一种基于高压水射流强化技术消除焊接残余应力的方法与流程

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种基于高压水射流强化技术消除焊接残余应力的方法。

背景技术：

焊接是现代生产不可缺少的加工工艺，但是金属构件在焊接过程中的不均匀加热会在焊接构件的内部产生应力，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力是直接影响焊接结构制造工艺性、服役可靠性的主要因素之一。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的最主要问题，也是广大科研工作者们一直在努力研究的课题。其消除焊接残余应力的方法主要有：焊后热处理、力学形变法和温差形变法。

焊后热处理是当前焊后消除残余应力的最主要方法，虽然可以有效降低残余应力，但是耗能大、耗时长，尺寸结构受到限制；机械作用法虽然应用较为广泛，但这些方法难以消除死角部位(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，同时局限于目前的技术水平，由于外部存在各种各样的干扰因素，无法构建一个能够完全消除外部因素影响的生产环境，所以导致通过机械作用的方法无法将应力完全消除。

高压水射流法是一种新颖的消除焊接残余应力的技术，它既可以有效降低或消除焊接残余应力，又可以很好的提高焊件的疲劳强度。水射流法不受焊件形状及位置的影响，容易对零件的复杂、狭窄区域表面进行强化，可以弥补传统喷丸强化工艺的不足。水射流法可以排除干摩擦现象，缓和弹丸对表面的冲击，使接触载荷分布更加均匀，对表面起到冷却的效果，加工过程中可以起到除尘降噪的作用。既保存了热喷丸强化的优点，又使强化效果更好，是目前比较看好的一种新工艺，但是我国高压水射流技术发展较晚，在表面强化领域更是处于起步阶段，所以深入研究利用高压水射流消除焊接残余应力的方法，具有重大的科研及工业应用价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于高压水射流强化技术消除焊接残余应力的方法，该方法可以快速的消除焊接后焊接处残余的应力，并可保证整个焊缝应力消除效果好且稳定平均。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于高压水射流强化技术消除焊接残余应力的方法，包括以下步骤：

第一步，首先对实际焊接温度场进行模拟，然后根据模拟得到的温度场，计算焊接残余应力的仿真数据，进而最终得到焊接件的焊接残余应力场；

第二步，通过cfd软件fluent进行喷嘴内外流场的模拟，得到水射流喷射到焊缝表面的压力分布规律，再通过有限元软件abaqus对射流过程进行模拟，得到水射流强化前后的残余应力场；设置不同的水射流轴心动压，多次模拟移动高压水射流喷射压力载荷作用在焊缝表面，以消除第一步中的焊接残余应力，得到高压水射流处理后的残余应力分布，并将各组模拟数据进行比较，得到最优的水射流轴心动压；

第三步，将焊件夹持在可驱动的定位工作台上，按照第二步中得到的高压水射流消除焊接残余应力最佳压力，精确完成实际高压水射流消除焊接残余应力的处理。

进一步地，第一步中对实际焊接温度场的模拟为二维焊接模拟，采用标准内生热源模型的热流分布表示焊接热源，使用abaqus自带的dflux子程序，模拟实际操作中手工埋弧焊热源在焊接件表面移动的过程，得到焊接温度场。

进一步地，第一步中模拟焊接温度场时采用分段网格的划分方式，提高焊缝区域的计算收敛性，同时加快整体计算速度，节约计算资源。

进一步地，第一步中根据所得的焊接温度场，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，在力分析过程中，从此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。

进一步地，第二步中高压水射流消除焊接残余应力的数值模拟中，应用了外部件边界条件约束法模拟高压射流水柱。将外部件的边界进行位移约束，限制其刚性移动，使底面与焊缝表面发生接触。

进一步地，第二步中利用fluent的前处理软件gambit生成二维模型的网格，根据实际工况确定工作参数，模拟高压水通过喷嘴形成高速射流，经由空气介质冲击到靶面上，得到靶面上的表面接触压力分布规律。

进一步地，第二步中，根据表面接触压力确定高压水射流喷射压力载荷，进行多组模拟高压水射流消除焊接残余应力实验，比较各组模拟实验处理后的焊接残余应力场，确定最优的水射流轴心动压。

进一步地，第二步中在abaqus软件进行射流过程的模拟，利用材料的应力曲线，移动高压水射流喷射压力载荷，通过调整水射流轴心动压，在垂直于焊缝方向上产生压应力，使得产生塑性变形在大小和方向上与焊接残余应力相互抵消。

