一种降低金属结构材料熔焊接头残余应力的方法与流程

本发明属于金属结构材料连接技术领域，具体涉及一种降低金属结构材料熔焊接头残余应力的方法。

背景技术

航空航天、石油化工、汽车船舶、压力容器等众多工业领域，均会涉及金属结构材料连接技术。在焊接时，焊缝区局部加热膨胀，受到离焊缝较远部分的约束不能自由伸长，使焊缝区受压产生塑性变形；在随后的冷却过程中，焊缝区收缩，又受到离焊缝区较远部分的约束不能自由缩短，因而焊后产生残余拉应力。残余拉应力的存在不仅会降低构件的承载能力，还会对构件的精度和尺寸稳定性造成明显影响，同时，残余拉应力也是引起应力腐蚀开裂的主要因素。因此，需要采取必要的措施来降低或消除残余应力。

目前降低或消除焊后残余应力主要用到以下方法：

(1)锤击法：利用钢锤锤击工件残余应力集中的部位，使工件表面受到锤击的压应力而发生局部塑性变形，从而减小残余应力峰值，改善和均衡工件残余应力分布。但是该方法操作时打击力度的控制比较难，力度过大容易造成加工硬化和焊缝开裂。

(2)热处理法：通过对焊件整体或局部进行加热来降低应力，降低效果主要取决于加热温度、保温时间、焊件成分和组织、冷却速度等。该方法耗时较多，且不适用于较大件。

(3)振动法：通过振源激发产生共振，使金属组织内部产生微观塑性变形从而降低应力。该方法所用设备简单，处理费用低，时间短。但是不推荐使用在防止断裂和应力腐蚀失效的结构件上。

(4)喷丸法：利用丸粒轰击工件表面并植入残余压应力，提高工件疲劳强度。该方法成本低廉，操作方便，但会使工件表面粗糙度增加，耐腐蚀性变差，且工作环境恶劣，单位产量偏低。

(5)申请号为200910024032.4的专利公开了一种降低铁磁性金属材料残余应力的方法，通过脉冲电流和脉冲磁场处理铁磁性金属材料，达到降低残余应力的效果，但是该方法仅适用于铁磁性材料，对于非铁磁性材料，无法实现降低残余应力的目的。

(6)申请号为93101690.8的专利公开了一种动态控制薄板构件焊接残余应力和变形的技术。在薄板构件的焊接过程中，利用高压气体将冷却介质雾化后，跟随焊接热源对仍处于高温状态的焊缝进行局部强制急冷。通过包围着冷却介质喷嘴的抽气管及时将冷却介质的蒸汽和剩余冷却介质排走，可以控制焊接区的内应力和变形。但是该方法在对焊缝进行强制急冷时，容易在焊缝区产生淬硬组织，甚至产生裂纹，恶化接头性能。

(7)申请号为201210248669.3的专利公开了一种利用多层多道焊层间焊接余热辅助振动降低厚板焊接残余应力的方法。通过振前扫描，在亚共振频率下调整激振力获得待焊工件的固有频率。当焊完一层后，在焊接余热状态下按照确定的固有频率进行振动时效处理以降低厚板焊件的残余应力。但是该方法对于薄板焊后残余应力的降低不是特别明显，而且针对不同的材料，焊前都要先确定固有频率，降低了生产效率。

(8)申请号为201510295203.2的专利公开了一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法。将固溶、淬火后的铝合金直接进行一级人工时效后，再进行二级人工时效；一级时效是将铝合金进行至少三次短时人工时效，出炉空冷；提高每次短时人工时效升温速率以获取与淬火过程相反的温度场，进而产生与淬火态相反的应力场来抵消残余应力。该方法特别适合厚度较大、形状规则的锻件和板材。但是该过程中铝合金多次受到热作用，容易引起组织粗化。

(9)申请号为201610180639.1的专利公开了一种外加磁场装置控制钨极氩弧焊(tig)接头残余应力的系统。具体是由外加磁场发生装置产生纵向磁场作用于tig焊接的电弧，电弧中的带电粒子在外加磁场的作用下向电弧边沿旋转，电弧由圆锥形变为钟罩形，电弧能量及电流密度变成双峰状分布，从而导致焊接温度场梯度降低，焊接残余应力的分布改善。但是该方法仅适用于tig焊接接头，对于其他固相焊接头的应力分布无法调控。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种降低金属结构材料熔焊接头残余应力的方法，具体是指利用具有一定温度的高速粒子流撞击焊缝区及其附近，通过在接头表面产生压应力，改善应力分布，提高接头疲劳强度及使用寿命，同时不会增加工件的表面粗糙度。该方法操作工艺简单方便，具有低成本、短流程、高效便捷等优点，易于大规模工业化应用。

