一种低温压缩形变处理消除焊接残余应力的方法

摘要

本发明涉及消除焊接残余应力技术，特别提供一种低温压缩形变处理消除焊接残余应力的方法。在焊接接头处的有限宽度区域制造一定的温差，使得焊接接头的残余压应力区产生压缩塑性形变，具体为：在焊接接头处的限宽度区域50～200mm范围内、将焊接区迅速加热到200～400℃，使其发生膨胀，焊接接头加热区产生的热膨胀受相临较冷区域金属的约束，产生压缩塑性形变εC，此形变与原始焊接残余应力叠加，结果使加热区中的原始压应力部分产生了塑性压缩形变εP；降温后，整个焊接接头的残余应力将重新分布。本发明可在保证效果情况下操作简单、方便，经济，应用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及消除焊接残余应力技术，特别提供一种低温压缩形变处理消除焊接残余应力的方法。

背景技术

多年来，属于蠕变形变法范畴的焊后退火热处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温下发生蠕变的机制来达到消除残余应力的目的，因而通常要在600°以上的温度进行，这必然消耗较多能源，施工周期也较长。对于采用调质钢、不锈钢、复合板等材料制造的结构件，退火消除应力处理存在技术上的困难。当构件尺寸足够大时，采用局部热处理方法消除应力的效果又不明显，因此在一定程度上限制了它的应用。其它的消除应力方法基本属于另一类的力学形变法，它们是靠在焊接接头拉应力区附近形成伸长变形的方法达到消除应力的目的，工程上比较典型的如爆炸处理、温差拉伸、温水过载等(锤击和喷丸也属于此类)。

爆炸处理是利用焊接近缝区在冲击波作用下发生伸长塑性形变达到消除应力的目的。但由于其自身的特点或局限性，还达不到象热处理那样在工程上被大量应用。由美国人50年代提出的低温拉伸消除应力方法，采用的原理是在远离近缝区的母材两侧加热，保证两边和中间形成150～200℃的有效温差，在此温差的拉伸作用下，近缝区产生塑性伸长变形，从而达到消除或降低残余应力的目的。但是，此方法虽已提出半个世纪，并没有在工业上得到广泛应用。原因可能有两点：一是该工艺要在实际结构(如容器)上连续合理实施，需要特殊的设备；二是对于20mm以上板厚的结构，难以保证消除应力效果，尤其是横向残余应力。

石油化工、冶金机械等行业中，由于焊接残余应力的存在，可能过早导致结构发生疲劳、腐蚀或脆断等形式的破坏。如何有效地消除残余应力，保证结构具有较长的服役寿命，是人们追求的目标。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的目的在于提供一种在保证效果情况下操作简单、方便，经济，应用范围广的低温压缩形变处理消除焊接残余应力的方法。

本发明的技术方案是：采用常规加热技术，其特征在于：在焊接接头处的有限宽度区域制造一定的温差，使得焊接接头的残余压应力区产生压缩塑性形变，具体为：在焊接接头处的限宽度区域50～200mm范围内、将焊接区迅速加热到200～400℃，使其发生膨胀，焊接接头加热区产生的热膨胀受相临较冷区域金属的约束，产生压缩塑性形变ε_C，此形变与原始焊接残余应力叠加，结果使加热区中的原始压应力部分产生了塑性压缩形变εP；降温后，整个焊接接头的残余应力将重新分布；

其中所述焊接区的加热时间在30分钟以内。

本发明具有如下优点：

1.本发明回避了需要高温的传统蠕变形变机制，也不采用象爆炸或低温拉伸那样使焊接区产生拉伸伸长变形的工艺路线，而是通过使焊接区附近的残余压应力区受压缩的方式，使其产生超过材料屈服强度的压缩塑性形变，从而使焊接加热过程中在近缝区形成的缩短塑性形变得到协调发展，最终达到降低焊接拉伸应力的目的。目前尚未发现有人提出与此类似的思想和利用此思想进行消除应力工作的研究，因而属于原创性的发明。

2.本发明方法消除焊接残余应力效果与其它方法相当，但实施方便、简单，不对材料造成损伤。与传统的焊后消除应力方法(如基于蠕变形变机制的退火热处理)需要600～1000℃的高温、实施周期长相比，本发明消耗较小的能源，减少了实施周期，突出特点是成本低。

