CN102732708A - 利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法 - Google Patents

利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法 Download PDF

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Abstract

利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法，它涉及一种降低多层多道焊焊接件内部残余应力的方法，以解决现有降低厚板焊接残余应力的方法存在安全性较差，适应性较差以及影响焊接过程的问题，方法的具体步骤为：步骤一、将激振器固定在振动平台上；步骤二、通过焊接夹具上的装夹垫片和工件装夹盖板将待焊工件装夹在振动平台上；步骤三、振前扫频，在亚共振频率下调整激振力获得待焊工件的固有频率；步骤四、对待焊工件进行施焊；步骤五、焊完一层后，在焊接余热状态下按照步骤三确定的固有频率，振动时效处理5-12min，如此重复，直至焊接过程完成。本发明用于降低厚板焊接工件焊接后的残余应力。

Description

利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法
技术领域
本发明涉及一种降低多层多道焊焊接件内部残余应力的方法，具体涉及一种利用多层多道焊各焊道之间焊接余热辅助振动时效降低厚板焊接件残余应力的方法，属于振动时效领域。
背景技术
厚板焊接后残余应力的分布于大小与薄板焊接后残余应力的分布情况有显著不同，厚板的焊接残余应力在厚度方向上的分布非常复杂。在厚板焊接时，随着板厚的不同，残余应力的状况不同。对于钢板的焊接，通常当板厚在40-60mm厚时，构件中的残余应力最大；当板厚小于这个厚度范围时，残余应力有随着板厚的增加而增加的趋势；当板厚超过这个范围后，残余应力有一定程度的降低。目前主要通过产生塑性变形抵消构件内部由残余应力引起弹性变形的方法解决焊接残余应力的问题，整体可分为热时效法与机械处理法。鉴于厚板焊接构件往往结构较大且复杂，另一方面热时效炉的容量有限，因此采用热时效退火的方法消除残余应力的方法很难在厚板焊接构件中广泛应用。冲击碾压或锤击这类在薄板焊件中十分有效的机械处理的方法，其作用范围主要局限于构件的表层，因此无法直接应用于厚板焊接构件。目前消除厚板焊接残余应力的方法主要有：调整焊接顺序法，爆炸法，振动法。
调整焊接顺序的方法是通过调整焊件的坡口形式与焊接次序，尽可能降低焊接热输入，通过降低塑性区的最终尺寸达到降低焊接残余应力的目的。这种方法在操作时具有不需要其他辅助方法的优点，但是需要大量的试验与分析获得焊接参数，对一种构件制定的焊接参数很难应用于其他的焊接构件，工艺参数的制定费时费力，且残余应力的降低水平有限。
爆炸法是将炸药布在待处理的焊件上，通过引爆炸药，利用爆炸冲击波对构件进行处理的方法。这种方法具有实施方便、快捷的优势，但是有较大的危险性，使得这种方法的应用受到极大的限制。
将振动应用于降低焊接构件中残余应力有两种方式：一种是焊后进行振动时效。振动时效是使用与试件刚性固定的激振器带动试件共同达到共振，降低构件中残余应力的方法。在振动的过程中，构件内部的残余应力与外载应力相叠加，其和应力超过材料的屈服强度后，发生塑性变形，一定程度的释放残余应力。振动时效前后材料的性能几乎不发生恶化，伴随着残余应力的降低以及材料内部位错的重新分布，其抗松弛稳定性等一系列性能会随之升高，工件的几何尺寸随之趋于稳定。焊接构件由于焊接过程中的不均匀加热，在焊接后构件内部会产生较高的残余应力，将焊接后的构件进行振动，会使峰值残余应力降低20-40%。但是对于刚度较大的构件，由于弯曲变形困难，振动时效时难以达到规定振幅，因此无法使用振动时效降低高刚度焊接构件中的残余应力。
