專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低溫壓縮形變處理消除焊接殘余應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及消除焊接殘余應(yīng)力技術(shù)，特別提供一種低溫壓縮形變處理消除焊接殘余應(yīng)力的方法。
背景技術(shù)：
多年來(lái)，屬于蠕變形變法范疇的焊后退火熱處理一直是工程界流行的方法，但它存在以下不足由于它借助于材料在高溫下發(fā)生蠕變的機(jī)制來(lái)達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，因而通常要在600°以上的溫度進(jìn)行，這必然消耗較多能源，施工周期也較長(zhǎng)。對(duì)于采用調(diào)質(zhì)鋼、不銹鋼、復(fù)合板等材料制造的結(jié)構(gòu)件，退火消除應(yīng)力處理存在技術(shù)上的困難。當(dāng)構(gòu)件尺寸足夠大時(shí)，采用局部熱處理方法消除應(yīng)力的效果又不明顯，因此在一定程度上限制了它的應(yīng)用。其它的消除應(yīng)力方法基本屬于另一類(lèi)的力學(xué)形變法，它們是靠在焊接接頭拉應(yīng)力區(qū)附近形成伸長(zhǎng)變形的方法達(dá)到消除應(yīng)力的目的，工程上比較典型的如爆炸處理、溫差拉伸、溫水過(guò)載等(錘擊和噴丸也屬于此類(lèi))。
爆炸處理是利用焊接近縫區(qū)在沖擊波作用下發(fā)生伸長(zhǎng)塑性形變達(dá)到消除應(yīng)力的目的。但由于其自身的特點(diǎn)或局限性，還達(dá)不到象熱處理那樣在工程上被大量應(yīng)用。由美國(guó)人50年代提出的低溫拉伸消除應(yīng)力方法，采用的原理是在遠(yuǎn)離近縫區(qū)的母材兩側(cè)加熱，保證兩邊和中間形成150～200℃的有效溫差，在此溫差的拉伸作用下，近縫區(qū)產(chǎn)生塑性伸長(zhǎng)變形，從而達(dá)到消除或降低殘余應(yīng)力的目的。但是，此方法雖已提出半個(gè)世紀(jì)，并沒(méi)有在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。原因可能有兩點(diǎn)一是該工藝要在實(shí)際結(jié)構(gòu)(如容器)上連續(xù)合理實(shí)施，需要特殊的設(shè)備；二是對(duì)于20mm以上板厚的結(jié)構(gòu)，難以保證消除應(yīng)力效果，尤其是橫向殘余應(yīng)力。
石油化工、冶金機(jī)械等行業(yè)中，由于焊接殘余應(yīng)力的存在，可能過(guò)早導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞、腐蝕或脆斷等形式的破壞。如何有效地消除殘余應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)具有較長(zhǎng)的服役壽命，是人們追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種在保證效果情況下操作簡(jiǎn)單、方便，經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用范圍廣的低溫壓縮形變處理消除焊接殘余應(yīng)力的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用常規(guī)加熱技術(shù)，其特征在于在焊接接頭處的有限寬度區(qū)域制造一定的溫差，使得焊接接頭的殘余壓應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性形變，具體為在焊接接頭處的限寬度區(qū)域50～200mm范圍內(nèi)、將焊接區(qū)迅速加熱到200～400℃，使其發(fā)生膨脹，焊接接頭加熱區(qū)產(chǎn)生的熱膨脹受相臨較冷區(qū)域金屬的約束，產(chǎn)生壓縮塑性形變?chǔ)臗，此形變與原始焊接殘余應(yīng)力疊加，結(jié)果使加熱區(qū)中的原始?jí)簯?yīng)力部分產(chǎn)生了塑性壓縮形變?chǔ)臥；降溫后，整個(gè)焊接接頭的殘余應(yīng)力將重新分布；其中所述焊接區(qū)的加熱時(shí)間在30分鐘以?xún)?nèi)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明回避了需要高溫的傳統(tǒng)蠕變形變機(jī)制，也不采用象爆炸或低溫拉伸那樣使焊接區(qū)產(chǎn)生拉伸伸長(zhǎng)變形的工藝路線(xiàn)，而是通過(guò)使焊接區(qū)附近的殘余壓應(yīng)力區(qū)受壓縮的方式，使其產(chǎn)生超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的壓縮塑性形變，從而使焊接加熱過(guò)程中在近縫區(qū)形成的縮短塑性形變得到協(xié)調(diào)發(fā)展，最終達(dá)到降低焊接拉伸應(yīng)力的目的。