进一步地，影响水射流消除焊接残余应力效果的工艺参数包括水射流轴心动压、喷嘴移动速度、喷射距离，其中水射流轴心动压是最主要的工艺参数，其余两参数取常数。

进一步地，焊接件由塑性金属焊接而成，所述塑性金属为低碳钢、镍铬合金或奥氏体不锈钢。

进一步地，本方法适用于各种焊接件形式，包括焊接件为板与板焊接形成、焊接件为转子和转子焊接形成、焊接件为管道与管道焊接形成等。

本发明焊接主要用于板壳结构的焊接，可以是板材，管道，也可以是转子(厚壳)。

申请人在研究中发现喷射距离15～25mm是一个较为合适的喷射距离，在这个距离内残余应力消除效果更好，距离太大或太小残余应力效果不显著。

申请人发现，高压水射流降低残余应力示意图如图2所示，喷嘴垂直于试件表面，水由超高压泵输送到喷嘴处，形成高压，经喷嘴后冲击在试件表面上。从图2中水射流轴心动压分布曲线可以看出，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，故取水射流轴心动压作为研究参数。根据有限元分析实例结果，可知针对不同的材料应选用不用的水射流轴心动压，如针对304不锈钢，当水射流轴心动压达到220～250mpa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，且水射流轴心动压较小能耗较低；针对316不锈钢，当水射流轴心动压达到670～700mpa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，且水射流轴心动压较小能耗较低；针对q345r钢，当水射流轴心动压达到60～100mpa时，焊缝中心纵向残余拉应力变为压应力，且水射流轴心动压较小能耗较低，即可以达到较好的残余应力消除效果。

申请人发现喷嘴移动速度取0.001～0.01m/s之间时，残余应力消除效果更好，如果移动速度超过0.01m/s，焊接残余应力将得不到很好的降低；如果移动速度低于0.001m/s，焊接残余应力随移动速度基本没有变化，为考虑消除效果、时间及经济性，选取0.001～0.01m/s为宜。

相对于现有技术，本发明具有以下好处：

1、本发明中高压水冲击强化对零件表面的作用为非刚性接触，经高压水射流冲击处理后，焊缝表面及热影响区的残余应力得到了很大程度上的降低，在焊缝区甚至已经产生了压应力，有效控制了疲劳源的萌生和裂纹的扩展。

2、本发明全面计算模拟温度场、温度残余应力场、塑性变形场，实现焊接工艺消除焊接残余应力工艺过程的可控性、可优化性和高精确性。

3、本发明的一种基于高压水射流强化技术消除焊接残余应力的方法，具备传统焊接残余应力消除方法所无法比拟的高效、精确、环保、低能耗、操作简单、成本低、消除效果好等众多优点。

4、本发明方法容易对零件的复杂、狭窄区域表面进行消除残余应力处理。

附图说明

图1为本发明所采用的高压水射流强化装置示意图。

图2为本发明涉及的高压水射流轴心动压分布示意图。

图3为本发明实施例中q345r钢焊接件几何模型示意图。

图4为本发明实施例中计算温度场和应力场时所取的二维模型焊缝网格划分示意图。

图5为本发明实施例中计算获得的焊接温度场分布云图。

图6为本发明实施例中所取的两条分析路径示意图。

图7为本发明实施例中60mpa的高压水射流轴心动压处理前后焊缝残余应力分布图。

图8为本发明实施例中80mpa的高压水射流轴心动压处理前后焊缝残余应力分布图。

图9为本发明实施例中90mpa的高压水射流轴心动压处理前后焊缝残余应力分布图。

图10为本发明实施例中100mpa的高压水射流轴心动压处理前后焊缝残余应力分布图。

具体实施方式

图1-10是本发明的最佳实施案例，下面结合附图1-10对本发明作进一步说明。

结合附图1，实施例中高压水射流装置包括高压水射流输送泵、压力计、喷嘴，喷嘴喷射的高压水射流束垂直作用于焊接件上的焊缝表面，输送泵上设有控制水压的压力计。

一种基于高压水射流强化技术消除焊接残余应力的方法，包括以下：

第一步：对焊件进行残余应力计算：

1)焊件温度分布场计算：

利用有限元软件abaqus，根据几何尺寸建立二维模型，采用分段网格的划分方式，利用单元钝化与激活方法来形成焊缝金属。采用标准的内生热源模型的热流分布表示焊接热源，使用abaqus自带的dflux子程序，模拟实际操作中手工埋弧焊热源在焊接件表面移动的过程，随着时间t的变化，电弧中心沿焊缝表面做直线移动，实现了热源的移动，进行热分析，得到焊接温度场。

2)焊件残余应力场计算：

利用有限元软件abaqus，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，再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。

第二步：模拟高压水射流消除焊接残余应力：

利用fluent的前处理软件gambit生成二维模型的网格，模拟高压水通过喷嘴形成高速射流，经由空气介质冲击到靶面上，得到靶面上的表面接触压力分布规律。再通过有限元软件abaqus对射流过程进行模拟，应用外部件边界条件约束法模拟高压射流水柱，将外部件的边界进行位移约束，限制其刚性移动，使底面与焊缝表面发生接触，得到水射流强化前后的残余应力场。模拟移动高压水射流喷射压力载荷作用在焊缝表面，以消除第一步中的焊接残余应力，得到高压水射流处理后的残余应力分布。根据表面接触压力确定高压水射流喷射压力载荷，进行多组模拟高压水射流消除焊接残余应力实验，比较各组模拟实验处理后的焊接残余应力场，确定最优的水射流轴心动压。

