CN106555046B - 一种消除焊接残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种消除焊接残余应力的方法，对焊接件采用X射线衍射法XRD试验，进行表层焊接残余应力测试，获得焊接残余应力表层数据；建立焊接件的焊接仿真模型，并计算焊接残余应力的仿真数据，进而最终得到焊接件的焊接残余应力的分布规律；基于焊接残余应力的分布规律，通过模拟冲击频率及冲击幅值，进行振动冲击过程的数值模拟计算，进而得到消除焊接残余应力的振动冲击参数；将焊接件夹持在可驱动的定位工作台上，调整定位工作台上的冲击头与焊接件焊接接头的位置，按照之前得到的冲击频率和冲击幅值，使工作台上的冲击头的轴线垂直于焊接件焊缝表面进行冲击处理，该方法具有精确化、低能耗、消除效果好及效率高等优点。

Description

一种消除焊接残余应力的方法
技术领域
本发明主要涉及一种消除焊接残余应力的方法，更确切的是一种利用振动冲击法定位消除焊接残余应力的方法。
背景技术
焊接应力是直接影响焊接结构制造工艺性、服役可靠性的主要因素之一。若焊接结构中存在数值过大、分布不均匀的焊接残余应力，将会导致焊接结构产生冷热裂纹、脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等失稳破坏，而且还会产生焊接变形，影响结构的尺寸精度、稳定性，因此如何改善焊接残余应力成了提高焊接结构性能面临的最主要问题，也是广大科研工作者们一直在努力研究的课题。
目前，已有很多种降低焊接残余应力的措施，例如锤击法、喷丸法等，但对于锤击法仍缺乏有科学根据的锤击规范，而且消除应力效果不能保证，加之锤击处理对材料性能影响也缺乏系统研究，致使该方法在国内外均未得到广泛应用。喷丸法可消除焊接残余应力，但是受限于喷丸设备，许多焊接位置，如一些死角、狭小区域难以进行喷丸，而且设备庞大、能耗大。此外，现有的各种消除焊接残余应力技术，由于无法掌握初始焊接残余应力的分布状态，工艺参数制定主要依靠经验和试错法，另外，对于焊接残余应力的消除效果，缺少定量有效的评估，一般认为，进行一定处理后即可。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用振动冲击法消除焊缝残余应力的装置及其方法，以解决现有锤击或喷丸技术中的随机性、高能耗和设备体积庞大等问题。通过定量预测焊接初始残余应力的分布状态及消除后焊接残余应力的分布等，建立振动冲击前后的残余应力定量预测模型；为振动冲击工艺参数选择提供了科学依据。在所制定的工艺条件下，焊接区域的拉应力可转为压应力，提高焊接接头的使用性能。
一种消除焊接残余应力的方法，包括以下步骤：
(1)对焊接件采用X射线衍射法XRD试验，进行表层焊接残余应力测试，获得焊接残余应力表层数据；
(2)建立焊接件的焊接仿真模型，并计算焊接残余应力的仿真数据，进而最终得到焊接件的焊接残余应力的分布规律；
(3)基于步骤(2)得到的焊接残余应力的分布规律，通过模拟冲击频率及冲击幅值，进行振动冲击过程的数值模拟计算，进而得到消除焊接残余应力的振动冲击参数。通过数据处理得到最大应力与频率及振幅的计算关系式，即焊缝区纵向最大应力幅值计算公式为：
式中f是冲击的频率，A为冲击头振幅，ν为冲击头的移动速度；之后可以得到消除焊接残余应力的振动冲击参数；
(4)将焊接件夹持在可驱动的定位工作台上，根据步骤(2)及(3)中所述的焊接残余应力的分布规律及振动冲击参数，调整定位工作台上的冲击头与焊接件焊接接头的位置，按照步骤(3)得到的冲击频率和冲击幅值，使工作台上的冲击头的轴线垂直于焊接件焊缝表面进行冲击处理。
所述步骤(1)中焊接残余应力表层数据的获取方法为：
利用XRD法从焊缝中心分别沿平行于焊接件焊缝方向及垂直于焊接件焊缝方向选取若干待测点，相邻两个待测点之间相距20mm～30mm，分别测试上述所有待测点的应力值，为了提高测量数据的可靠性，对待测点区域进行电解抛光处理，去除待测点区域的氧化层和焊渣；每点可进行2～5次测试，取其平均值，以提高检测的准确性。
本发明与现有技术相比的优点在于：采用本发明所述方法，克服了现有振动冲击消除焊接残余应力方法中存在的随机性、凭借经验和偶然性的问题，并且避免了常规手持式冲击装置带来的试验可重复性差，无法定量预测及评估消除效果等缺点，具有精确化、低能耗、消除效果好及效率高等优点。
