CN104849144B

CN104849144B - 一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法

Info

Publication number: CN104849144B
Application number: CN201510274560.0A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 刘坤; 王娟
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2035-05-26
Also published as: CN104849144A

Abstract

本发明涉及一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法，包括如下步骤：利用压力机对焊接后不锈钢试板的变形进行矫正校平；采用高压水射流对校平后的焊件沿垂直于焊缝方向进行切割；对所有的焊件试样的切割面进行精加工，保证焊件试样的宽度和两个切割面的表面粗糙度为设定值；对焊件试样进行等间距划线和标距划定；将焊接试样沿垂直于焊缝方向进行应变强化；对拉伸应变强化后焊接试样相邻划线之间的间隔距离进行测量；计算焊接试样各个区域的应变率，作出应变率‑位置的坐标图，得到各区域非匀质变形的趋势。本发明是针对不锈钢焊接接头应变强化的非匀质变形提出了一种检测方法，为应变强化不锈钢容器的使用安全提供理论和试验数据。

Description

一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法

技术领域

本发明属于焊接检测技术领域，具体涉及一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法。

背景技术

在实际生产和生活中，材料的非匀质性问题是不可忽略的，尤其是关键零部件的薄弱区域是人们最为关注的焦点。焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区三部分组成的非匀质体，它存在着不同程度的组织性能非均匀性。焊接接头的非匀质性是材料使用焊接性所涉及的重要问题之一，其中薄弱区的性能决定了整个焊接件的性能，故对焊接接头的非匀质性进行准确的检测一直受到关注。

不锈钢以其良好的耐腐蚀性及焊接性而被广泛应用于建筑、酿造、化工、医疗等领域，其中奥氏体不锈钢因具有优良的低温韧性和较高的抗脆性断裂能力而被广泛用于制造低温液体用压力容器。与常规设计方法相比，应用应变强化设计的奥氏体不锈钢焊接压力容器，可以减小容器的壁厚，实现轻量化生产，达到低碳经济的目标。然而应变强化过程中材料的非匀质变形是设计人员最为关注的问题，尤其是奥氏体不锈钢焊接接头处的非匀质变形对压力容器的安全性有着至关重要的影响。

目前，由于不锈钢焊接接头区应变强化非匀质变形的复杂性，现有的计算机有限元模拟不能真实反映多因素影响下的焊接接头非匀质变化；利用应变片进行检测也难以实现检测位置的连续性；微拉伸试验只能给出任意方向选取的微小区域的非匀质变形性质，难以反应真实尺寸下工件的非匀质变形特性，并且微小试样法的准备过程和操作较为复杂，对试样的要求较高，后续处理繁琐，难以在实际工程中应用。中国发明专利(201110433604.1)提出的冷轧钢带变形检测的定点标记方法，需要在定点位置钻出通孔，此方法对试样有破坏性；中国发明专利(201210550221.7)提出的奥氏体不锈钢塑性变形量的无损检测方法，是采用直流磁化的方法，通过对比奥氏体不锈钢塑性变形前后变形量与剩磁场强度的标定关系曲线来得出实际变形量，但这种检测技术并没给出针对不锈钢焊接接头非匀质变形的检测方法。

因此，不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的准确无损检测对于不锈钢焊接容器的安全生产和质量控制有重要意义。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提出了一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法，该方法适用于检测奥氏体不锈钢压力容器焊接接头应变强化过程中的非匀质变形，能够获得焊接接头应变强化的薄弱区位置及非匀质变形的趋势，为焊接结构的应变强化提供安全保证。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法，包括如下步骤：

(1)对焊接后不锈钢试板的变形进行矫正校平；

(2)采用高压水射流对校平后的焊件沿垂直于焊缝方向进行切割，得到若干条长条状焊件试样；

采用高压水射流进行切割是为了防止焊件切割过程中过高的温度影响组织和性能。

(3)对所有的焊件试样的两个切割面进行精加工，保证焊件试样的宽度和两个切割面的表面粗糙度为设定值，焊件试样的焊缝表面及焊缝底部表面均保持焊后状态；

(4)在所述焊件试样的切割面，以焊件试样的焊缝中心线为起点，向焊缝的两侧进行等间距划线，同时进行标距划定，保证标距关于焊缝对称；

(5)将焊接试样沿垂直于焊缝方向进行应变强化；根据预定的整体应变率和步骤(4)中划定的标距计算出拉伸后的标距长度，将参照物的设定长度调为拉伸后标距长度，对拉伸过程中标距变化进行观察，当标距变为参照物的设定长度时，则停止拉伸，保持5～8s后进行卸载；