本发明的技术方案是：一种降低金属结构材料熔焊接头残余应力的方法，其特征在于：具体操作步骤如下，

步骤一：对焊缝表面预处理：首先用砂纸打磨金属材料的焊缝及待处理区域，用以去除杂质；然后用丙酮或酒精去除金属材料的焊缝及待处理区域的油污；

步骤二：将金属粒子装入送粉器，所述金属粒子尺寸在10-100μm之间；

步骤三：接通高压气源，通入的加速气体压力为1.5-3.5mpa，将加速气体通过高压气源一部分通入所述送粉器，用于推动所述金属粒子，使其速度达到400-1000m/s，形成高速粒子流；另一部分通入气体加热器，将气体温度加热到200-600℃；

步骤四：通过机械手臂或机械装置将金属材料进行装夹，然后使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域；

步骤五：通过应力检测结果决定是否重复上述步骤。

本发明的进一步技术方案是：所述加速气体为氦气、氮气或压缩空气。

本发明的进一步技术方案是：所述金属粒子为cu、ni、w或不锈钢。

有益效果

根据本发明的实施例，该方法利用高速粒子流撞击与热气冲击效应的结合，焊缝及待处理区域受到高速粒子撞击与热气冲击的作用下后，发生塑性变形，应力得到一定程度释放，可以有效降低或消除构件残余拉应力；构件承受载荷的能力得到提升，提高焊缝力学性能，疲劳强度大幅度提高，应力腐蚀开裂得到缓解，延长构件服役寿命。

金属粒子选择尺寸在10-100μm之间，在高速粒子流撞击工件表面的焊缝和待处理区域时不会影响其粗造度，同时金属粒子形成高速粒子流撞击工件表面时易于沉积，可提高焊缝和待处理区域耐腐蚀性；相对于现有技术本发明的方法工艺简单，使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域，一步可同时完成降低残余应力和提高耐腐蚀性。通入的加速气体压力为1.5-3.5mpa使得金属粒子形成速度为400-1000m/s高速粒子流时，能够使得工件焊缝和待处理区域发生塑性变形，同时在焊缝和待处理区域产生压应力，进而有效降低或消除构件残余拉应力。当气体温度加热到200-600℃时，可以实现高速粒子流在待处理工件表面良好的沉积，同时该温度对工件待处理表面会产生一定的退火作用，该作用也有利于待处理工件表面残余拉应力的释放。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明实施例的工作原理图；

附图标记说明：1.送粉器，2.高压气源；3.气体加热器；4.基板；5.高速粒子流；6.处理枪，7.待处理区域，8.焊缝。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一、实施例(一)：

本实施例的处理方法包括以下步骤：

(1)用70#-400#的砂纸对2219铝合金板(300mm×150mm×8mm)vptig焊缝进行打磨，用丙酮或酒精去除油污，待处理区域为整个焊缝及焊缝两侧分别向母材延伸20mm处；

(2)参数选择：金属粒子为cu粒子，气体压力为2.6mpa，预热温度为400℃，加速气体选择氮气；

(3)将cu粒子装入送粉器，接通高压气源，氮气压力达到2.6mpa，将氮气通过高压气源一部分通入所述送粉器，用于推动cu粒子，使其速度达到400-1000m/s，形成高速粒子流；另一部分通入气体加热器，将气体温度加热到400℃后；

(4)通过机械手臂或机械装置将试样进行装夹，然后使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域；

(5)循环上述操作一次。

结果表明：焊态时基板的应力峰值为152mpa，在高速粒子撞击与热气冲击的作用下，基板的应力分布得到改善，最大应力为25mpa，且焊缝周围多呈现压应力状态。

二、实施例(二)：

本实施例子的处理方法包括以下步骤：

(1)用70#-400#的砂纸对2219铝合金板(300mm×150mm×8mm)vptig焊缝进行打磨，用丙酮或酒精去除油污，待处理区域为正反两面的整个焊缝及焊缝两侧分别向母材延伸20mm处；