附图说明
图1为采用本发明所述方法用到的振动冲击装置。
图2为本发明所述的平板对接焊接件及所选取的测试点。
图3为本发明所述方法中计算获得的焊接残余应力场分布规律，其中图3a为纵向残余应力，图3b为横向残余应力。
图4为本发明所述的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。应理解，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为用于在金属焊接件焊缝产生压应力的往复式冲击强化装置，该装置包括机架1、滑箱2、超声波换能器3、变幅冲击杆4、冲击头5、工作台7以及超声波发生器，其中，焊接件6放置在工作台7上。在机架1上，沿Z轴方向设置有导轨，滑箱2能够在该导轨沿Z轴(竖向)方向上下移动及沿X轴(垂直纸面方向)前后移动。超声波换能器3设置在滑箱2的下部，变幅冲击杆4与超声波换能器3相连，冲击头5位于冲击杆4的下端。冲击头5可拆卸地连接于冲击杆4。该冲击头5具有空间曲面形状，作为本发明的优选实施例的具有球面形状的冲击头，该球面的直径为2～5mm。
在与冲击头5相对的另一侧设置有工作台7，使得冲击头能够对金属焊接件表面进行机械冲击。并且，在机架1上设置有与纸面垂直的X向导轨和Y向导轨，工作台7能够沿与纸面垂直的X向导轨和Y向导轨移动，并且，该工作台7能够转动在一定倾角范围内摆动。
采用数控机床中广泛使用的多轴伺服控技术，对滑箱2和X-Y移动工作台7进行运动控制。因此，可以通过控制移动工作台7，例如，移动该工作台7、使该工作台7绕其中心轴转动、使该工作台7绕X轴摆动，从而调节工作台7上的金属焊接件相对于冲击头5的位置。或者，通过同时控制滑箱2和移动工作台7使得冲击杆4相对于焊接件6始终处于最佳的姿态和位置。从而，上述结构使得冲击头5在对焊接件6进行冲击时，冲击头可以精确地按照要求的角度和作用位置逐点地全面冲击需要冲击处理的焊接件6的表面，达到在金属焊接件表面产生压应力、提高焊接件疲劳寿命和抗应力腐蚀能力的目的。其中，冲击头5对焊接件6进行冲击时，其冲击速度范围在25-50m/h之间，冲击振幅60-100μm，可以达到较好的消除效果。
在超声波发生器作用下，将供电电能转换成与超声波换能器3相匹配的高频交流电信号，并驱使超声波换能器3产生机械振动。冲击杆4将超声波换能器3的超声振动的振幅加以放大，以得到冲击消除所需要的振幅，超声换能器3的振幅设计为4～10um，而超声加工对振幅的要求往往需要达到10～100um。冲击杆4之所以能够放大振幅，是因为其形状为上粗下细的变截面(或锥形截面)杆，本实例中大端截面直径30mm，小端截面直径15mm，由于通过变幅冲击杆4每一截面的振动能量是不变的(不计传播消耗)，截面小的地方能量密度大。而振幅正比于能量密度的平方根，所以截面越小，其能量密度越大,振动的振幅也越大，该振动最终可带动冲击头5对焊接件6的表面进行冲击强化。
所述的冲击杆和冲击头的材料为具有一定硬度、强度和疲劳寿命的金属或非金属材料。并且，冲击杆制成分体装配式，且冲击杆和冲击头是可更换的。此外，冲击杆和冲击头的数量不限于1个。另外，通过对冲击杆或焊接件姿态/位置的多轴数字伺服控制，实现冲击头以指定的角度对焊接件焊缝进行冲击，优选地，沿着垂直焊件表面方向对焊缝及附近区域进行往复冲击，并保定了一定的冲击覆盖率。
另外，通过超声波发生器、电磁激振器等激振方法，使具有一定质量的冲击杆及位于冲击杆端部的、具有空间曲面形状的冲击头产生高速往复运动；并且通过多轴伺服控制技术对冲击杆或焊接件焊缝的姿态和位置进行控制，使得冲击头在对焊接件焊缝进行机械冲击时，冲击幅值、冲击频率可以精确地按照要求的角度和作用位置逐点地全面冲击需要处理的焊件表面，此外，也可以对冲击头施加一定预压力，从而在焊缝区域产生压应力，降低焊缝区域的拉应力。
以下以某低碳钢两平板对接焊接为例，说明本发明所述的消除焊接残余应力的方法，如图4所示，包括以下步骤：
(1)对焊接件采用X射线衍射法XRD试验，进行表层焊接残余应力测试，获得焊接残余应力表层数据；