(6)将所有焊件试样相邻划线之间的间隔均分为上、中、下三部分，然后分别测量各个部分拉伸后的距离，然后计算各个焊件试样之间的相应划线之间相应部分的距离的平均值，得到上、中、下三个部分拉伸后的距离的平均值，相邻划线之间的各个部分的平均值相加，得到相邻划线拉伸后的间隔距离。

(7)利用公式ε_X＝(X'-D)/D计算焊接接头距焊缝中心不同距离区域的应变率(ε_A，ε_B，ε_C，……)，然后作出应变率-位置的坐标图，得到不锈钢焊接接头各区域非匀质变形的趋势。

优选的，步骤(1)中，所述矫正校平的步骤为：将焊件固定于两支撑件之间，将焊缝背面朝上，并使焊缝与两支撑件之间的中心线重合，再对焊件施加向下的压力，使其产生与焊接变形相反的塑性变形，补偿原来的焊接变形。矫正校平有利于调节试板内残余应力的分布以及减小残余应力。

优选的，步骤(2)中，所述高压水射流的切割速度为80～120mm/min。

优选的，步骤(2)中，所述焊件试样的宽度为10～11mm，长度不大于300mm。

优选的，步骤(2)中，所述焊件试样的个数不少于3条。

优选的，步骤(3)中，所述精加工的方式为铣削或磨削。

优选的，步骤(3)中，所述焊件试样宽度的设定值为10～10.5mm，焊件试样的两个切割面的表面粗糙度的设定值为1.2～1.5μm。

优选的，步骤(4)中，焊缝上不少于2个等分区域，相邻划线间的距离为2.50～5.00mm，所述每条划线一次完成。

优选的，所述参照物为游标卡尺。

优选的，步骤(5)中，所述应变速率为(3～5)×10^-4/s，整体应变率为7％～16％，加载速率为0.1～0.4kN/s，应变强化拉伸过程的温度为15～20℃。

优选的，步骤(5)中，加载速率在拉伸初始阶段调节为0.4kN/s，在拉伸最终阶段调为0.1kN/s。

优选的，步骤(7)中，所述应变率-区域位置的坐标图的做法为：以焊缝中线为原点，选取正方向，以各区域中心点距离焊缝中心的距离为横坐标，以各区域的应变率为纵坐标，作出应变率-位置的坐标图。

结果表明焊接接头应变强化中焊缝和母材的应变率较小，而热影响区的应变率最大，可达标距整体应变率的3～4倍；应变强化压力容器焊接接头的热影响区是整个工件的薄弱区。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明中采用高压水射流进行切割，能够有效防止焊件切割过程中过高的温度影响组织和性能，检测的准确性。

(2)在应变强化前对不锈钢焊接接头进行间隔划线，划线间隔距离能够根据接头尺寸进行灵活调节，划线过程对焊件无损伤，可实现不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的无损检测。

(3)对应变强化后的划线区域进行测量时，考虑了每个间隔区的上、中、下三个位置间距变化，取其平均值利于减少偶然性，更真实反应每个区域的变形差异。

(4)本发明针对不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的无损检测方法，能够阐明焊接接头非匀质变形的规律，焊缝中心的应变率较低，热影响区是焊接接头应变强化过程中最薄弱的位置，其应变率能达到焊件整体应变率的3～4倍。薄弱区位置的确定能够为应变强化不锈钢容器的使用安全提供理论和试验数据。

附图说明

图1为本发明的等间隔区域划分和标距划分示意图；

图2为不锈钢等离子弧焊接接头应变强化的非匀质变形分布；

图3为不锈钢等离子弧+钨极氩弧组合焊接接头应变强化的非匀质变形分布；

图4等间隔距离非匀质变形的测量及应变前后对比。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

厚度为10mm的304奥氏体不锈钢板，试板尺寸为180mm×160mm×10mm，试板采用等离子弧焊进行焊接，其化学成分为C 0.06％，Si 0.40％，Mn 1.62％，P 0.026％，S0.012％，Ni 8.14％，Cr 18.03％，Fe余量。