目前尚未發(fā)現(xiàn)有人提出與此類(lèi)似的思想和利用此思想進(jìn)行消除應(yīng)力工作的研究，因而屬于原創(chuàng)性的發(fā)明。
2.本發(fā)明方法消除焊接殘余應(yīng)力效果與其它方法相當(dāng)，但實(shí)施方便、簡(jiǎn)單，不對(duì)材料造成損傷。與傳統(tǒng)的焊后消除應(yīng)力方法(如基于蠕變形變機(jī)制的退火熱處理)需要600～1000℃的高溫、實(shí)施周期長(zhǎng)相比，本發(fā)明消耗較小的能源，減少了實(shí)施周期，突出特點(diǎn)是成本低。
3.應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明針對(duì)各種厚度的、采用各種材料制造的焊接結(jié)構(gòu)件，可以預(yù)計(jì)采用本發(fā)明方法在解決薄板和中厚板的焊接殘余應(yīng)力問(wèn)題有明顯的優(yōu)勢(shì)。


圖1焊接接頭窄區(qū)低溫加熱時(shí)的形變分布示意圖。
圖2a焊后焊接接頭各區(qū)自由狀態(tài)尺寸及相應(yīng)形成的殘余應(yīng)力示意圖。
圖2b低溫形變處理后焊接接頭焊后各區(qū)自由狀態(tài)尺寸及相應(yīng)形成的殘余應(yīng)力示意圖。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明針對(duì)各種厚度的、采用各種材料制造的焊接結(jié)構(gòu)件，采用一般的加熱技術(shù)，在焊接接頭處的有限寬度區(qū)域(50～200mm)制造一定的溫差，使得焊接接頭的殘余壓應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性形變，從而達(dá)到降低焊接殘余應(yīng)力的目的。具體來(lái)說(shuō)，就是將焊接區(qū)迅速加熱到某一溫度(200～400℃，取決于材料的屈服強(qiáng)度)使其發(fā)生膨脹，焊接接頭加熱區(qū)產(chǎn)生的熱膨脹受相臨較冷區(qū)域金屬的約束，產(chǎn)生壓縮塑性形變?chǔ)臗(見(jiàn)圖1)，此形變與原始焊接殘余應(yīng)力(圖中以殘余應(yīng)變?chǔ)臨給出)疊加，結(jié)果使加熱區(qū)中的原始?jí)簯?yīng)力部分產(chǎn)生了塑性壓縮形變?chǔ)臥(假定此時(shí)材料的屈服點(diǎn)為σY，相應(yīng)的屈服應(yīng)變?yōu)棣臲)。降溫后，整個(gè)焊接接頭的殘余應(yīng)力將重新分布(見(jiàn)圖2)。
在焊后狀態(tài)下，焊接區(qū)W在自由狀態(tài)下的長(zhǎng)度將比母材短ΔL，經(jīng)過(guò)低溫壓縮形變處理后，雖然ΔL未發(fā)生明顯變化，但由于加熱處理時(shí)形成的壓縮形變區(qū)HP的存在，使得整個(gè)區(qū)域的形變協(xié)調(diào)性增加，從而使焊接拉應(yīng)力區(qū)的峰值減小，但殘余拉應(yīng)力區(qū)寬度增加。調(diào)整HP的寬度和壓縮形變量大小，即調(diào)整加熱區(qū)寬度和加熱溫度，可得到最佳的殘余應(yīng)力消除效果。
理論上說(shuō)，只要加熱區(qū)的有效溫差超過(guò)Δt＝(σy-Eεr)/Eα，即可得到消除應(yīng)力效果。式中，σy為材料的屈服強(qiáng)度，εr為最大殘余壓縮應(yīng)變，α為熱膨脹系數(shù)，E為彈性模量。
由于加熱區(qū)寬度較窄(與焊接接頭拉應(yīng)力區(qū)寬度相當(dāng))，所需溫度較低，應(yīng)力松弛過(guò)程主要借助于接頭殘余壓應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生的壓縮塑性形變?cè)?，故將此方法稱(chēng)為低溫壓縮形變處理法。
下表為采用本發(fā)明低溫壓縮形變法，在低合金結(jié)構(gòu)鋼16MnR和調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼CF62上獲得的消除焊接殘余應(yīng)力的結(jié)果。最大縱向焊接殘余應(yīng)力也可消除約50％。

