CN101705462A - 一种用于消除薄壁件焊接应力的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于消除薄壁件焊接应力的方法，针对薄壁件采用氩弧焊或者激光焊接或激光熔覆操作之后的焊后应力集中情况提出；其特征在于：所述用于消除薄壁件焊接应力的方法具体是：采用超声冲击的方法利用超声波的高频、高效和聚焦后的巨大能量，使金属表层产生压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了构件原有的应力场，从而使得焊接件接头残余应力得以消除。本发明采用超声波局部消除应力的方法代替整体热处理，其具有节省周期、减少费用等明显优于现有技术的技术效果。

Description

一种用于消除薄壁件焊接应力的方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别提供了一种用于消除薄壁件焊接应力的方法。

背景技术

焊件在加工过程中出现缺陷需要局部补焊，尤其是对裂纹处需要补焊。补焊方法大多数采用氩弧焊，对氩弧焊难以实施的部位，近几年也采用了激光补焊及激光熔敷的先进工艺。但无论采用什么方式进行补焊，焊后都会在补焊处产生收缩拉应力，这个应力如果不去除，在使用过程中，会在应力集中处加速破坏。

焊后消除应力的方法，通常采用整体热处理。整体热处理，零件几何尺寸的变化是难免的，这个问题一直是生产中长期难以解决的。

人们期望获得一种可操作性更强，技术效果更好的用于消除薄壁件焊接应力的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果明显优于现有技术的用于消除薄壁件焊接应力的方法。

本发明提供了一种用于消除薄壁件焊接应力的方法，针对薄壁件采用氩弧焊或者激光焊接或激光熔覆操作之后的焊后应力集中情况提出；其特征在于：

所述用于消除薄壁件焊接应力的方法具体是：采用超声冲击的方法利用超声波的高频、高效和聚焦后的巨大能量，使金属表层产生压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了构件原有的应力场，从而使得焊接件接头残余应力得以消除。

所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，还具体包含有下述的使用要求：

需要消除焊接应力的薄壁件具体为厚度0.4～4mm的板材；

所述的超声波具体为15KHz以上的高频超声波；超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～25mm的区域；超声冲击操作处理的速度为200～800mm/min，冲击处理次数为1～6遍。

本发明所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，还具体包含有下述的进一步优选使用要求：所述的超声波具体为20KHz以上的高频超声波；

超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～15mm的区域；其中：对于激光焊接或者激光熔覆操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边5～10mm的区域；对于氩弧焊操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边10～15mm的区域；

超声冲击操作处理的速度为300～660mm/min；

冲击处理遍数为2～4遍。

当所述需要消除焊接应力的薄壁件材质为钛合金TA15，薄壁件为厚度1.0～1.5mm板材时，消除该薄壁件焊接应力的具体要求是：

使用HY2050型固定扁平头超声冲击机，预压力为90～110N，冲击振幅空载电流为1.0～1.5A，冲击频率20KHz，冲击速度具体为300～500mm/min，冲击遍数为3遍.

为确认“超声波冲击”消除焊接应力工艺技术在航空发动机部件焊后消除应力方面的效能，以便取代常规的焊后热处理方法，发挥其生产效率高、成本低、焊件最终变形小的优点，进行试验研究。最终将“超声波冲击仪”应用于生产。

本发明采用超声波局部消除应力的方法代替整体热处理，其具有节省周期、减少费用等明显优于现有技术的技术效果。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为ЭП708  211A微观形貌；

图2为ЭП708  211B微观形貌；

图3为ЭП708  321A微观形貌；

图4为ЭП708  321B微观形貌；

图5为ЭП708  3215微观形貌；

图6为BT20   1015微观形貌；

图7为BT20   102A微观形貌；

图8为BT20   102B微观形貌；

图9为BT20   112A微观形貌；

图10为BT20  112B微观形貌；

图11为BT20  122A微观形貌；

图12为BT20  122B微观形貌；

图13为冲击拉力试样(δ＝1)；

图14为冲击金相试样(δ＝1)。

具体实施方式

实施例1

中介机匣是发动机高、低压压气机之间的一个重要的连接部件。它由中间喇叭状鼓筒和其外面四个环形壳体与12个支撑板等所组成，结构比较复杂。环形壳体与支板之间是采用氩弧焊焊接支撑板与空心结构。