对图2所示的平板对接焊件采用X射线衍射法XRD试验，进行表层焊接残余应力测试，获得焊接残余应力表层数据；对于本实施例对接平板焊接，结构对称，根据工程经验，认为应力相对于焊缝及中心截面对称，纵向(图2中的X向)应力沿中心(X＝0)截面的分布规律为在焊缝上呈拉应力，沿焊缝区域至母材(沿图中Y方向)逐渐过渡为压应力，横向(图2中的Y向)应力沿焊缝方向的分布，一般为两端为压应力，中间区域为拉应力，而且横向残余应力峰值低于纵向残余应力峰值。沿X向及Y向各取若干点，X向7点，Y向6点，相邻两测点相距20mm，分别测试上述所两个方向的应力值；为了提高测量数据的可靠性，对待测点区域进行电解抛光处理，去除待测区域的氧化层和焊渣；每点可进行多次测试，测试三次取其平均值，以提高检测的准确性。测试完成后Y向第6点为纵向最大拉应力值328MPa、其他各点分别为305MPa、278MPa、114MPa、-28MPa、-5MPa。
(2)建立焊接件的焊接仿真模型，并计算表层焊接残余应力的仿真数据，进而最终得到焊接件的焊接残余应力的分布规律；
基于结构分析软件MSC.MARC进行平板对接焊接残余应力的计算，以确定焊道三维残余应力的分布及幅值，掌握空间三维应力分布规律。对于图2中的实施例，进行三维有限元建模，网格划分，材料属性，边界条件施加等，进行热力耦合分析，可以获得残余应力分布。如图3所示，即为获得的沿纵向及横向的应力及分布规律，由于结构对称性，图3中给出的分别为纵向残余应力σxx沿中心截面(X＝0)的分布(图3a)及横向残余应力σyy沿焊缝方向(Y＝0)的分布(图3b)，对于本实施例，对称于焊缝分布，计算最大纵向应力数值σxx为351MPa，位于焊缝中心且为拉应力，在距离焊缝20mm左右区域，纵向应力逐渐变为压应力，热影响区的残余应力最大值110MPa拉应力；横向残余应力σyy两端为压应力，中间为拉压力，幅值小于纵向残余应力，最大值为281MPa，热影响区的残余应力最大值78MPa拉应力。以此应力场作为后续冲击分析的初始条件或基础数据，用于进行第3)步中的振动冲击计算。
(3)基于步骤(2)得到的焊接残余应力的分布规律，通过模拟冲击频率及冲击幅值，进行振动冲击过程的数值模拟计算，进而得到消除焊接残余应力的振动冲击参数。
根据所获得的焊接残余应力的基础上(即将焊接模拟所得应力分布结果作为超声冲击模拟中的初始应力条件)，进一步基于结构分析软件MSC.MARC进行振动冲击过程分析。在冲击计算过程当中，将冲击头简化为刚性半球，冲击头在板厚方向上高频率振动，同时冲击头还沿着焊缝方向以一定的速度移动。模拟分析中，对冲击头施加沿板厚方向(Z方向，图2中垂直纸面方向)的正弦位移载荷，同时施加沿焊缝方向(图2中X方向)的移动速度v，t为计算时间，即：
Z＝Asinωt
X＝vt
上述公式分别表示Z方向的位移与X方向的移动距离，本实施例中，A为冲击头振幅60μm，ω为冲击振动圆频率40000π，速度v为5mm/s。通过改变冲击频率、幅值及移动速度后，按上述模拟方法经过多次计算分析，通过数据处理得到最大应力与频率及振幅的计算关系式，即焊缝区纵向最大应力幅值计算公式：
上述公式中f是冲击的频率，A为冲击头振幅，ν为冲击头的移动速度。
根据仿真的结果，定量确定后续试验用的振动冲击参数为：由图3中的应力分布规律，纵向拉应力区域位于距离焊缝20mm左右，因此冲击范围为包括焊缝左右区域40mm，每步进给量(两条冲击路径之间距离)为0.1mm，在焊缝区域选择冲击频率：20Kz，振幅100μm，移动速度5mm/s；热影响区附近18Kz，振幅80μm，移动速度8mm/s；母材上冲击频率15Kz，振幅60μm，移动速度10mm/s。
计算完成后的分析计算结果，如表1所示为焊缝及热影响区附件应力消除效果，冲击后焊件的焊缝区应力重新分布，呈现出压应力状态，沿焊缝方向的残余应力转换为压应力，焊缝处的最大压应力为-185MPa，压应力平均值约为-140MPa，热影响区的残余应力也呈现出压应力状态，最大压应力为-105MPa，其平均值约为-75MPa，垂直于焊缝方向的残余应力同样呈现出压应力状态，最大压应力为-126MPa，其平均值约为-120MPa，热影响区的残余应力为15MPa压应力；沿板厚方向的残余应力(图2中Z方向)也为压应力状态，其平均值约为-28MPa，说明起到了消除焊接残余应力的效果。不同区域采用不同的冲击参数，既能达到理想的应力消除效果，又尽可能降低成本和能耗。
