓水射流的軸心動(dòng)壓范圍為22(T250MPa為最優(yōu)。采用實(shí)施例1的方法步驟，可以獲得304不銹鋼的最優(yōu)殘余應(yīng)力消除效果。
[0032]實(shí)施例2
參照?qǐng)D1和圖4~5，工件2為316不銹鋼材質(zhì)，工件2上的焊縫4采用316不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊接，焊縫4為深度4_，焊縫4坡口角度為60°，噴嘴直徑為1mm。
[0033]本實(shí)施例包括如下步驟:
1)將焊接好的工件2冷卻后，固定在工作平臺(tái)上；
2)將噴嘴I移至焊縫4的正上方，噴嘴I出水口與焊縫4間距10mm，噴嘴I噴出的水射流束3垂直于工件表面；
3)啟動(dòng)高壓水射流輸送泵7的液壓和氣壓系統(tǒng)，調(diào)整水射流束3軸心動(dòng)壓為670MPa，即為工件材料屈服強(qiáng)度的1.r1.6倍；
4)從焊縫4的起始點(diǎn)5開始，沿著焊縫4移動(dòng)噴嘴I至焊縫4終止點(diǎn)9，噴嘴I移動(dòng)速度0.01m/s，保持噴嘴I出水口與焊縫4間距不變；
5)保持步驟4)中噴嘴I與工件間距和噴嘴I移動(dòng)速率，將噴嘴按焊縫4往復(fù)移動(dòng)4次，以強(qiáng)化噴嘴I移動(dòng)的應(yīng)力消除效果，關(guān)閉噴嘴即得。
[0034]利用有限元軟件ABAQUS對(duì)高壓水射流降低316不銹鋼補(bǔ)焊接頭焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，將316不銹鋼補(bǔ)焊接頭表面一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)在高壓水射流作用前后的殘余應(yīng)力值導(dǎo)出，利用這些數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖4所示。
[0035]參照?qǐng)D4，給出了軸心動(dòng)壓為350MPa時(shí)，實(shí)施例2噴嘴I的水射流束3沖擊前后，沿工件2表面的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。圖4中，縱坐標(biāo)值“殘余應(yīng)力(MPa)”表示工件2表面的橫向和縱向殘余應(yīng)力值，橫坐標(biāo)值“沿工件表面距離(mm)”的表示沿工件2表面路徑的距
尚分布；分別定義橫向應(yīng)力τ縱向應(yīng)力4。
【權(quán)利要求】
1.一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，包括高壓水射流輸送泵(7)和與其相連的噴嘴(1)，工件(2)上有焊接好的焊縫(4)，焊縫(4)的兩端分別為起始點(diǎn)(5)和終止點(diǎn)(9)，其特征在于，包括如下步驟: 1)將焊接好的工件(2)冷卻后，固定在工作平臺(tái)上； 2)將噴嘴(I)移至焊縫(4)的正上方，噴嘴(I)出水口與焊縫(4)間距5~10mm，噴嘴(O噴出的水射流束(3)垂直于工件表面； 3)啟動(dòng)高壓水射流輸送泵(7)的液壓和氣壓系統(tǒng)，調(diào)整水射流束(3)軸心動(dòng)壓為22(T700MPa ； 4 )從焊縫(4 )的起始點(diǎn)(5 )開始，沿著焊縫(4 )移動(dòng)噴嘴(I)至焊縫(4 )的終止點(diǎn)(9 )，噴嘴(I)移動(dòng)速度為0.0Of0.01m/s，保持噴嘴(I)出水口與焊縫(4)間距不變； 5)保持步驟4)中噴嘴(I)與工件間距和噴嘴移動(dòng)速率，將噴嘴(I)沿焊縫(4)往復(fù)移動(dòng)41次，關(guān)閉噴嘴即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:所述的工件(2)為304不銹鋼，水射流束(3)軸心動(dòng)壓為22(T250MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:所述的工件(2)為316不銹鋼，水射流束(3)軸心動(dòng)壓為67(T700MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用高壓水射流消除焊接殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:所述的工件(2)為304 不銹鋼和Q345R復(fù)合板，水射流束(3)軸心動(dòng)壓為28(T300MPa。
【文檔編號(hào)】C21D7/06GK103805760SQ201410070760
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】蔣文春, 羅云, 王炳英, 鞏建鳴, 王懷 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)