(2)参数选择：金属粒子为cu粒子，气体压力为2.0mpa，预热温度为200℃，加速气体选择氮气；

(3)将cu粒子装入送粉器，接通高压气源，氮气压力达到2.0mpa，将氮气通过高压气源一部分通入所述送粉器，用于推动cu粒子，使其速度达到400-1000m/s，形成高速粒子流；另一部分通入气体加热器，将气体温度加热到200℃；

(4)通过机械手臂或机械装置将试样进行装夹，然后使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域；

(5)循环上述操作一次。

结果表明：焊态时基板的应力峰值为160mpa，在高速粒子撞击与热气冲击的作用下，基板的应力分布得到改善，正面最大应力为18mpa，反面最大应力为6mpa，且焊缝周围多呈现压应力状态。

三、实施例(三)：

本实施例子的处理方法包括以下步骤：

(1)用70#-400#的砂纸对2024铝合金板(300mm×150mm×4mm)tig焊缝进行打磨，用丙酮或酒精去除油污，待处理区域为整个焊缝及焊缝两侧分别向母材延伸20mm处；

(2)参数选择：金属粒子为氧化铝粒子，气体压力为2.6mpa，预热温度为300℃，加速气体选择氮气；

(3)将氧化铝粒子装入送粉器，接通高压气源，氮气压力达到2.6mpa，将氮气通过高压气源一部分通入所述送粉器，用于推动氧化铝粒子，使其速度达到400-1000m/s，形成高速粒子流；另一部分通入气体加热器，将气体温度加热到300℃；

(4)通过机械手臂或机械装置将试样进行装夹，然后使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域；

(5)循环上述操作两次。

结果表明：焊态应力峰值为103mpa，在高速粒子撞击与热气冲击的作用下，试样的应力分布得到改善，最大应力为8mpa，且焊缝周围多呈现压应力状态。

四、实施例(四)：

本实施例子的处理方法包括以下步骤：

(1)用70#-400#的砂纸对q235板(300mm×150mm×4mm)熔化极气体保护焊(mig)的焊缝进行打磨，用丙酮或酒精去除油污，待处理区域为整个焊缝及焊缝两侧分别向母材延伸20mm处；

(2)参数选择：金属粒子为不锈钢粒子，气体压力为3.0mpa，预热温度为200℃，加速气体选择氮气；

(3)将不锈钢粒子装入送粉器，接通高压气源，氮气压力达到3.0mpa，将氮气通过高压气源一部分通入所述送粉器，用于推动氧化铝粒子，使其速度达到400-1000m/s，形成高速粒子流；另一部分通入气体加热器，将气体温度加热到200℃；

(4)通过机械手臂或机械装置将试样进行装夹，然后使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域；

(5)循环上述操作一次。

结果表明：焊态应力峰值为186mpa，在高速粒子撞击与热气冲击的作用下，试样的应力分布得到改善，最大应力为23mpa，且焊缝周围多呈现压应力状态。

五、实施例(五)：

本实施例的处理方法包括以下步骤：

(1)用70#-400#的砂纸对2219铝合金板(300mm×150mm×8mm)vptig焊缝进行打磨，用丙酮或酒精去除油污，待处理区域为整个焊缝及焊缝两侧分别向母材延伸20mm处；

(2)参数选择：金属粒子为cu粒子，气体压力为2.6mpa，预热温度为600℃，加速气体选择氮气；

(3)将cu粒子装入送粉器，接通高压气源，氮气压力达到2.6mpa，将氮气通过高压气源一部分通入所述送粉器，用于推动cu粒子，使其速度达到400-1000m/s，形成高速粒子流；另一部分通入气体加热器，将气体温度加热到600℃；

(4)通过机械手臂或机械装置将试样进行装夹，然后使用处理枪将所述高速粒子流和加热后的加速气体同时喷出，撞击金属材料的焊缝及待处理区域；

(5)循环上述操作一次。

结果表明：焊态时基板的应力峰值为140mpa，在高速粒子撞击与热气冲击的作用下，基板的应力分布得到改善，最大应力为38mpa，应力分布更加均匀、平缓。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。