机匣材料为BT20钛合金，长时间(3000h)工作温度可达500℃，瞬时(不超过5min)工作温度可达800℃，而在450℃下工作时，寿命可达6000h。

该BT20钛合金中介机匣俄罗斯制造时焊缝采用氩弧焊焊接并辅以真空热处理。该机匣经过500h服役使用后，易在内环靠近喇叭形鼓筒处焊缝发生裂纹。裂纹的形式为穿透性裂纹和表面龟裂。

本实施例具体提供了一种用于消除薄壁件焊接应力的方法，针对上述薄壁件(BT20钛合金中介机匣)采用氩弧焊或者激光焊接或激光熔覆操作之后的焊后应力集中情况提出；所述用于消除薄壁件焊接应力的方法具体是：

采用超声冲击的方法利用超声波的高频、高效和聚焦后的巨大能量，使金属表层产生压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了构件原有的应力场，从而使得焊接件接头残余应力得以消除.

所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，还具体包含有下述的使用要求：需要消除焊接应力的薄壁件(BT20钛合金中介机匣)具体为厚度1.0～1.5mm的板材；消除该薄壁件焊接应力的具体要求是：

使用HY2050型固定扁平头超声冲击机，预压力为90～110N，冲击振幅空载电流为1.0～1.5A，冲击频率20KHz，冲击速度具体为300～500mm/min，冲击遍数为3遍。

超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～15mm的区域；其中：对于激光焊接或者激光熔覆操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边5～10mm的区域；对于氩弧焊操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边10～15mm的区域；

为确认“超声波冲击”消除焊接应力工艺技术在航空发动机部件焊后消除应力方面的效能，以便取代常规的焊后热处理方法，发挥其生产效率高、成本低、焊件最终变形小的优点，进行试验研究。最终将“超声波冲击仪”应用于生产。

本实施例采用超声波局部消除应力的方法代替整体热处理，其具有节省周期、减少费用等明显优于现有技术的技术效果。

本实施例与对比例等相关具体试验操作内容介绍如下：

1、试验方案：

1)材料：选取大修机较典型的材料：BT20、ЭП648、ЭП708，试片尺寸规格为150×300×1.5mm。

2)试片焊接：

①氩弧焊：将100×300×1.5mm的试片拼成200×300×1.5mm；

对接坡口形式，加焊丝进行焊接，用三种材料BT20、ЭП648、ЭП708各焊5个试件。

②激光焊接：采用对接形式不加焊丝，对三种材料BT20、ЭП648、ЭП 708的试片进行激光焊接，实现单面焊双面成型，各焊6个试件。

③激光熔覆：先用激光焊接方法将试片对接焊在一起，然后打磨焊缝，再采用激光熔覆工艺以加强焊缝，消除激光焊的表面缺陷(各焊6个试件)。

3)消除应力方案：

①热处理消除焊后应力：取BT20、ЭП708两种材料，三种焊接工艺，共6个试片进行热处理消除应力，并进行应力测试。(热处理在16车间进行，应力测试在华云公司进行)。

②超声波冲击消除应力：取上述同样的6个试件，用超声波冲击方法消除应力，并测定各试件的残余应力，比较超声波冲击前后的应力情况。

2、超声波冲击试验情况：

1)试验方案：

①对三种材料的不同焊接方式，做超声处理前后的应力水平对比；

②对三种材料的不同焊接方式，做超声处理和热处理后的应力水平对比；

③通过以上的检测对比数据验证超声冲击去除应力工艺的实用性。

2)试验设备和仪器：

①HY2050超声冲击装置；②YJ-26残余应力测试仪；③BX120-3CA应变计；④50CM平尺；⑤P10R-18型预调平衡箱；

3)试验程序：将试片编号：编号用三位数，个位代表序号，十位代表焊接方式，百位代表材料。BT20代号为1、ЭП648代号为2、ЭП708代号为3。氩弧焊代号为0、激光焊代号为1、激光熔覆代号为2、热处理代号是在编号后加5。编号见表1。

4)试件应力测试结果及数据见表2。

5)试件进行超声冲击处理消除应力的工艺参数见表3。

3、验证试验：为了做对比，我们做了超声冲击消除焊后残余应力试验。

1)试验条件：

①测定方法：全释放解剖法；

②应变片型号：BE120-1AA、(BE120-3AA)；

③残余应力测定位置：所有测点均布在焊缝上；

④测试过程：将焊缝一次性经过机械打磨、抛光后，再用砂纸手工抛光表面。焊件表面采用丙酮清洗后，沿焊缝和垂直焊缝方向粘贴双向应变片，放入烘箱。在80℃温度下烘干3个小时，试件冷却到室温后测量初始应变值(反复数次)，数据稳定后开始切割试片应变释放，测量最终应变值；