第三步：按照高压水射流消除焊接残余应力的最优的水射流轴心动压处理焊件：

将焊件夹持在可驱动的定位工作台上，按照第二步中得到的水射流消除焊接残余应力最佳水射流轴心动压，精确完成实际高压水射流消除焊接残余应力的处理。

实际生产中，q345r钢被广泛用于球罐的制造，在球罐焊缝附近，存在较高的残余应力，对强度、抗应力腐蚀性能产生很大影响。处于腐蚀环境中的球罐，在残余应力和工作应力的共同作用下，往往发生应力腐蚀开裂，最终导致结构破坏。

为了更好的理解本发明，以下提供以下实施例：

图2描述的是一块q345r钢，尺寸为200mm×200mm×10mm，焊缝类型为v型焊缝，坡口角度为30°。

焊接采用手工电弧焊，电流150a，电压25v，焊接速度2mm/s，焊接热效率取0.85。

在焊接温度场中，模型外表面为对流和辐射边界条件，对流系数取12w/(m·k)，辐射发射率取0.85，初始温度取20℃。

在残余应力分析和水射流分析中，在焊接件底部4个端点约束其所有自由度，限制焊件的刚性移动。

本实施例通过有限元软件abaqus建立二维模型，图3中红色高亮区域为焊缝。为了提高计算精度和计算方便性，采用结构划网格和四面体单元，并采用过渡网格和渐变种子分布，使网格分布均匀合理，即在焊缝及热影响区周围网格分布较密集，远离焊缝区域网格分布较为稀疏。

采用标准的内生热源模型的热流分布表示焊接热源，使用有限元软件abaqus自带的dflux子程序，模拟实际操作中手工埋弧焊热源在焊接件表面移动的过程，随着时间t的变化，电弧中心沿焊缝表面做直线移动，实现了热源的移动，进行热分析，得到焊接温度场。

图4示出了某时刻焊接温度场分布云图。焊缝中心最高温度为2288，整个焊缝区域温度均已超过熔点，这说明计算模拟与实际的熔池和热影响区尺寸大致相符。远离焊缝中心，温度逐渐降低。

在残余应力分析过程中，应力场计算采用c3d8单元，热分析和力分析采用相同的单元和节点，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，再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。

利用fluent的前处理软件gambit生成二维模型的网格，模拟高压水通过喷嘴形成高速射流，经由空气介质冲击到靶面上，得到靶面上的表面接触压力分布规律。

通过有限元软件abaqus对射流过程进行模拟，应用外部件边界条件约束法模拟高压射流水柱，将外部件的边界进行位移约束，限制其刚性移动，使底面与焊缝表面发生接触，得到水射流强化前后的残余应力场。

本实施例取喷嘴直径1mm，焊缝宽度6mm，水射流半径6mm，取喷嘴移动速度0.005m/s，喷射距离20mm。

定义沿x，y和z方向的残余应力分别为横向应力s11，厚度方向应力s22，纵向应力s33，厚度方向应力s22很小可忽略分析。

分别取水射流轴心动压为60mpa、80mpa、90mpa、100mpa，如图5所示，取两条路径进行分析，path1为垂直焊缝方向的表面路径，path2为沿厚度方向的焊缝内部路径，由此可以得到高压水射流处理前后焊缝残余应力分布。

由图可知，60mpa水射流处理前后焊缝区横向残余应力有降低但没有消除完整，而纵向残余应力仍旧为拉伸应力，焊接残余应力并没后得到有效消除；水射流轴心动压为80mpa时，焊缝处理前后的残余应力分布对比，焊缝区横向残余应力和纵向残余应力都明显呈压缩残余应力，焊缝及热影响区周围表面的残余应力得到了大大降低；水射流轴心动压为90mpa时，焊缝处理前后的残余应力分布对比，可知焊缝横向残余应力明显降低，呈压缩残余应力状态，纵向残余应力有降低但效果较小；水射流轴心动压为100mpa时，焊缝区横向残余应力呈明显的压缩残余应力，纵向残余应力亦得到有效降低。对比分析可以看出，沿path1的焊缝表面残余应力分布状况：100mpa的水射流轴心动压处理后焊缝区残余应力消除范围更广，焊缝及近缝区残余应力同时得到消除，压应力更大，数值在-290mpa，效果更好；沿path2的焊缝内部残余应力分布状况：60mpa的水射流轴心动压时s33仍为拉应力，消除效果最差，其余无明显差别，沿厚度有均匀明显的降低。但当水射流轴心动压为90mpa和100mpa时，部件焊缝背部处引起了拉伸残余应力。

通过对比不同水射流轴心动压消除焊缝残余应力的分布图，在考虑有效降低焊接残余应力的同时避免焊缝背部引起过大的拉伸应力的前提下，本次模拟确定该焊接板件降低残余应力的最佳水射流轴心动压为80mpa。

将焊件夹持在可驱动的定位工作台上，将水射流轴心动压设置为80mpa，精确完成实际高压水射流消除焊接残余应力的处理。

以上所述，仅为本发明的一个较佳实施例，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。