另一种方法是在焊接过程中施加振动。采用自动焊或者手工焊的方法，待焊试件装夹在振动平台上，焊件随振动平台一同振动。这种方法的优势在于，受到振动的影响，熔池搅拌均匀，焊缝质量好，成形美观，振动与焊接同时进行，焊后不需要进行额外的处理。但是手工焊施焊环境恶劣，对焊工的焊接技术要求极高。自动焊过程中，要保证焊接系统不随之振动是一大难点。此外，由于要保证焊接过程的顺利进行，使振动焊接的振幅远小于振动时效的振幅。
综上所述，现有调整焊接顺序的方法降低厚板焊接残余应力存在工作量较大，厚板残余应力的降低不具有普遍性；爆炸法降低厚板焊接残余应力存在安全性较差，适用受限制；焊后进行振动时效降低厚板焊接应力的方法不适用于刚度较大的焊件，适应性较差，焊接过程施加振动时效降低焊接残余应力存在手工焊焊接技术要求无法保证，自动焊焊接系统振动，焊接过程受到影像的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有降低厚板焊接残余应力的方法存在安全性较差，适应性较差以及影响焊接过程的问题，进而提供一种利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法的具体步骤为：
步骤一、将激振器固定在振动平台上；
步骤二、通过焊接夹具上的装夹垫片和工件装夹盖板将待焊工件装夹在振动平台上；
步骤三、振前扫频，将加速度传感器固定在待焊工件上，利用加速度传感器拾取振幅，通过逐渐增大激振器的频率，并同时获取振幅信号获得一阶或二阶共振频率，在亚共振频率下调整激振力获得待焊工件的固有频率；
步骤四、将加速度传感器置于振动平台上，根据待焊工件的尺寸和坡口形式，选定焊接层数，对待焊工件进行施焊；
步骤五、焊完一层后，在焊接余热状态下按照步骤三确定的固有频率，振动时效处理5-12min，或振动至焊接工件的温度小于150℃，如此重复，直至焊接过程完成。
本发明的有益效果是：
一、提高振动时效的效率，传统的振动时效需要40min，而本发明在焊接每一层后利用余热振动，所需的振动时间5-12min，效率大大提高。
二、降低振动的幅度，传统的振动时效需要保证一定的振幅，无法对刚性较大的试件进行处理，本发明操作方便，安全可靠，不影响焊接过程，在较低振幅下获得较高的振动时效处理效果，特别适合于对整体刚度较大的焊接构件进行振动时效降低焊后残余应力，适应性好，应用范围广。
三、可处理10mm以上的厚焊工件，能有效地降低大厚焊接构件内部的残余应力，只需要在每一层焊接之后振动时效即可。
附图说明
图1是本发明结合的装置的立体结构示意图，图2是图1的分解图，图3是图1的主视图，图4是图3的左视图，图5是图3的俯视图，图6是实施例中试件焊接前获得焊缝中心位置的热循环曲线图，图7是实施例中焊接后不进行处理，焊接后进行振动时效处理与焊接过程焊层间利用焊接余热进行振动时效处理得到的三组试件的残余应力的第一主应力与焊缝距离关系图，图8是实施例中焊接后不进行处理，焊接后进行振动时效处理与焊接过程焊层间利用焊接余热进行振动时效处理得到的三组试件的残余应力的第二主应力与焊缝距离关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法的具体步骤为：
步骤一、将激振器6固定在振动平台3上；
步骤二、通过焊接夹具上的装夹垫片4和工件装夹盖板5将待焊工件1装夹在振动平台3上；
步骤三、振前扫频，将加速度传感器2固定在待焊工件1上，利用加速度传感器2拾取振幅，通过逐渐增大激振器6的频率，并同时获取振幅信号获得一阶或二阶共振频率，在亚共振频率下调整激振力获得待焊工件1的固有频率；
步骤四、将加速度传感器2置于振动平台3上，根据待焊工件1的尺寸和坡口形式，选定焊接层数，对待焊工件1进行施焊；
步骤五、焊完一层后，在焊接余热状态下按照步骤三确定的固有频率，振动时效处理5-12min，或振动至焊接工件的温度小于150℃，如此重复，直至焊接过程完成。