3.应用范围广。本发明针对各种厚度的、采用各种材料制造的焊接结构件，可以预计采用本发明方法在解决薄板和中厚板的焊接残余应力问题有明显的优势。

附图说明

图1焊接接头窄区低温加热时的形变分布示意图。

图2a焊后焊接接头各区自由状态尺寸及相应形成的残余应力示意图。

图2b低温形变处理后焊接接头焊后各区自由状态尺寸及相应形成的残余应力示意图。

下面结合附图详述本发明。

具体实施方式

本发明针对各种厚度的、采用各种材料制造的焊接结构件，采用一般的加热技术，在焊接接头处的有限宽度区域(50～200mm)制造一定的温差，使得焊接接头的残余压应力区产生压缩塑性形变，从而达到降低焊接残余应力的目的。具体来说，就是将焊接区迅速加热到某一温度(200～400℃，取决于材料的屈服强度)使其发生膨胀，焊接接头加热区产生的热膨胀受相临较冷区域金属的约束，产生压缩塑性形变ε_C(见图1)，此形变与原始焊接残余应力(图中以残余应变εR给出)叠加，结果使加热区中的原始压应力部分产生了塑性压缩形变εP(假定此时材料的屈服点为σY，相应的屈服应变为εY)。降温后，整个焊接接头的残余应力将重新分布(见图2)。

在焊后状态下，焊接区W在自由状态下的长度将比母材短ΔL，经过低温压缩形变处理后，虽然ΔL未发生明显变化，但由于加热处理时形成的压缩形变区HP的存在，使得整个区域的形变协调性增加，从而使焊接拉应力区的峰值减小，但残余拉应力区宽度增加。调整H_P的宽度和压缩形变量大小，即调整加热区宽度和加热温度，可得到最佳的残余应力消除效果。

理论上说，只要加热区的有效温差超过Δt＝(σ_y-Eε_r)/Eα，即可得到消除应力效果。式中，σ_y为材料的屈服强度，ε_r为最大残余压缩应变，α为热膨胀系数，E为弹性模量。

由于加热区宽度较窄(与焊接接头拉应力区宽度相当)，所需温度较低，应力松弛过程主要借助于接头残余压应力区产生的压缩塑性形变原理，故将此方法称为低温压缩形变处理法。

下表为采用本发明低温压缩形变法，在低合金结构钢16MnR和调质高强钢CF62上获得的消除焊接残余应力的结果。最大纵向焊接残余应力也可消除约50％。

  材料    试件尺寸  加热宽度和温度    残余应力，MPa    原始      处理后  加热时间  16MnR  1200×700×30mm  150mm，360℃    496/118   263/-30  10～20分钟  CF62  500×400×50mm  150mm，400℃    620/149   306/127  20～30分钟

本实施例加热方式为远红外加热方式，亦可采用感应、火焰等加热方式。

相关比较例

传统的焊后消除应力方法或是基于蠕变形变机制的退火热处理，需要600～1000℃的高温，既消耗较高能源，又增加实施周期，在经济和技术上往往不甚合理；或是基于使焊接接头产生伸长变形的力学形变法，需要在焊接接头附近造成一定伸长塑性形变，有时这种形变难以形成，同时又会对材料性能造成损伤。本发明提出不同于上述两类的第三类消除应力方法，即基于使焊接接头压应力区受压产生压缩塑性形变，使残余应力得到松弛的思想。实施本发明的关键在于使接头附近的残余压缩应力区受到足够的压缩变形。可以采用将焊接拉伸区加热到较低温度(200～400℃，取决于材料屈服强度)使其膨胀的方法，促使接头压应力区产生压缩变形，此变形与原始残余弹性应变叠加，使焊接区中原始压应力区域产生压缩塑性形变，最终达到消除残余应力的目的。本发明方法消除效果与其它方法相当，但实施方便、简单，特别是成本低，不对材料造成损伤。

通过比较可以看出，本发明给出的消除焊接残余应力技术的效果在很多方面要优于通用的热处理和拉伸力学形变法，特别是优于局部热处理方法，同时消耗的能源和施工效率也较之更加合理和优越。该方法实施简单、方便，经济合理，在中厚板和薄板上有很大的推广前景。