CN103805760A - 一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，属于焊接技术领域。本发明采用喷嘴（1）喷出高压的水射流束（3）在焊缝（4）上移动，调整水射流束（3）的轴心动压为220~700MPa；并保持喷嘴（1）出水口与焊缝（4）间距5~10mm，水射流束（3）垂直于工件表面沿焊接轨迹自焊缝（4）往复移动4~8次，强化应力消除效果。本发明的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法操作简便，可以快速的消除焊接后焊接处残余的应力。并且本发明可对空间狭窄的焊缝进行应力消除，如死角位置、补焊位置，并可保证整个焊缝应力消除效果好、且稳定平均。
Description
技术领域
一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，属于焊接技术领域。
背景技术
焊接是一种运用加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸的连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺，它是现代生产中一种不可缺少的加工工艺，但由于焊接时由于高度集中的瞬时热输入，导致整个构件温度场分布不均匀，在焊后不可避免产生残余应力，焊接残余应力的存在将会严重影响焊件的加工制造及其焊接结构的使用性能。焊后接头的工作应力分布状态对材料的力学性能有着重大的影响，如在焊接件的长期使用过程中出现的脆性破坏和疲劳破坏等问题，它是通过残余应力改变的。此外，大量事例表明，焊接残余应力对结构的应力腐蚀开裂、机械加工精度、结构刚度和受压杆件稳定性等都有很大的影响对结构完整性产生很大影响。
如何有效地控制焊接残余应力一直以来都是国内外焊接学者关注的热点问题，目前控制焊接残余应力的常规方法有:焊后热处理、力学形变法（过载拉伸、振动时效、锤击、喷丸、爆炸处理等）和温差形变法。随着科学技术的发展相继又出现了低应力无变形法、瞬态拉伸焊接法、脉冲磁法、随焊碾压法和随焊锤击法等现代控制新方法。以上方法各有缺点，例如焊后热处理消除应力效果较好但是需要消耗大量的能源和时间，对于奥氏体不锈钢而言需要采用昂贵的固溶处理，目前很多容器都未经热处理直接使用；振动时效方法虽然能耗小、周期短，却不适用于处理厚板等高刚性部件；机械作用法虽然应用较为广泛，但这些方法难以消除死角部位（如接管根部）的残余应力，使得断裂失效往往产生于死角位置。现有技术中未涉及高压水射流可消除焊接残余应力的设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，该方法可以快速的消除焊接后焊接处残余的应力，且可对空间狭窄的焊缝进行应力消除，并可保证整个焊缝应力消除效果好、且稳定平均。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，包括高压水射流输送泵和与其相连的喷嘴，工件上有焊接好的焊缝，焊缝的两端分别为起始点和终止点，其特征在于，包括如下步骤：
1）将焊接好的工件冷却后，固定在工作平台上；
2）将喷嘴移至焊缝的正上方，喷嘴出水口与焊缝间距5~10mm，喷嘴喷出的水射流束垂直于工件表面；
3）启动高压水射流输送泵的液压和气压系统，调整水射流束轴心动压为220~700MPa；
4）从焊缝的起始点开始，沿着焊缝移动喷嘴至焊缝的终止点，喷嘴移动速度为0.001~0.01m/s，保持喷嘴出水口与焊缝间距不变；
5）保持步骤4）中喷嘴与工件间距和喷嘴移动速率，将喷嘴沿焊缝往复移动4~8次，关闭喷嘴即得。
所述的工件为304不锈钢，水射流束轴心动压为220~250MPa。
所述的工件为316不锈钢，水射流束轴心动压为670~700MPa。
所述的工件为304不锈钢和Q345R复合板，水射流束轴心动压为280~300MPa。