⑤应力计算：根据虎克定律计算出沿焊缝长度和垂直方向的应力值σx和σy。各种材料采用的弹性模量和泊松比分别为：

             E              μ

BT20：       118000MPa、    0.34

ЭП708：    195000MPa、    0.32

ЭП648：    180000MPa、    0.32

2)测量结果见表5

4、试件的检验：

对三种材料的全部焊接试片进行了无损检验、接头金相组织和性能检验，其结果如下：

1)外观检验：

按Q/3B579-200熔焊质量检验标准检验，三种材料的氩弧焊外观质量合格，正反面有均匀的加强高，无咬边、凹陷、气孔、未焊透、弧坑等缺陷。

激光焊接试片的焊缝外观熔宽窄小、均匀，焊透尚可。

激光熔覆的焊缝，在激光焊缝背面覆盖一层合金粉末，有的试片焊缝边缘飞溅毛刺较大，有的表面光滑、局部有毛刺，整个焊道较窄，且均匀。

2)X光检验：

氩弧焊的试片，X光检验三种材料的试片完全合格。激光焊接的试片，三种材料的试片沿整条焊缝有链状密集气孔。激光熔覆的试片，BT20试片的焊缝有分散的单个气孔，个别气孔尺寸超标。

ЭП648试片的焊缝沿全长1/3分布密集气孔。

ЭП708试片的焊缝个别气孔尺寸超标。

从检验结果看，激光焊接，激光熔覆试片的表面质量不理想，焊缝内部气孔多，可能与焊接工艺参数匹配及接头情况、气体保护效果不好有关。

3)焊接接头力学性能测试：

①选用试片：102：(BT20氩弧焊)

1015：(BT20氩弧焊后，经过热处理)

211：(ЭП648激光焊)

321：(ЭП708激光熔覆)

3215：(П708激光熔覆后，经过热处理)

②试片加工与检测：在102试片上沿超声处理前后的边界，裁成102A(超声处理前)和102B(超声处理后)两个试片。

在211试片上沿超声处理前后的边界，裁成211A(超声处理前)和211B(超声处理后)两个试片。

在321试片上沿超声处理前后的边界，裁成321A(超声处理前)和321B(超声处理后)两个试片。

在121试片上沿超声处理前后的边界，裁成121A(超声处理前)和121B(超声处理后)两个试片。

在111试片上沿超声处理前后的边界，裁成111A(超声处理前)和111B(超声处理后)两个试片。

然后将试片加工成拉伸试样，进行接头的强度测试，测试结果见附表四。

③结果分析：

从测试结果可以看出：

消除应力前后的拉伸试样强度没有显著差异。

用红色字表示的数值低的原因是由于试片存在未焊透的缺陷，所以没有代表性。

经超声处理与热处理消除应力的接头，两者的强度基本一致。

4)焊接接头的金相组织检测：

①金相组织照片见附图1～7。

②结果分析：从照片上可以看出：

a.材料为ЭП648的焊接试片经超声波去除应力后的组织晶界不明显，而未经超声处理的试片晶界明显。

b.ЭП708的试片超声处理前后的金相组织没有明显差异。

经热处理后的ЭП708试片，金相组织图片上晶界和晶粒比较分明。

c.BT20试片超声处理后的晶粒细化，晶界和枝晶方向不明显，属等轴晶粒，而超声前杂质纤维方向明显。

5、结果讨论与分析：

1)从表2的测试结果分析可以得出以下结论：

焊接后的试片在未进行超声处理和热处理前存在较大的残余应力，虽然进行热处理消除应力，但残余应力依然存在。经超声处理消除应力后，试片的残余应力明显消除。未处理和超声冲击处理后的应力值相比，残余应力去除率在98.99％以上。这说明超声冲击处理消除应力的工艺是可行的。

2)中科院沈阳金属研究所所做试验的结果分析：

从表5的测试结果可以得出以下结论：

①无论采用何种焊接方法，焊件最大残余应力均为材料屈服强度的1/3左右。

②ЭП648材料的焊接试片具有焊后双向应力特征，其余材料基本为单向应力特征。

③除少数测点外(表中用红色字表示的数据)，处理后的焊缝应力降低状况没有规律性。

6、结论与存在的问题：

1)结论

①超声冲击的基本原理是利用大功率超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，利用超声波的高频、高效和聚焦后的巨大能量，使金属表层产生压缩塑性变形，同时超声冲击波改变了构件原有的应力场，致使接头残余应力得以消除。