表1冲击处理前后残余应力最大值变化规律
(4)将焊接件夹持在可驱动的定位工作台上，根据步骤(2)及(3)中所述的焊接残余应力的分布规律及振动冲击参数，调整定位工作台上的冲击头与焊接件焊接接头的位置，按照步骤(3)得到的冲击频率和冲击幅值，使工作台上的冲击头的轴线垂直于焊接件焊缝表面进行冲击处理；
根据上述的冲击参数进行焊接件的冲击处理，在冲击过程中，冲击头沿平行于焊缝方向往复运动，对焊缝进行全覆盖冲击，通过数控编程实现上述冲击头运动轨迹的控制。完成冲击试验后，为了验证本发明所述方法达到的有益效果，再次进行如图2中所示相同位置的残余应力测试，测试值为焊缝处的纵向最大压应力为-172MPa，仿真计算应力-185MPa，误差8％；冲击前测试纵向最大应力为拉应力328MPa，仿真计算应力351MPa，误差7％；经过冲击处理后，将纵向拉应力转换为了压应力，对于焊接件的疲劳性能有益，说明达到了消除效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (2)

1.一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对焊接件采用X射线衍射法XRD试验，进行表层焊接残余应力测试，获得焊接残余应力表层数据；
(2)建立焊接件的焊接仿真模型，并计算焊接残余应力的仿真数据，进而最终得到焊接件的焊接残余应力的分布规律；
(3)基于步骤(2)得到的焊接残余应力的分布规律，通过模拟冲击频率及冲击幅值，进行振动冲击过程的数值模拟计算，通过数据处理得到最大应力与频率及振幅的计算关系式，即焊缝区纵向最大应力幅值计算公式为：
<mrow> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mi>max</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>18.5</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mn>1.32</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>A</mi> <mo>+</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>21.5</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>A</mi> </mrow> <mrow> <mn>1.32</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>v</mi> <mo>+</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1.05</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mi>A</mi> </mrow>
式中f是冲击的频率，A为冲击头振幅，ν为冲击头的移动速度；之后可以得到消除焊接残余应力的振动冲击参数；
(4)将焊接件夹持在可驱动的定位工作台上，根据步骤(2)及(3)中所述的焊接残余应力的分布规律及振动冲击参数，调整定位工作台上的冲击头与焊接件焊接接头的位置，按照步骤(3)得到的冲击频率和冲击幅值，使工作台上的冲击头的轴线垂直于焊接件焊缝表面进行冲击处理。
2.根据权利要求1所述的消除焊接残余应力的方法，其特征在于：所述步骤(1)中焊接残余应力表层数据的获取方法为：
利用XRD法从焊缝中心分别沿平行于焊接件焊缝方向及垂直于焊接件焊缝方向选取若干待测点，相邻两个待测点之间相距20mm～30mm，分别测试上述所有待测点的应力值，为了提高测量数据的可靠性，对待测点区域进行电解抛光处理，去除待测点区域的氧化层和焊渣；每点进行2～5次测试，取其平均值，以提高检测的准确性。
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