由于焊缝较细长，采用人工击打焊接处的方法消除残余应力，力度不易控制、费时费力；且有时焊缝的位置较偏较窄，无法直接击打。申请人在研究中发现在工件淬火冷却后，可采用高压水射流消除应力。经高压水射流处理后的焊缝区表面等效塑性应变增大。高压水射流处理作用在内部存在残余拉应力的工件表面上，其携带的巨大冲击压应力在材料表层产生足够的塑性变形，在焊缝和热影响区产生拉伸塑性应变，抵消拉伸弹性应变，从而使焊缝及热影响区残余应力得到松弛。
高压的喷嘴距工件件距离5~10mm。申请人在研究中发现喷嘴距工件距离5~10 mm是一个较为合适的喷射距离，在这个距离内残余应力消除效果更好，距离太大或太小残余应力效果不显著。距离太大时需升高水压造成能耗浪费，距离太小造成水流在工件表面喷溅严重，实际操作时影响观察水流的落点。
申请人认为针对不同的材料选用不用的水射流压力。根据有限元分析实施实例结果，如针对304不锈钢，当轴心动压达到220~250MPa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，且轴心动压较小能耗较低；针对316不锈钢，当轴心动压达到670~700MPa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，且轴心动压较小能耗较低；针对304不锈钢和Q345R复合板，当轴心动压达到280~300MPa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，且轴心动压较小能耗较低，即可以达到较好的残余应力消除效果。
喷嘴移动速度取0.001~0.01m/s之间时，残余应力消除效果更好，如果移动速度超过0.01m/s，焊接残余应力将得不到很好的降低。如果移动速度低于0.001m/s，残余应力的大小基本与喷嘴移动速度无关，残余应力随移动速度基本没有变化，为考虑消除效果、时间及经济性，选取0.001m/s~0.01m/s为宜。
与现有技术相比，本发明的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法所具有的有益效果是：
1、本发明的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，与传统焊接残余应力消除方法相比，具有效果好、成本低、无污染、操作简单、便于实现自动化和容易对狭窄、深凹槽等死角部位进行消除的优点。
2、本发明的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法经高压水射流处理后的焊缝区表面等效塑性应变增大。高压水射流处理作用在内部存在残余拉应力的不锈钢复合板表面上，其携带的巨大冲击压应力在材料表层产生足够的塑性变形，使残余应力得到松弛。
3、本发明经高压水射流处理后，焊缝表面及热影响区的残余应力得到了很大程度上的降低，在焊缝区甚至已经产生了压缩应力，有效控制了疲劳源的萌生和裂纹的扩展。
附图说明
图1是本发明利用高压水射流消除焊接残余应力现场模拟示意图。
图2是实施例1中高压水射流作用前后的304不锈钢表面残余应力分布示意图。
图3是实施例1中304不锈钢焊缝表面最大纵向残余应力随高压水射流压力分布示意图。
图4是实施例2中高压水射流作用前后的316不锈钢表面残余应力分布示意图。
图5是实施例2中316不锈钢焊缝表面最大纵向残余应力随高压水射流压力分布示意图。
图6是实施例3中高压水射流作用前后的304不锈钢和Q345R复合板表面残余应力分布示意图。
图7是实施例3中304不锈钢和Q345R复合板焊缝表面最大纵向残余应力随高压水射流压力分布示意图。
其中：1、喷嘴；2、工件；3、水射流束；4、焊缝；5、起始点；6、运动方向；7、高压水射流输送泵；8、压力计；9、终止点。
具体实施方式
图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~7对本发明做进一步说明。
