高强铝合金大型薄壁贮箱焊接残余应力无损消减方法与流程

本发明涉及一种应力消除方法，尤其涉及一种高强铝合金大型薄壁贮箱焊接残余应力无损消减方法。

背景技术：

目前贮箱结构尺寸大且为薄壁件，最薄区域仅1.5mm厚，由箱体中间筒段、椭球底和锥底通过熔化焊(tig)与搅拌摩擦焊(fsw)方法拼接而成，焊接结构形式多样，尤其是椭球底和锥底及其法兰结构复杂。

所述贮箱的材料为2219铝合金，通常经过冷轧加工后进行固溶+不超过200℃人工时效处理，依靠alcu相的时效沉淀而形成强化效果，获得良好的材料性能，是一种热处理强化铝合金。

所述贮箱采用焊接方式生产，焊缝存在残余应力，在长期装剂贮存强氧化性和腐蚀性燃料时，存在延迟开裂或应力腐蚀开裂可能。尤其是椭球底和锥底上法兰结构采用熔焊，由于熔焊热输入高，残余应力较大；同时，封闭式法兰焊接结构受约束较大，应力集中严重，在相同的压力条件下更容易开裂。为了避免长期装剂贮存期间焊接接头延迟开裂或应力腐蚀开裂导致渗漏，必须对贮箱焊接结构进行残余应力消减处理。

针对以上的特点，要求所述贮箱焊接残余应力的消减满足以下要求：（1）均匀化接头残余应力分布，消除应力集中，有效降低残余应力峰值；（2）不对贮箱表面产生压痕和变形，实现无损处理；（3）残余应力消减处理产生的热作用不能超过200℃，避免贮箱焊缝及母材性能退化；（4）易于实现生产现场的消减处理；能够实现贮箱局部焊接结构残余应力的消减处理。

目前，针对焊接残余应力的消减主要有热处理方法、基于表面机械处理方式的消减方法以及基于振动时效处理的方法等。由于贮箱结构体积大、壁薄，尤其是法兰焊接结构复杂，采用冲击以及锤击等机械方法消减应力的装置可达性较差、易导致部件损伤甚至损坏，且一般只能对表层残余应力实现消减处理；要达到较好的应力消减效果，热处理方法必须加热到300°以上并且需一定时间保温，该温度超过了贮箱材料2219的时效温度，会降低贮箱材料性能，也易导致箱体变形，且工艺复杂，不适合薄壁铝合金箱体焊接结构的残余应力消减处理；振动时效适合大型构件的整体去应力处理，由于贮箱椭球底和锥底法兰焊接结构形式多样，各结构残余应力分布各异，需要根据具体法兰结构的应力状态进行针对性处理，才能保证所有法兰结构残余应力消减效果，故振动时效无法对贮箱局部结构进行有选择性和针对性处理，灵活性欠佳。

技术实现要素：

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，采用大功率超声换能器将大功率超声发生器产生的电信号转换为大功率超声波通过耦合剂直接注入贮箱焊接接头内部，通过功率超声激活焊接接头应力区材料中的晶格排列，诱导位错脱离钉扎，促进微观塑性变形，实现工件表层下材料内部残余应力的消减的高强铝合金大型薄壁贮箱焊接残余应力无损消减方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种高强铝合金大型薄壁贮箱焊接残余应力无损消减方法，贮箱材料为经过冷轧加工后进行固溶处理并经人工时效处理的2219铝合金，包括以下步骤：

（1）设置一残余应力消减设备，所述残余应力消减设备包括依次连接的工控主机、超声发生器和超声换能器，所述超声发生器和超声换能器间通过超声传输线缆连接；

（2）换能器端部涂抹超声耦合剂，再将超声换能器通过夹持工装安装固定在需要应力消减处理的贮箱焊接接头部位，使超声换能器端部与待处理表面紧密接触，

（3）检测处理部位的残余应力值，根据需消减的残余应力值，设置超声发生器频率、超声输出功率和超声处理时间，接通超声发生器电源，超声换能器将超声发生器产生的电信号转换为大功率超声波，通过耦合剂直接注入需要应力消减处理的贮箱焊接接头部位进行应力消减，处理时间到后再次检测当前残余应力值，如果达到目标值则结束处理，如果未达到则重复进行消减处理，直至达到目标值。

作为优选：所述超声发生器为大功率超声发生器，所述超声换能器为大功率超声换能器，所述大功率超声发生器由超声发生器和大功率超声放大器构成。

作为优选：步骤（3）中，设置超声发生器频率、超声输出功率和超声处理时间为设置超声发生器频率20khz-25khz、超声输出功率200-400w、超声处理时间20min-40min。

本发明采用超声换能器将超声发生器产生的电信号转换为大功率超声波通过耦合剂直接注入贮箱焊接接头内部，通过功率超声激活焊接接头应力区材料中的晶格排列，诱导位错脱离钉扎，促进微观塑性变形，实现工件表层下材料内部残余应力的消减。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、所述方法设备简单、工艺简洁，只需调节超声频率、功率和处理时间三个参数即可实现残余应力的有效消减处理，优化消减工艺后残余应力峰值可降低50%及以上，消除应力集中区，均匀化应力分布。

