[发明专利]一种消除薄壁焊管焊缝残余应力的方法

说明书

本发明属于焊缝的处理方法，具体涉及一种消除薄壁焊管焊缝残余应力的方法。

目前国内外用于消除或降低焊管焊缝残余应力的工艺方法大致有如下几种：(1)整体高温回火、(2)局部高温回火、(3)机械拉伸法、(4)温差拉伸法、(5)振动法。这些方法都有其优点，同时也存在一定的局限性。高温回火能够消除应力或者降低应力，但却难以做到焊缝及基本金属无氧化。机械拉伸法、温差拉伸法以及振动法，由于设备复杂、成本高，推广使用受到局限。

另外，有些矫正焊接变形的方法也能够起到消除应力的作用。如中国专利CN86108866A公开了一种“薄壁件焊缝逐点挤压矫形方法及装置”，该方法采用中心相同的一对圆柱形压头，对矫形工件的焊缝或近缝区施以静挤压力逐点挤压，在对焊接引起的局部收缩矫形的同时，也能消除部分焊接应力。但所需的静压力较高，对于铝合金构件或平面构件尚可，若用于其它金属件效果较差，特别是对于消除焊接应力的一致性要求严格的薄壁焊管就更不适用了。因此，这种方法一般也仅用于焊接后的矫形而已。

对于特殊场合使用的薄壁焊管，如核电站设备上用到的不锈钢薄壁焊管，对防腐和表面粗糙度有严格的要求，为了提高产品抗应力腐蚀的能力必须保证产品焊接残余应力为压应力，而目前国内所采用的各种工艺方法均无法予以保证。

针对以上情况，本发明提出一种新的消除薄壁焊管焊缝残余应力的方法，旨在增强焊缝区域的抗应力腐蚀能力、抗疲劳强度，以及提高焊缝表面的粗糙度等级。

本发明的技术解决方案是：采用曲面、曲率半径同管件半径相适应的一对组合辊压轮和辊压支承芯轴，对管件焊缝区和近焊缝区施加垂直向下的压力，辊压轮沿纵向焊缝匀速滚动，使焊缝正反焊接成型面均匀受压产生塑性变形，使焊接残余拉应力变为压应力，最终使焊缝区域得到与基体母材一样光滑平整的表面。

所采用的辊压力计算经验公式为P＝K·F·σ_s

其中：P--辊压力(kgf)

K-系数  取2～3

F-辊压焊缝接触面积(mm²)

σ_s-材料屈服强度(kgf/mm²)

本方法中辊压轮凹曲面与支承芯轴凸曲面曲率半径随薄壁管件半径不同而变化。一般支承芯轴凸曲面半径取管件半径，辊压轮凹曲面半径取管件半径的1.1～1.5倍。辊子直径和支承芯轴直径则根据管件壁厚、管件长度分别计算，以保证辊子、芯轴满足强度刚度要求即可。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明：

图1为本发明辊压原理示意图；

图2为图1的侧视图。

其中：1、辊压轮  2、支承芯轴  3、焊接管件

核电站设备中要求制作φ284×2×4300、φ289×0.8×3800 A、B两种规格的薄壁焊管，技术要求极高，进口产品报价昂贵，国内又没有成熟的工艺方法，采用本发明我们成功地制作了上述不锈钢薄壁焊管。

制作时，首先由支承芯轴2把焊接管件3支承起来，且使管件焊缝垂直向上。由辊压轮1向焊缝施加垂直向下的压力并沿着焊缝方向辊压。辊压轮、支承芯轴热处理硬度HRc58～62，辊压轮沿纵向焊缝移动相对速度为＞0～4m/min，每一工件的滚压次数选择范围为1～4次，辊压力A管P＝11064kgf，B管P＝9220kgf。通过连续辊压使管件焊缝区域或近缝区域的复杂应力变为压应力，从而有效地消除焊管焊接残余应力，提高薄壁焊管的抗应力腐蚀能力和抗疲劳强度。

经测试，按照本方法处理的薄壁焊接管，焊缝表面粗糙度等级可达到GB3280-92中的2B表面质量；抗应力腐蚀能力符合GB4334.5-84焊缝耐腐蚀试验标准；抗疲劳强度可比未处理前提高25％左右，产品质量完全达到标准要求，完全可以和进口产品相比。

本发明的工艺方法成功地运用于薄壁焊管的生产，使核电站设备中薄壁焊接管件由进口变为国产，节约了大量外汇，取得显著的社会效益和经济效益。

本发明的主要优点是：

1、将焊接残余拉应力变为压应力，大大提高了焊缝区域的内在质量，可满足不同规格、材质和用途的薄壁焊管高表面质量、高抗应力腐蚀能力的要求。

2、工艺方法简单、适用范围广、生产效率高。

3、设备投资少、加工成本低、产品质量好。