[发明专利]一种消除焊接残余应力的方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种消除焊接残余应力的方法。

背景技术

焊接是焊料熔化形成熔融，把两种或两种以上同种或异种材料工件通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45％。焊接工艺有着良好的经济性和实用性，广泛应用在大型结构中，包括核电站管道、油田石催化裂化化工管道、汽轮机燃气轮机焊接转子、大型船只、潜艇、压力容器板结构等等。

在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。所以，焊缝是焊接结构中最薄弱的结构。

除了焊接缺陷以外，焊件在焊接过程中，由于焊缝周围的温度较高，在冷却过程中由于热胀冷缩原理，在热膨胀系数的影响下，焊缝材料趋向于温度引起的收缩变形。如果焊件对焊缝材料有制约作用的话，这种温度变形就变成了焊接的残余热应力，而且是拉应力。

如果焊接管道运用于传输腐蚀性气体或者液体，残余热应力就有可能形成应力腐蚀开裂的原因。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力(不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之)和特定的腐蚀介质存在。裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。

除了暴露在腐蚀介质以外、焊接零件，比如焊接转子可能暴露在交变载荷(fatigue load)、高温交变载荷(thermal mechanical fatigue)工作环境中。

采用焊接转子可解决优质大锻件锻造难度大的问题，发现缺陷时也易于返修和更换，转子可以做成空心的，大幅度减少了材料使用。飞机发动机，工业燃气轮机焊接转子在高温交变载荷下，裂纹部位很容易氧化，长期在离心作用下可以产生高温蠕变(creep)，再加上交变疲劳载荷，焊缝的质量和焊接残余应力会直接影响转子的低周疲劳(low cycle fatigue)寿命，高周疲劳强度极限(endurance of high cycle fatigue)。

焊接残余应力会在氧化，高温蠕变(creep)，再加上交变疲劳载荷联合作用下，焊接开裂。改善焊缝应力状态，防止裂纹扩展，对于提高焊接件的使用寿命非常重要。转子寿命和应力的一个关系是，降低应力50％，可以提高寿命50倍。

确定残余热应力方法有很多：测试方法包括钻孔法，X光法，中子散射法，磁场的方法，压电陶瓷的方法，电阻应变片的方法。本发明通过计算可以形成一个三维的残余热应力场，而这些方法都不能做的。

喷丸硬化是产生材料处于压缩状态的薄表面层的过程。表面压缩的存在将阻止应力腐蚀开裂的发生。然而，显而易见的是，任何这种表面的压缩不会阻止超出压缩层的深度的现有裂纹的扩展。

焊接过程中为了减少残余的热应力，通常采用预热和焊接以后的热处理。

预热能降低焊后冷却速度，有利于降低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施。预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力.热处理是焊后应在200-350℃下保温2-6小时，进一步减缓冷却速度，增加塑性、韧性，并减小淬硬倾向，消除接头内的扩散氢.这些方法都很有效，但比起塑性变形来说可控性比较差。

感应加热应力改善是目前用于改善管道和外壳中的残余焊接应力的一种方法。然而，感应加热工艺不能控制应力加载的位置和方向，不能在轴向方向上引起净压缩力。不能有效地防止应力腐蚀，疲劳裂纹。相反可能是进一步扩大裂纹，并降低了管壳或壳壁的剩余强度和耐久性，并使它们更容易进一步开裂和泄漏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除焊接残余应力的方法，以有效的消除焊件的残余应力，解决焊件应力腐蚀开裂和高温疲劳开裂的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种消除焊接残余应力的方法，包括以下步骤：

第1步，首先计算焊接件的温度分布场；根据温度分布场，计算焊接残余应力在焊缝周围的分布和大小；

步骤2：对焊接部件施加外力和力矩，使焊接部件产生塑性变形，以消除第1步中计算的焊接残余应力。

进一步的，第1步中采用方法A或者方法B获得焊接件的温度分布场：