结合附图1，实施例1~3中采用的高压水射流射流装置包括高压水射流输送泵7和与其相连的喷嘴1，以及用于放置工件2的工作平台。喷嘴1喷出水射流束3垂直于工件2表面。高压水射流输送泵7上设有控制水压的压力计8，工件2上设有采用补焊接头焊接好的焊缝4。焊缝4的两端分别为起始点5和终止点9。
实施例1~3中轴心动压为水射流束3冲击中心处的最高压力，亦即滞止压力；屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。
实施例1
参照附图1~3，工件2为304不锈钢材质，工件2上的焊缝4采用304不锈钢补焊接头焊接，在工件2中间位置进行补焊，焊缝4深度为4mm，焊缝4坡口角度为60°，喷嘴1直径为1mm。
本实施例包括如下步骤：
1）将焊接好的工件2冷却后，固定在工作平台上；
2）将喷嘴1移至焊缝4的正上方，喷嘴1出水口与焊缝4间距8mm，喷嘴1喷出的水射流束3垂直于工件表面；
3）启动高压水射流输送泵7的液压和气压系统，调整水射流束3轴心动压为220MPa，即为工件材料屈服强度的0.85~0.9倍；
4）从焊缝4的起始点5开始，沿着焊缝4移动喷嘴1至焊缝4终止点9，喷嘴1移动速度0.008m/s，保持喷嘴1出水口与焊缝4间距不变；
5）保持步骤4）中喷嘴1与工件间距和喷嘴移动速率，将喷嘴按焊缝4往复移动7次，关闭喷嘴即得。
利用有限元软件ABAQUS对高压水射流降低304不锈钢补焊接头焊接残余应力进行模拟计算，将304不锈钢补焊接头表面一系列数据点在高压水射流作用前后的残余应力值导出，利用这些数据绘制成曲线，如图2所示。
参照图2，给出了轴心动压为350MPa时，实施例1喷嘴1的水射流束3冲击前后沿工件2表面的残余应力分布规律。图2中纵坐标值残余应力（MPa）表示工件2表面的横向和纵向残余应力值，横坐标沿工件表面距离（mm）的表示沿工件2表面路径的距离分布；分别定义横向应力 
，纵向应力
。
表示是高压水射流处理前工件表面横向残余应力分布，表示是高压水射流处理前工件表面纵向残余应力分布，可以看出：工件2上焊缝4和焊缝4周围的热影响区产生了较大的纵向应力，最大值已经达到268MPa。图2中，
表示是高压水射流处理后工件表面横向残余应力分布，
表示是高压水射流处理后工件表面纵向残余应力分布。可以看出：经过本发明高压水射流处理后，焊缝4及热影响周围区域表面的残余应力得到了很大程度的降低，在焊缝区的横向应力均降至-140MPa以下，纵向应力降至-5MPa以下，横向应力平均降低了195MPa，纵向应力平均降低了264MPa。
利用有限元软件ABAQUS对高压水射流降低304不锈钢补焊接头焊接残余应力进行模拟计算，分别取不同轴心动压的水射流作用在304不锈钢焊缝上。图3中，纵坐标值“残余应力（MPa）”表示工件2焊缝表面最大纵向残余应力，横坐标“轴心动压（MPa）”表示是水射流的不同轴心动压值。残余应力（MPa）为0或负值，且轴心动压（MPa）较小时，为最优化工艺。将304不锈钢补焊接头焊缝表面最大纵向残余应力值导出，由此可得到在不同轴心动压下304不锈钢补焊接头焊缝表面最大纵向残余应力值。然后利用这些数据绘制成曲线，如图3所示，它表示了焊缝表面最大纵向残余应力随轴心动压的变化曲线，从图3中的残余应力曲线和等塑性应变曲线可看出，随着高压水射流压力的增大，在焊缝区产生的残余压应力越来越大，当轴心动压达到220MPa（0.85~0.9倍的304材料的屈服强度）时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，因此选取304不锈钢所用高压水射流的轴心动压范围为220~250MPa为最优。采用实施例1的方法步骤，可以获得304不锈钢的最优残余应力消除效果。
实施例2
参照图1和图4~5，工件2为316不锈钢材质，工件2上的焊缝4采用316不锈钢补焊接头焊接，焊缝4为深度4mm，焊缝4坡口角度为60°，喷嘴直径为1mm。
本实施例包括如下步骤：
1）将焊接好的工件2冷却后，固定在工作平台上；
2）将喷嘴1移至焊缝4的正上方，喷嘴1出水口与焊缝4间距10mm，喷嘴1喷出的水射流束3垂直于工件表面；