本實(shí)施例加熱方式為遠(yuǎn)紅外加熱方式，亦可采用感應(yīng)、火焰等加熱方式。
相關(guān)比較例傳統(tǒng)的焊后消除應(yīng)力方法或是基于蠕變形變機(jī)制的退火熱處理，需要600～1000℃的高溫，既消耗較高能源，又增加實(shí)施周期，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上往往不甚合理；或是基于使焊接接頭產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形的力學(xué)形變法，需要在焊接接頭附近造成一定伸長(zhǎng)塑性形變，有時(shí)這種形變難以形成，同時(shí)又會(huì)對(duì)材料性能造成損傷。本發(fā)明提出不同于上述兩類(lèi)的第三類(lèi)消除應(yīng)力方法，即基于使焊接接頭壓應(yīng)力區(qū)受壓產(chǎn)生壓縮塑性形變，使殘余應(yīng)力得到松弛的思想。實(shí)施本發(fā)明的關(guān)鍵在于使接頭附近的殘余壓縮應(yīng)力區(qū)受到足夠的壓縮變形?？梢圆捎脤⒑附永靺^(qū)加熱到較低溫度(200～400℃，取決于材料屈服強(qiáng)度)使其膨脹的方法，促使接頭壓應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生壓縮變形，此變形與原始?xì)堄鄰椥詰?yīng)變疊加，使焊接區(qū)中原始?jí)簯?yīng)力區(qū)域產(chǎn)生壓縮塑性形變，最終達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。本發(fā)明方法消除效果與其它方法相當(dāng)，但實(shí)施方便、簡(jiǎn)單，特別是成本低，不對(duì)材料造成損傷。
通過(guò)比較可以看出，本發(fā)明給出的消除焊接殘余應(yīng)力技術(shù)的效果在很多方面要優(yōu)于通用的熱處理和拉伸力學(xué)形變法，特別是優(yōu)于局部熱處理方法，同時(shí)消耗的能源和施工效率也較之更加合理和優(yōu)越。該方法實(shí)施簡(jiǎn)單、方便，經(jīng)濟(jì)合理，在中厚板和薄板上有很大的推廣前景。
權(quán)利要求
1.一種低溫壓縮形變處理消除焊接殘余應(yīng)力方法，采用常規(guī)加熱技術(shù)，其特征在于在焊接接頭處的有限寬度區(qū)域制造一定的溫差，使得焊接接頭的殘余壓應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性形變，具體為在焊接接頭處的限寬度區(qū)域50～200mm范圍內(nèi)、將焊接區(qū)迅速加熱到200～400℃，使其發(fā)生膨脹，焊接接頭加熱區(qū)產(chǎn)生的熱膨脹受相臨較冷區(qū)域金屬的約束，產(chǎn)生壓縮塑性形變?chǔ)臗，此形變與原始焊接殘余應(yīng)力疊加，結(jié)果使加熱區(qū)中的原始?jí)簯?yīng)力部分產(chǎn)生了塑性壓縮形變?chǔ)臥；降溫后，整個(gè)焊接接頭的殘余應(yīng)力將重新分布。
2.按照權(quán)利要求1所述低溫壓縮形變處理消除焊接殘余應(yīng)力方法，其特征在于其中所述焊接區(qū)的加熱時(shí)間在30分鐘以?xún)?nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及消除焊接殘余應(yīng)力技術(shù)，特別提供一種低溫壓縮形變處理消除焊接殘余應(yīng)力的方法。在焊接接頭處的有限寬度區(qū)域制造一定的溫差，使得焊接接頭的殘余壓應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性形變，具體為在焊接接頭處的限寬度區(qū)域50～200mm范圍內(nèi)、將焊接區(qū)迅速加熱到200～400℃，使其發(fā)生膨脹，焊接接頭加熱區(qū)產(chǎn)生的熱膨脹受相臨較冷區(qū)域金屬的約束，產(chǎn)生壓縮塑性形變?chǔ)?br> 文檔編號(hào)B23P25/00GK1459354SQ02109718
公開(kāi)日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者陳懷寧, 林泉洪, 黃春玲, 陳亮山, 呂建民, 陳靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所