一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法与流程

本发明属于焊接强化技术领域，特别涉及一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法。

背景技术：

焊接是把两种或两种以上同种或异种材料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。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。

如何有效地控制焊接残余应力一直以来都是国内外焊接学者关注的热点问题，目前控制焊接残余应力的常规方法有焊后热处理、力学形变法(过载拉伸、振动时效、锤击、喷丸、爆炸处理等)和温差形变法。随着科学技术的发展相继又出现了低应力无变形法、瞬态拉伸焊接法、脉冲磁法、随焊碾压法和随焊锤击法等现代控制新方法。以上方法各有缺点，焊后热处理降低应力效果较好但是需要消耗大量的能源和时间，对于奥氏体不锈钢而言需要采用昂贵的固溶处理，目前很多容器都未经热处理直接使用；振动时效方法虽然能耗小、周期短，却不适用于处理厚板等高刚性部件；机械作用法虽然应用较为广泛，但这些方法难以降低死角部位(如接管根部)的残余应力，使得断裂失效往往产生于死角位置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法，以有效地降低焊件的残余应力，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：

一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法，包括以下步骤：

(1)将两个不锈钢钢板试件焊接在一起，焊接接头形式为对接接头，焊接件冷却后采用压痕法进行试验，测量焊接件的焊接残余应力；

(2)利用有限元软件abaqus中建立仿真模型，得到焊接残余应力的分布规律；

(3)编写一个三维的高压水射流移动载荷子程序dload，在有限元软件abaqus中调用该子程序进行计算，得到经高压水射流处理时合适的工艺参数，包括水射流靶距、水射流压力、水射流冲击次数和水射流移动速度；

(4)将焊接件固定在工作台上，根据步骤(2)和(3)中所得到的焊接残余应力分布场及高压水射流工艺参数，调整高压喷嘴与焊缝的距离、水射流移动速度、水射流冲击次数和高压发生装置的初始压力，使高压水射流的轴线垂直于焊缝表面进行冲击处理。

进一步地，所述步骤(1)中焊接件的焊接残余应力获取方法为：应用kjs-2型压痕法智能应力测试系统测量焊接的残余应力，采用电阻应变花作为测量用的敏感元件，在电阻应变花中心部位采用冲击加载制造压痕，通过应变仪记录压痕区外弹性区域应变增量变化，按照胡克定律可计算沿应变方向的残余应力。

进一步地，喷嘴垂直于试件表面，水由超高压水射流泵输送到喷嘴处，形成高压，经喷嘴后冲击在试件表面上，水射流压力分布曲线如图5所示，高压水射流对试件的作用力随着冲击半径增大而减小，直至为零。

与现有技术相比，本发明的一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法所具有的有益效果是：

采用本发明所述方法，首先采用压痕法对焊接件进行试验测量其焊接残余应力，进而对焊接件进行仿真模拟，得到焊接残余应力的模拟分布规律，通过模拟结果选择合适的水射流工艺参数后再进行降低焊接残余应力的实际操作，克服了现有高压水射流降低焊接残余应力方法中凭借经验操作导致的强化效果不佳等问题，具有精确化、低能耗、效果好及效率高的优点。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明所采用的高压水射流装置示意图。

图3为本发明的焊接残余应力检测操作示意图。

图4为本发明实施例中的残余应力测量点划分示意图

图5为本发明涉及的高压水射流轴心动压分布示意图。

图6为本发明实施例中残余应力随轴心动压变化的分布图。

图7为本发明实施例中残余应力随水射流冲击次数变化的分布图。

图8为本发明实施例中残余应力随水射流冲击速度变化的分布图。

图9为本发明实施例中水射流加载前后焊缝及热影响区附近焊接残余应力分布图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，结合附图1-9对本发明作进一步说明。

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，为本发明一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法的操作流程示意图。如图2所示，为用于进行水射流冲击的高压水射流强化装置，该装置包括高压水射流输送泵、压力计、支架、喷嘴、试件、焊缝，将焊接好的试件冷却后，固定在工作平台上，调整喷嘴与焊缝间距，并使喷嘴喷出的水射流束垂直于试件表面，开启高压发生装置，启动高压水射流输送泵的液压和气压系统，调节水射流束轴心动压，使高压水射流从焊缝的起始位置沿着焊缝的长度方向按给定的移动速度前进，同时保证喷嘴出水口与焊缝间距不变，保持步骤中喷嘴与试件间距和喷嘴移动速率，将喷嘴沿焊缝往复移动2～3次，关闭喷嘴。

以下以采用304不锈钢钢板对接平焊为例，说明本发明一种高压水射流降低焊接残余应力的工艺方法包括以下步骤：

(1)将两个304不锈钢钢板焊接在一起，焊接接头形式为对接接头，试件冷却后采用压痕法进行试验，测量试件的焊接残余应力。应用kjs-2型压痕法智能应力测试系统测量焊接的残余应力，采用电阻应变花作为测量用的敏感元件，在应变花中心部位采用冲击加载制造压痕，通过应变仪记录压痕区外弹性区域应变增量变化，按照胡克定律计算沿应变方向的残余应力。根据工程经验，可认为焊接残余应力关于焊缝及中心截面对称，本实施例如图4所示，从中心截面开始沿x方向取6个点，从焊缝中心开始沿y方向取4个点，相邻两测点相距10mm，为了提高测量数据的可靠性，对待测区域进行电解抛光处理，去除待测区域的氧化物和焊渣。每个测点可进行多次测试，测试三次后取平均值，以提高检测的准确性。