(1)检测前准备

利用压力机针对焊接后不锈钢试板的变形进行矫正校平，将焊件固定于两支撑之间，焊缝背面朝上，并使焊缝与两支撑中心线重合，再对焊件施加向下的压力，使其产生与焊接变形相反的塑性变形，补偿原来的焊接变形，利于调节试板内残余应力的分布以及减小残余应力。

为防止焊件切割过程中过高的温度影响组织和性能，采用高压水射流对校平后的焊件沿垂直于焊缝方向进行切割，切割速度120mm/min，将焊件切割成宽度为10～11mm的长条状试样。为避免偶然性，选取3个长条状试样进行后续的划线、拉伸、测量、计算等。采用表面铣削的方式将试样两个切割面进行精加工，保证试样宽度10mm，表面粗糙度R_a为1.2μm，试样的焊缝表面及焊缝底部表面均保持焊后状态，不进行加工，试样高度为10mm，试样长度280mm。

(2)检测

如图1所示，用划针在试样精加工的表面上进行划线，以焊缝中心线为起点，向两侧进行等间距划线，等间距线应保持平行；采用游标卡尺确定间隔距离(D)，接头区取间隔距离2.50mm共16份，母材部分取间隔距离4.00mm共6份；等间隔区域依次记为A，B，C，……，同时进行标距划定，保证标距关于焊缝对称，取70.00mm标距(L)，每条划线尽量保证一次完成。

用济南试金集团有限公司制造生产的WE-600A液压式万能试验机将焊接试样沿垂直于焊缝方向以3×10^-4/s的应变速率进行应变强化，整体应变率为8％，试样两端加持段长度各为50mm；应变强化拉伸过程在20℃的室温下进行，加载速率在拉伸初始阶段优先调节为0.4kN/s，在拉伸最终阶段调为0.1kN/s；根据应变率计算出拉伸后标距长度，将游标卡尺调为拉伸后标距长度，对拉伸过程中标距变化进行观察，当标距变为游标卡尺设定的长度时，则停止拉伸，保持6s后进行卸载。

将所有焊件试样相邻划线之间的间隔均分为上、中、下三部分，然后用游标卡尺分别测量各个部分拉伸后的距离，然后计算各个焊件试样之间的相应划线之间相应部分的距离的平均值，得到上、中、下三个部分拉伸后的距离的平均值，相邻划线之间的各个部分的平均值相加，得到相邻划线拉伸后的间隔距离。

利用公式ε_X＝(X'-D)/D计算各个划分区域的应变率(ε_A，ε_B，ε_C，……)，然后以焊缝中线为原点，选取正方向，以各划分区域中心点距离焊缝中心的距离为横坐标，以各划分区域的应变率为纵坐标，作出应变率-位置的坐标图，可得到各区域非均匀变形趋势，如图2所示。

实施例2

厚度为12mm的304L不锈钢板，试板尺寸为200mm×180mm×12mm，试板采用等离子弧焊+钨极氩弧焊进行组合焊接，其化学成分为C 0.02％，Si 0.50％，Mn 1.60％，P0.024％，S 0.014％，Ni 11.00％，Cr 19.80％，Fe余量。

(1)检测前准备

为防止焊件切割过程中过高的温度影响组织和性能，采用高压水射流对校平后的焊件沿垂直于焊缝方向进行切割，切割速度100mm/min，将焊件切割成宽度为10～11mm的长条状试样。为避免偶然性，选取4个长条状试样进行后续的划线、拉伸、测量、计算等。采用表面铣削的方式将试样两个切割面进行精加工，保证试样宽度10.5mm，表面粗糙度R_a为1.5μm，试样的焊缝表面及焊缝底部表面均保持焊后状态，不进行加工，试样高度为12mm，试样长度300mm。