本实施方式结合的装置包括振动时效设备、振动平台3和焊接夹具，所述振动时效设备包括激振器6、加速度传感器2、四个减震橡胶垫7和多个第一紧固件8，所述焊接夹具包括两个工件装夹盖板5、两个装夹垫片4和多个第二紧固件9，所述第一紧固件8和第二紧固件9均为螺栓，四个减震橡胶垫7呈阵列布置，四个减震橡胶垫7上设置有振动平台3，振动平台3的一侧设置有激振器6，激振器6通过多个第一螺栓8与振动平台3连接，靠近激振器6的振动平台3上沿振动平台3的宽度方向并列设置有装夹垫片4和工件装夹盖板5，装夹垫片4位于振动平台3和工件装夹盖板5之间，装夹垫片4和工件装夹盖板5分别通过第一螺栓8与振动平台3连接，待焊工件1通过工件装夹盖板5夹紧固定在振动平台3上，振动时效前扫频时，将加速度传感器2置于待焊工件1上降低残余应力的目标位置，振动时效过程中，将加速度传感器2置于振动平台3上。
具体实施方式二：本实施方式的步骤五中振动时效处理10min。如此设置，振动时效的效率大大提高，有效地降低了焊接工件的残余应力。
实施例：结合图1-图8进一步说明本发明，本实施例采用工件材料为低合金高强钢，该低合金高强钢的主要化学成分质量百分比：C为0.15%，Si为0.32%，Mn为1.44%，其抗拉强度为575MPa，屈服强度为470Mpa，制成如图2中待焊工件1的对接试样，工件尺寸为200mm×300mm×14mm，开30°坡口，钝边为2mm，焊接时两块工件预留3mm间隙，采用手工电弧焊，焊条选用J422，共焊接四层。
焊接前通过有限元模拟获得焊缝中心位置的热循环曲线，如图6所示，可见在焊后小于10min（600秒）后，工件的温度降低到100℃一下，此后温度降低缓慢。因此，多层多道焊层间利用余热进行振动时效的时间为10min。
为了进一步说明本发明的效果，下面给出了焊接后不进行处理，焊接后进行振动时效处理与焊接过程焊层间利用焊接余热进行振动时效处理三组试件的残余应力大小，实验过程中三组工件的焊接工艺参数相同：
试件一：焊接后不进行任何处理；
试件二：正常焊接后振动时效处理40min；激振器调为2档，激振频率：100Hz；
试件三：每焊完一层后，利用焊接余热进行振动振动时效处理10min；激振器调为2档，激振频率：100HZ。
用盲孔法测量三块试件中的残余应力，获得三个试件第一主应力与第二主应力的比较结果，结果如图7与图8所示。正常焊接后，第一主应力为270MPa；焊后进行振动时效处理后，第一主应力降低到260MPa，降低幅度约3.7%；焊接过程焊层间利用焊接余热进行振动时效处理后第一主应力降低到190MPa，降低幅度约为29%，可见每焊接一道后进行10min的振动时效处理后残余应力降低情况最好。在有效降低第一主应力的条件下，将第二主应力转变为压应力。
工作原理
振动时效是通过产生微区的塑性变形达到降低残余应力的目的，因此提高振动的振幅与降低材料的屈服强度都可以达到提高振动时效效果的目的。金属材料的屈服强度往往随着温度的升高而降低，利用升高温度的措施达到提高振动时效效果的方案是可行的。焊接使构件经历加温过程，利用焊接余热进行振动时效，可以提高振动时效的效果，在多层多道焊的过程中，在每一层焊道结束后都进行振动时效，可以对焊缝内部的残余应力得到较好的释放。

Claims (2)

1.一种利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的降低残余应力的方法的具体步骤为：
步骤一、将激振器（6）固定在振动平台（3）上；
步骤二、通过焊接夹具上的装夹垫片（4）和工件装夹盖板（5）将待焊工件（1）装夹在振动平台（3）上；
步骤三、振前扫频，将加速度传感器（2）固定在待焊工件（1）上，利用加速度传感器（2）拾取振幅，通过逐渐增大激振器（6）的频率，并同时获取振幅信号获得一阶或二阶共振频率，在亚共振频率下调整激振力获得待焊工件（1）的固有频率；
步骤四、将加速度传感器（2）置于振动平台（3）上，根据待焊工件（1）的尺寸和坡口形式，选定焊接层数，对待焊工件（1）进行施焊；
步骤五、焊完一层后，在焊接余热状态下按照步骤三确定的固有频率，振动时效处理5-12min，或振动至焊接工件的温度小于150℃，如此重复，直至焊接过程完成。
2.根据权利要求1所述的利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法，其特征在于：步骤五中振动时效处理10min。
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