2.本发明将大功率超声波通过耦合剂直接注入贮箱材料内部，处理过程中不对贮箱表面产生冲击以及大幅振动，产生的热作用很小，贮箱材料表面温度可以控制在100℃以下，能够有效避免薄壁贮箱构件焊接残余应力处理过程中的变形和基体材料性能的退化。

3.本发明将大功率超声波通过耦合剂直接注入贮箱材料内部，超声声场作用于贮箱材料整个厚度，能够实现材料整个厚度范围的残余应力消减处理。

4.本发明可以采用不同的大功率超声换能器结构形式，实现贮箱上不同焊接结构的残余应力处理，尤其适合椭球底和锥底上法兰结构焊缝，灵活性大、适应性广，也可以与机械手或机器人结合容易实现自动化，提高处理效率。

综上：该方法不对工件产生冲击和高温加热等作用，不影响贮箱表面质量和材料性能，是一种无损的应力消减方法，根据贮箱焊接部位材料厚度匹配对应的超声频率、功率和处理时间能够实现焊接接头残余应力的有效消减，适合现场条件下大型薄壁铝合金贮箱焊接结构残余应力的消减处理。

附图说明

图1为本发明残余应力消减设备结构示意图；

图2为贮箱材料2219铝合金母材微观金相组织图；

图3为贮箱材料2219铝合金母材在超声频率20khz、超声功率300w、处理时间20min后的微观金相组织图；

图4为实施例1中5块5mm厚贮箱材料2219铝合金预置应力母材在超声频率20khz、超声功率400w、处理时间30min前后的残余应力分布；

图5为实施例2中2219贮箱箱底法兰焊接结构及焊接残余应力消减位置示意图；

图6为实施例2中2219贮箱箱底法兰焊缝在超声频率20khz、超声功率400w、处理时间30min后的残余应力分布。

图中：1、贮箱；2、超声换能器；3、耦合剂；4、焊接接头；5、贮箱椭球底；6、法兰焊缝。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图3，一种高强铝合金大型薄壁贮箱焊接残余应力无损消减方法，贮箱1材料为经过冷轧加工后进行固溶处理并经人工时效处理的2219铝合金，包括以下步骤：

（1）设置一残余应力消减设备，所述残余应力消减设备包括依次连接的工控主机、超声发生器和超声换能器2，所述超声发生器和超声换能器2间通过超声传输线缆连接；

（2）换能器端部涂抹超声耦合剂3，再将超声换能器2通过夹持工装安装固定在需要应力消减处理的贮箱1焊接接头4部位，使超声换能器2端部与待处理表面紧密接触，

（3）检测处理部位的残余应力值，根据需消减的残余应力值，设置超声发生器频率、超声输出功率和超声处理时间，接通超声发生器电源，超声换能器2将超声发生器产生的电信号转换为大功率超声波，通过耦合剂3直接注入需要应力消减处理的贮箱1焊接接头4部位进行应力消减，处理时间到后再次检测当前残余应力值，如果达到目标值则结束处理，如果未达到则重复进行消减处理，直至达到目标值。

实施例2：参见图4，一种高强铝合金大型薄壁贮箱1焊接残余应力无损消减方法，贮箱1材料为经过冷轧加工后进行固溶处理并经人工时效处理的2219铝合金，采用本发明方法对预置应力的300mm×100mm×5mm的2219铝合金试板进行残余应力消减处理。包括以下步骤：

（1）设置一残余应力消减设备，所述残余应力消减设备包括依次连接的工控主机、超声发生器和超声换能器2，所述超声发生器和超声换能器2间通过超声传输线缆连接；检测试板中央位置的残余应力值；

（2）换能器端部涂抹超声耦合剂3，再将超声换能器2通过夹持工装安装固定在2219铝合金试板的中央位置，保证换能器端部与试板表面紧密接触，接通超声发生器电源，

（3）根据检测试板中央位置的残余应力值，设置超声发生器频率10khz-20khz、超声输出功率200-400w、超声处理时间20min-40min，进行焊接残余应力消减处理，处理时间到后再次检测当前残余应力值，连续处理5块预置应力试板，每块试板经过一次处理后残余应力得到了大幅降低，甚至产生了压应力。另外，由于超声发生器频率10khz-20khz、超声输出功率200-400w、超声处理时间20min-40min，为了更好的对本实施例进行说明，我们进一步选用超声发生器频率20khz、超声输出功率300w、超声处理时间20min来进行处理。

实施例3：参见图5和图6，采用本发明方法对贮箱椭球底5法兰焊缝6进行残余应力消减处理，所述方法步骤如下：

（1）残余应力消减设备安装

检测贮箱椭球底5法兰焊缝6的残余应力值，将大功率超声发生器与大功率超声换能器2连接，在换能器端部涂抹超声耦合剂3，再将换能器通过夹持工装安装固定在靠近法兰焊缝6的热影响区，保证换能器端部与贮箱1表面紧密接触。

（2）残余应力消减处理

设置超声发生器频率20khz、超声输出功率400w、超声处理时间30min，根据应力检测结果对应力集中区进行消减处理，处理时间到后间隔3小时再次检测该部位残余应力值，经过一次处理后残余应力都降低了50%及以上，甚至产生了压应力。

图5中法兰焊缝6附近的数字1、3、5、7分别为测量点1、测量点3、测量点5、测量点7。