(2)检测

用划针在试样精加工的表面上进行划线，以焊缝中心线为起点，向两侧进行等间距划线，等间距线应保持平行；采用游标卡尺确定间隔距离(D)，接头区取间隔距离2.50mm共12份，母材部分取间隔距离4.00mm共8份；等间隔区域依次记为A，B，C，……，同时进行标距划定，保证标距关于焊缝对称，取70.00mm标距(L)，每条划线尽量保证一次完成。

用济南试金集团有限公司制造生产的WE-600A液压式万能试验机将焊接试样沿垂直于焊缝方向以5×10^-4/s的应变速率进行应变强化，整体应变率为15％，试样两端加持段长度各为50mm；应变强化拉伸过程在20℃的室温下进行，加载速率在拉伸初始阶段优先调节为0.3kN/s，在拉伸最终阶段调为0.1kN/s；根据应变率计算出拉伸后标距长度，将游标卡尺调为拉伸后标距长度，对拉伸过程中标距变化进行观察，当标距变为游标卡尺设定的长度时，则停止拉伸，保持5～8s后进行卸载。

利用公式ε_X＝(X'-D)/D计算各个划分区域的应变率(ε_A，ε_B，ε_C，……)，然后以焊缝中线为原点，选取正方向，以各划分区域中心点距离焊缝中心的距离为横坐标，以各划分区域的应变率为纵坐标，作出应变率-位置的坐标图，可得到各区域非均匀变形趋势，如图3所示和图4所示。

上述不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法中，划线过程采用游标卡尺进行精确测量，等间距线应保持平行；间隔距离根据试样不同位置进行调整，接头区间隔距离可取2.5mm，母材部分间隔距离可取5.00mm；等间隔区域由焊缝向母材保持连续。

检测结果表明焊接接头应变强化中焊缝和母材的应变率较小，而热影响区的应变率最大，可达标距整体应变率的3～4倍；应变强化压力容器焊接接头的热影响区是整个工件的薄弱区。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种不锈钢焊接接头应变强化非匀质变形的检测方法，包括如下步骤：

(1)对焊接后不锈钢试板的变形进行矫正校平；

(5)将焊接试样沿垂直于焊缝方向进行应变强化；根据预定的整体应变率和步骤(4)中划定的标距计算出拉伸后标距长度，将参照物的设定长度调为拉伸后标距长度，对拉伸过程中标距变化进行观察，当标距变为参照物的设定长度时，则停止拉伸，保持5～8s后进行卸载；

(6)将所有焊件试样相邻划线之间的间隔均分为上、中、下三部分，然后用游标卡尺分别测量各个部分拉伸后的距离，然后计算各个焊件试样之间的相应划线之间相应部分的距离的平均值，得到上、中、下三个部分拉伸后的距离的平均值，相邻划线之间的各个部分的平均值相加，得到相邻划线拉伸后的间隔距离；

(7)计算焊接试样各个区域的应变率，然后作出应变率-位置的坐标图，得到各区域非匀质变形的趋势。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(1)中，所述矫正校平的步骤为：将焊件固定于两支撑件之间，将焊缝背面朝上，并使焊缝与两支撑件之间的中心线重合，再对焊件施加向下的压力，使其产生与焊接变形相反的塑性变形，补偿原来的焊接变形。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(2)中，所述高压水射流的切割速度为80～120mm/min。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(2)中，所述焊件试样的宽度为10～11mm，长度不大于300mm，所述焊件试样的个数不少于3条。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(3)中，所述精加工的方式为铣削或磨削。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(3)中，所述焊件试样宽度的设定值为10～10.5mm，焊件试样的两个切割面的表面粗糙度的设定值为1.2～1.5μm。

7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(4)中，焊缝上包括不少于2个等分区域，相邻划线间的距离为2.50～5.00mm，每条划线一次完成。

8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(5)中，应变速率为(3～5)×10^-4/s，整体应变率为7％～16％，加载速率为0.1～0.4kN/s，应变强化拉伸过程的温度为15～20℃。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：步骤(5)中，加载速率在拉伸初始阶段调节为0.4kN/s，在拉伸最终阶段调为0.1kN/s。

10.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：步骤(7)中，所述应变率-位置的坐标图的做法为：以焊缝中线为原点，选取正方向，以各区域中心点距离焊缝中心的距离为横坐标，以各区域的应变率为纵坐标，作出应变率-位置的坐标图。