3）启动高压水射流输送泵7的液压和气压系统，调整水射流束3轴心动压为670MPa，即为工件材料屈服强度的1.4~1.6倍；
4）从焊缝4的起始点5开始，沿着焊缝4移动喷嘴1至焊缝4终止点9，喷嘴1移动速度0.01m/s，保持喷嘴1出水口与焊缝4间距不变；
5）保持步骤4）中喷嘴1与工件间距和喷嘴1移动速率，将喷嘴按焊缝4往复移动4次，以强化喷嘴1移动的应力消除效果，关闭喷嘴即得。
利用有限元软件ABAQUS对高压水射流降低316不锈钢补焊接头焊接残余应力进行模拟计算，将316不锈钢补焊接头表面一系列数据点在高压水射流作用前后的残余应力值导出，利用这些数据绘制成曲线，如图4所示。
参照图4，给出了轴心动压为350MPa时，实施例2喷嘴1的水射流束3冲击前后，沿工件2表面的残余应力分布规律。图4中，纵坐标值“残余应力（MPa）”表示工件2表面的横向和纵向残余应力值，横坐标值“沿工件表面距离（mm）”的表示沿工件2表面路径的距离分布；分别定义横向应力
，纵向应力
。
表示是高压水射流处理前工件表面横向残余应力分布，表示是高压水射流处理前工件表面纵向残余应力分布，可以看出：焊缝和热影响区产生了较大的纵向应力，最大值已经达到510MPa。图4中，
表示是高压水射流处理后工件表面横向残余应力分布，
表示是高压水射流处理后工件表面纵向残余应力分布。可以看出：经过高压水射流处理后，焊缝及热影响周围区域表面的残余应力得到了很大程度的降低，在焊缝区的横向应力均降至-92MPa以下，纵向应力降至160MPa以下，横向应力平均降低了251MPa，纵向应力平均降低了399MPa。
利用有限元软件ABAQUS对高压水射流降低316不锈钢补焊接头焊接残余应力进行模拟计算，分别取不同轴心动压的水射流作用在316不锈钢焊缝上。将316不锈钢补焊接头焊缝表面最大纵向残余应力值导出，由此可得到在不同轴心动压下316不锈钢补焊接头焊缝表面最大纵向残余应力值。然后利用这些数据绘制成曲线，如图5所示，它表示了焊缝表面最大纵向残余应力随轴心动压的变化曲线，图5中，纵坐标值“残余应力（MPa）”表示工件2焊缝表面最大纵向残余应力，横坐标“轴心动压（MPa）”表示是水射流的不同轴心动压值。残余应力（MPa）为0或负值，且轴心动压（MPa）较小时，为最优化工艺。从图5中看出，随着高压水射流压力的增大，在焊缝区产生的残余压应力越来越大，图5当轴心动压达到670MPa（1.4~1.6倍的316材料的屈服强度）时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，因此选取316不锈钢所用高压水射流的轴心动压范围为670~700MPa为最优。采用实施例2的方法步骤，可以获得316不锈钢的最优残余应力消除效果。
实施例3
参照图1和图5~6，工件2采用复层材料为304不锈钢，基层材料为Q345R，厚度分别为3和17mm。工件2采用不锈钢复合板补焊接头，在工件2中间位置进行补焊，焊缝4深度为4mm，焊缝4坡口角度为60°，喷嘴1直径为1mm。
本实施例包括如下步骤：
1）将焊接好的工件2冷却后，固定在工作平台上；
2）将喷嘴1移至焊缝4的正上方，喷嘴1出水口与焊缝4间距5mm，喷嘴1喷出的水射流束3垂直于工件表面；
3）启动高压水射流输送泵7的液压和气压系统，调整水射流束3轴心动压为280MPa；
4）从焊缝4的起始点5开始，沿着焊缝4移动喷嘴1至焊缝4终止点9，喷嘴1移动速度0.001m/s，保持喷嘴1出水口与焊缝4间距不变；
5）保持步骤4）中喷嘴1与工件间距和喷嘴1移动速率，将喷嘴按焊缝4往复移动6次，以强化喷嘴1移动的应力消除效果，关闭喷嘴即得。
利用有限元软件ABAQUS对高压水射流降低不锈钢复合板补焊接头焊接残余应力进行模拟计算，将不锈钢复合板补焊接头表面一系列数据点在高压水射流作用前后的残余应力值导出，利用这些数据绘制成曲线，如图6所示。
参照图6，给出了轴心动压为150MPa时，实施例3喷嘴1的水射流束3冲击前后，沿工件2表面的残余应力分布规律。图6中，纵坐标值“残余应力（MPa）”表示工件2表面的横向和纵向残余应力值，横坐标值“沿工件表面距离（mm）”的表示沿工件2表面路径的距离分布；分别定义横向应力