②超声波冲击是一种可以消除焊缝的残余应力，它能改变构件原有的应力场，减少焊接变形。实现局部强化，提高零件的疲劳寿命。

③山东华云公司生产的“超声冲击仪”对于消除厚大构件的残余应力有明显的效果，用于我公司薄壁焊件还应进行专用冲击头、工艺参数、零件承托等方面的探讨和试验研究。

2)存在问题：

①在试验过程中，当超声头对试件焊接热影响区进行超声冲击时，试件表面会留下明显沟痕。改用了特殊的超声头，沟痕基本消失。

②通常用超声冲击处理构件大多数是大体积的厚壁件，该种工艺在我公司薄壁件上还是首次应用，超声冲击消除应力技术虽然在试件上的应用的效果很明显，但在实际零件上的应用还需要做大量的工作。

③由于实际零件的焊接接头形式和焊接位置分布的多变、复杂性，超声冲击处理还需要设计出针对各个部位的冲击头。

④超声冲击试验是在试片背面垫上一块大厚度的钢板上进行的，补焊的实际零件一般是无法垫钢板的，悬空的薄壁件超声冲击效果如何，还有待试验。

⑤超声冲击不能代替热处理改变材料的组织状态，只能使材料表面产生塑变和位错，降低应力水平。

表1

材料	焊接方式	热处理状态	数量	编号
					BT20	氩弧焊	1件已处理	3	101，102，1015
BT20	激光焊	1件已处理	3	111，112，1115
					BT20	激光熔覆	1件已处理	3	121，122，1215
ЭП648	氩弧焊		2	201，202

材料	焊接方式	热处理状态	数量	编号
					ЭП648	激光焊		2	211，212，
ЭП648	激光熔覆		2	221，222
					ЭП708	氩弧焊	1件已处理	3	301，302，3015
ЭП708	激光焊	1件已处理	3	311，312，3115
					ЭП708	激光熔覆	1件已处理	3	321，322，3215

表2

表2的说明：

a.应力测试的方法具体是在焊缝的边缘贴上应变片，然后在距应变片中心4.25mm处钻2mm的通孔，来释放应力，最终测出应变值.

b.表中ε1、ε2、ε3分别表示沿焊缝0°、45°、90°的应变值。

c.表中σ1、σ2为最终的残余应力值：正值为拉应力，负值为压应力。θ为应力趋势的方向。)

d.残余应力的计算：将零件表面看成是主应力为σ1、σ2的两项应力状态，测出各点的应变值，并依据下式进行计算：

$\mathrm{\σ}1=\frac{\mathrm{\ϵ}1(A+B\cos 2\mathrm{\β})-\mathrm{\ϵ}3(A-B\cos 2\mathrm{\β})}{4\mathrm{AB}\cos 2\mathrm{\β}}$

$\mathrm{\σ}2=\frac{\mathrm{\ϵ}3(A+B\cos 2\mathrm{\β})-\mathrm{\ϵ}1(A-B\cos 2\mathrm{\β})}{4\mathrm{AB}\cos 2\mathrm{\β}}$

$\mathrm{\θ}=\tan 2\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\ϵ}1-2\mathrm{\ϵ}2+\mathrm{\ϵ}3}{\mathrm{\ϵ}1-\mathrm{\ϵ}3}$

式中：A、B为释放系数。

表3

处理设备	电流	预压力	处理速度	处理次数
					HY2050	1.5A	100N	20cm/m	5

表4

编号	材料	焊接方法	消除应力的工艺方法	拉力(N)	断裂部位	试片焊透情况
							102A	BT20	氩弧焊	无	238202380023950	焊缝边缘断焊缝边缘断主体断	合格合格合格
102B	BT20	氩弧焊	超声波振动	241202478023890	焊缝边缘断焊缝边缘断焊缝边缘断	合格合格合格
							1015	BT20	氩弧焊	热处理	240902427023850	主体断主体断焊缝边缘断	合格合格合格
211A	ЭП648	激光焊接	无	182001900018600	焊缝断焊缝断焊缝断	未完全熔透未完全熔透未完全熔透