(2)利用有限元软件abaqus建立仿真模型，得到焊接残余应力的分布规律。

基于有限元软件abaqus进行钢板焊接残余应力的模拟，以确定焊接残余应力的分布规律。对于图2～4中的实施例，通过有限元软件abaqus建模，划分网格，定义参数，设置边界和初始条件，模拟热源步骤可以得到温度场，再将各节点温度场计算结果输出到结果文件作为力分析的预定义场，最后从预定义场中读取各节点的温度，进行插值计算得到焊接残余应力场，掌握焊接残余应力的分布。

依据上述仿真结果可获得的沿纵向及横向的残余应力大小及分布规律，由于结构对称性，从而可得焊缝有关的沿中心截面(y轴)纵向残余应力的分布及沿焊缝方向(x轴)横向残余应力的分布，对于本实施例，依据模拟仿真结果可得，残余应力对称于焊缝分布，计算最大纵向应力数值为351mpa，位于焊缝中心且为拉应力，在距离焊缝中心轴20mm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。横向残余应力两端为压应力，中间为拉压力，幅值小于纵向残余应力，热影响区的最大残余应力为拉应力。以此应力场作为后续分析的初始条件或基础数据，用于进行第(3)步中的高压水射流工艺参数的计算。

(3)编写一个三维的高压水射流移动载荷子程序dload，在有限元软件abaqus中调用该子程序进行计算，得到经高压水射流处理时合适的工艺参数，包括水射流压力、水射流冲击次数、水射流移动速度。

高压水射流对试件的作用力分布曲线如图5所示，具体的压力载荷分布公式如下：

p(r)＝pm(1-3η²+2η³)

上述公式中pm为轴心动压，η＝r/r0，r为计算位置处的射流半径，r0为射流半径。将高压水射流冲击过程看成是一具有函数分布的分布力加载在焊缝表面，用fortran语言，将上式编写为一个三维的高压水射流移动载荷子程序dload，在abaqus中调用该子程序进行计算，得到经高压水射流处理的残余应力分布。

申请人在研究中发现喷嘴距工件距离30～60mm较为合适，在这个距离内残余应力降低效果更好，距离太大或太小残余应力降低效果不显著。距离太大时需升高水射流压力造成能源浪费，距离太小造成水流在工件表面喷溅严重，实际操作时影响观察水流的落点。

图6表示所述实施例的焊缝表面最大纵向残余应力和最大等效塑性应变随轴心动压的变化曲线，从图6中可以看出，随着高压水射流轴心动压的增大，焊缝区的残余压应力也逐渐增大，当轴心动压达到215mpa时，焊缝区的残余拉应力变为压应力。增大水射流压力，在焊缝和热影响区上产生的等效塑性应变增大，发生的塑性变形更大，因此残余应力降低更为明显。

所述实施例在使用高压水射流降低焊接残余应力时的焊缝及热影响区表面最大纵向残余应力和最大等效塑性应变随着水射流冲击次数的变化曲线如图7所示。从图7中可以得出，在焊缝及热影响区表面的残余压应力随着冲击次数的增大而增大。随着冲击次数的增多，焊缝及热影响区表面等效塑性应变增大，焊接残余应力降低效果更好。当水射流冲击次数超过3次时，焊缝及热影响区表面最大等效塑性应变增幅很小，从而在焊缝及热影响区表面产生的残余应力增幅也较小。水射流冲击次数达到4次以上时，残余压应力增幅较小。为考虑工作效率及经济性，在实际工艺中选择水射流冲击次数2～3次为宜。

保持喷嘴中的高压水射流束轴心动压为215mpa，取水射流冲击速度分别为0.001m/s、0.003m/s、0.005m/s、0.008m/s、0.010m/s的高压水射流冲击在试件焊缝及热影响区上，得到试件上焊缝表面最大的纵向残余应力和最大的等效塑性应变随着水射流冲击速度的变化曲线如图8所示。从图8中可以看出，随着高压水射流冲击速度的增大，焊缝表面最大等效塑性应变基本不发生变化，即无明显的塑性变形产生，则在焊缝及热影响区的残余应力大小基本不发生变化。

通过仿真模拟，所选工艺参数为：焊缝区域内，轴心动压为215mpa(试件材料屈服极限的0.87倍)，冲击次数为3次，水射流移动速度为0.01m/s。热影响区内，轴心动压为150mpa(试件材料屈服极限的0.59倍)，冲击次数为2次，水射流移动速度为0.02m/s。

计算完成后的分析计算结果，对比经高压水射流处理前后焊缝及热影响区的残余应力情况。经过处理前后的对比可以得到高压水射流对于降低焊接残余应力的效果，从图9可以看出，所示实施例中的试件经高压水射流作用后，残余应力得到明显降低。由以上分析可知，经高压水射流处理后，焊缝表面及热影响区的残余应力有着很大程度的降低。对焊缝区和热影响区采用不同的冲击参数，既能达到理想的降低残余应力效果，又尽可能降低成本和能耗。

(4)将试件固定在工作台上，根据步骤(2)和(3)中所述的焊接残余应力分布场及高压水射流工艺参数，调整高压喷嘴与焊缝的距离、水射流移动速度、水射流冲击次数和高压发生装置的初始压力，使高压水射流的轴线垂直于焊缝表面进行冲击处理。

根据上述的工艺参数进行试件的冲击处理，在冲击过程中，控制高压水射流沿平行于焊缝方向往复运动。试验结束后，为了验证本发明所述方法达到的有益效果，再次进行如图3～4中所示相同位置的残余应力测试，得到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％。经过高压水射流处理后，将纵向拉应力转换为了压应力，对于试件的疲劳性能有益，说明达到了降低焊接残余应力的效果。

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。