，纵向应力
。
表示高压水射流处理前试样表面横向应力实验测试结果，
表示高压水射流处理前试样表面纵向应力实验测试结果。从图6中实验应力测试结果与有限元结果可以看出，应力测试结果与有限元结果基本一致，因此有限元方法得到很好的验证，具有实际意义。图6中，
表示是高压水射流处理前工件表面横向残余应力分布，
表示是高压水射流处理前工件表面纵向残余应力分布，可以看出：焊缝和热影响区产生了较大的纵向应力，最大值已经达到288MPa。图6中，
表示是高压水射流处理后工件表面横向残余应力分布，表示是高压水射流处理后工件表面纵向残余应力分布，可以看出：经过高压水射流处理后，焊缝及热影响周围区域表面的残余应力得到了很大程度的降低，在焊缝区的横向应力均降至-19MPa以下，纵向应力降至69MPa以下，横向应力平均降低了283MPa，纵向应力平均降低了199MPa。
利用有限元软件ABAQUS对高压水射流降低不锈钢复合板补焊接头焊接残余应力进行模拟计算，分别取不同轴心动压的水射流作用在304不锈钢和Q345R复合板焊缝上。将不锈钢复合板补焊接头焊缝表面最大纵向残余应力值导出，由此可得到在不同轴心动压下不锈钢复合板补焊接头焊缝表面最大纵向残余应力值。然后利用这些数据绘制成曲线，如图7所示，它表示了焊缝表面最大纵向残余应力随轴心动压的变化曲线。图7中，纵坐标值“残余应力（MPa）”表示工件2焊缝表面最大纵向残余应力，横坐标“轴心动压（MPa）”表示是水射流的不同轴心动压值。残余应力（MPa）为0或负值，且轴心动压（MPa）较小时，为最优化工艺。从图7中看出，随着高压水射流压力的增大，在焊缝区产生的残余压应力越来越大，当轴心动压达到280MPa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，因此选取304不锈钢和Q345R复合板所用高压水射流的轴心动压范围为280~300MPa为最优。采用实施例3的方法步骤，可以获得304不锈钢和Q345R复合板的最优残余应力消除效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，包括高压水射流输送泵（7）和与其相连的喷嘴（1），工件（2）上有焊接好的焊缝（4），焊缝（4）的两端分别为起始点（5）和终止点（9），其特征在于，包括如下步骤：
1）将焊接好的工件（2）冷却后，固定在工作平台上；
2）将喷嘴（1）移至焊缝（4）的正上方，喷嘴（1）出水口与焊缝（4）间距5~10mm，喷嘴（1）喷出的水射流束（3）垂直于工件表面；
3）启动高压水射流输送泵（7）的液压和气压系统，调整水射流束（3）轴心动压为220~700MPa；
4）从焊缝（4）的起始点（5）开始，沿着焊缝（4）移动喷嘴（1）至焊缝（4）的终止点（9），喷嘴（1）移动速度为0.001~0.01m/s，保持喷嘴（1）出水口与焊缝（4）间距不变；
5）保持步骤4）中喷嘴（1）与工件间距和喷嘴移动速率，将喷嘴（1）沿焊缝（4）往复移动4~8次，关闭喷嘴即得。
2.根据权利要求1所述的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的工件（2）为304不锈钢，水射流束（3）轴心动压为220~250MPa。
3.根据权利要求1所述的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的工件（2）为316不锈钢，水射流束（3）轴心动压为670~700MPa。
4.根据权利要求1所述的一种利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，其特征在于：所述的工件（2）为304不锈钢和Q345R复合板，水射流束（3）轴心动压为280~300MPa。
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