编号	材料	焊接方法	消除应力的工艺方法	拉力(N)	断裂部位	试片焊透情况
							211B	ЭП648	激光焊接	超声波振动	178001780015200	焊缝断焊缝断焊缝断	未完全熔透未完全熔透未完全熔透
321A	ЭП708	激光熔覆	无	40002040021800	焊缝断焊缝断焊缝断	与321B相同未完全熔透未完全熔透
							321B	ЭП708	激光熔覆	超声波振动	340036003400	焊缝断焊缝断焊缝断	未熔合，只在试片表面熔敷一层合金。
3215	ЭП708	激光熔覆	热处理	280002840028400	主体断焊缝边缘断主体断	合格合格合格
							121A	BT20	激光熔覆	无	244502417024500	主体断主体断主体断	合格合格合格
121B	BT20	激光熔覆	超声波振动	243502440024450	主体断主体断主体断	合格合格合格
							111A	BT20	激光焊接	无	226002432024500	焊缝边缘断主体断焊缝边缘断	合格合格合格
111B	BT20	激光焊接	超声波振动	237502457024150	焊缝断焊缝断焊缝断	合格合格合格

表5

说明：表中给出了不同状态焊接试板的测量结果。表中状态栏中，“焊后”指焊接后未进行处理的试板，而“处理后”是指焊缝经过了超声冲击处理。

本实施例相关的冲击拉力试样和冲击金相试样分别参见图13、14。

实施例2

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要是：

所述需要消除焊接应力的薄壁件材质为钛合金TA15，薄壁件为厚度0.4～4mm板材时，消除该薄壁件焊接应力的具体要求是：

使用固定扁平头超声冲击机，冲击振幅空载电流为1.0～1.5A，冲击频率15KHz左右，冲击速度具体为300～660mm/min，冲击遍数为2～4遍。

所述的超声波具体为15KHz以上的高频超声波；超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～25mm的区域；超声冲击操作处理的速度为200～800mm/min，冲击处理次数为1～6遍。

本发明所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，还具体包含有下述的进一步优选使用要求：所述的超声波具体为15KHz以上的高频超声波；

超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～15mm的区域；其中：对于激光焊接或者激光熔覆操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边5～10mm的区域；对于氩弧焊操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边10～15mm的区域；

超声冲击操作处理的速度为300～660mm/min；

冲击处理遍数为2～4遍。

实施例3

本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要是：

所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，需要消除焊接应力的薄壁件具体为厚度0.4～4mm的板材；

所述的超声波具体为15KHz以上的高频超声波；超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～25mm的区域；超声冲击操作处理的速度为200～800mm/min，冲击处理次数为1～6遍。

Claims (4)

1.一种用于消除薄壁件焊接应力的方法，针对薄壁件采用氩弧焊或者激光焊接或激光熔覆操作之后的焊后应力集中情况提出；其特征在于：

所述用于消除薄壁件焊接应力的方法具体是：采用超声冲击的方法利用超声波的高频、高效和聚焦后的巨大能量，使金属表层产生压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了构件原有的应力场，从而使得焊接件接头残余应力得以消除。

2.按照权利要求1所述用于消除薄壁件焊接应力的方法，其特征在于：所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，还具体包含有下述的使用要求：

需要消除焊接应力的薄壁件具体为厚度0.4～4mm的板材；

所述的超声波具体为15KHz以上的高频超声波；超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～25mm的区域；超声冲击操作处理的速度为200～800mm/min，冲击处理次数为1～6遍。

3.按照权利要求2所述用于消除薄壁件焊接应力的方法，其特征在于：

所述用于消除薄壁件焊接应力的方法中，还具体包含有下述的使用要求：

所述的超声波具体为20KHz以上的高频超声波；

超声冲击的正面范围为距离焊缝中心线两边5～15mm的区域；其中：对于激光焊接或者激光熔覆操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边5～10mm的区域；对于氩弧焊操作而言，超声作用区域为范围为距离焊缝中心线两边10～15mm的区域；

超声冲击操作处理的速度为300～660mm/min；

冲击处理遍数为2～4遍。

4.按照权利要求2所述用于消除薄壁件焊接应力的方法，其特征在于：

当所述需要消除焊接应力的薄壁件材质为钛合金TA15，薄壁件为厚度1.0～1.5mm板材时，消除该薄壁件焊接应力的具体要求是：

使用HY2050型固定扁平头超声冲击机，预压力为90～110N，冲击振幅空载电流为1.0～1.5A，冲击频率20KHz，冲击速度具体为300～500mm/min，冲击遍数为3遍。

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