專利名稱：利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種降低多層多道焊焊接件內部殘余應力的方法，具體涉及一種利用多層多道焊各焊道之間焊接余熱輔助振動時效降低厚板焊接件殘余應力的方法，屬于振動時效領域。
背景技術：
厚板焊接后殘余應力的分布于大小與薄板焊接后殘余應力的分布情況有顯著不同，厚板的焊接殘余應力在厚度方向上的分布非常復雜。在厚板焊接時，隨著板厚的不同，殘余應力的狀況不同。對于鋼板的焊接，通常當板厚在40-60mm厚時，構件中的殘余應力最大；當板厚小于這個厚度范圍時，殘余應力有隨著板厚的增加而增加的趨勢；當板厚超過這個范圍后，殘余應力有一定程度的降低。目前主要通過產生塑性變形抵消構件內部由 殘余應力引起彈性變形的方法解決焊接殘余應力的問題，整體可分為熱時效法與機械處理法。鑒于厚板焊接構件往往結構較大且復雜，另一方面熱時效爐的容量有限，因此采用熱時效退火的方法消除殘余應力的方法很難在厚板焊接構件中廣泛應用。沖擊碾壓或錘擊這類在薄板焊件中十分有效的機械處理的方法，其作用范圍主要局限于構件的表層，因此無法直接應用于厚板焊接構件。目前消除厚板焊接殘余應力的方法主要有調整焊接順序法，爆炸法，振動法。調整焊接順序的方法是通過調整焊件的坡口形式與焊接次序，盡可能降低焊接熱輸入，通過降低塑性區(qū)的最終尺寸達到降低焊接殘余應力的目的。這種方法在操作時具有不需要其他輔助方法的優(yōu)點，但是需要大量的試驗與分析獲得焊接參數，對一種構件制定的焊接參數很難應用于其他的焊接構件，工藝參數的制定費時費力，且殘余應力的降低水平有限。爆炸法是將炸藥布在待處理的焊件上，通過引爆炸藥，利用爆炸沖擊波對構件進行處理的方法。這種方法具有實施方便、快捷的優(yōu)勢，但是有較大的危險性，使得這種方法的應用受到極大的限制。將振動應用于降低焊接構件中殘余應力有兩種方式一種是焊后進行振動時效。振動時效是使用與試件剛性固定的激振器帶動試件共同達到共振，降低構件中殘余應力的方法。在振動的過程中，構件內部的殘余應力與外載應力相疊加，其和應力超過材料的屈服強度后，發(fā)生塑性變形，一定程度的釋放殘余應力。振動時效前后材料的性能幾乎不發(fā)生惡化，伴隨著殘余應力的降低以及材料內部位錯的重新分布，其抗松弛穩(wěn)定性等一系列性能會隨之升高，工件的幾何尺寸隨之趨于穩(wěn)定。焊接構件由于焊接過程中的不均勻加熱，在焊接后構件內部會產生較高的殘余應力，將焊接后的構件進行振動，會使峰值殘余應力降低20-40%。但是對于剛度較大的構件，由于彎曲變形困難，振動時效時難以達到規(guī)定振幅，因此無法使用振動時效降低高剛度焊接構件中的殘余應力。另一種方法是在焊接過程中施加振動。采用自動焊或者手工焊的方法，待焊試件裝夾在振動平臺上，焊件隨振動平臺一同振動。這種方法的優(yōu)勢在于，受到振動的影響，熔池攪拌均勻，焊縫質量好，成形美觀，振動與焊接同時進行，焊后不需要進行額外的處理。但是手工焊施焊環(huán)境惡劣，對焊工的焊接技術要求極高。自動焊過程中，要保證焊接系統不隨之振動是一大難點。此外，由于要保證焊接過程的順利進行，使振動焊接的振幅遠小于振動時效的振幅。綜上所述，現有調整焊接順序的方法降低厚板焊接殘余應力存在工作量較大，厚板殘余應力的降低不具有普遍性；爆炸法降低厚板焊接殘余應力存在安全性較差，適用受限制；焊后進行振動時效降低厚板焊接應力的方法不適用于剛度較大的焊件，適應性較差，焊接過程施加振動時效降低焊接殘余應力存在手工焊焊接技術要求無法保證，自動焊焊接系統振動，焊接過程受到影像的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為解決現有降低厚板焊接殘余應力的方法存在安全性較差，適應性較差以及影響焊接過程的問題，進而提供一種利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應力的方法。 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術方案是本發(fā)明的利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應力的方法的具體步驟為步驟一、將激振器固定在振動平臺上；步驟二、通過焊接夾具上的裝夾墊片和工件裝夾蓋板將待焊工件裝夾在振動平臺上；步驟三、振前掃頻，將加速度傳感器固定在待焊工件上，利用加速度傳感器拾取振幅，通過逐漸增大激振器的頻率，并同時獲取振幅信號獲得一階或二階共振頻率，在亞共振頻率下調整激振力獲得待焊工件的固有頻率；步驟四、將加速度傳感器置于振動平臺上，根據待焊工件的尺寸和坡口形式，選定焊接層數，對待焊工件進行施焊；步驟五、焊完一層后，在焊接余熱狀態(tài)下按照步驟三確定的固有頻率，振動時效處理5-12min，或振動至焊接工件的溫度小于150°C，如此重復，直至焊接過程完成。本發(fā)明的有益效果是一、提高振動時效的效率，傳統的振動時效需要40min，而本發(fā)明在焊接每一層后利用余熱振動，所需的振動時間5-12min，效率大大提高。二、降低振動的幅度，傳統的振動時效需要保證一定的振幅，無法對剛性較大的試件進行處理，本發(fā)明操作方便，安全可靠，不影響焊接過程，在較低振幅下獲得較高的振動時效處理效果，特別適合于對整體剛度較大的焊接構件進行振動時效降低焊后殘余應力，適應性好，應用范圍廣。三、可處理IOmm以上的厚焊工件，能有效地降低大厚焊接構件內部的殘余應力，只需要在每一層焊接之后振動時效即可。


圖I是本發(fā)明結合的裝置的立體結構示意圖，圖2是圖I的分解圖，圖3是圖I的主視圖，圖4是圖3的左視圖，圖5是圖3的俯視圖，圖6是實施例中試件焊接前獲得焊縫中心位置的熱循環(huán)曲線圖，圖7是實施例中焊接后不進行處理，焊接后進行振動時效處理與焊接過程焊層間利用焊接余熱進行振動時效處理得到的三組試件的殘余應力的第一主應力與焊縫距離關系圖，圖8是實施例中焊接后不進行處理，焊接后進行振動時效處理與焊接過程焊層間利用焊接余熱進行振動時效處理得到的三組試件的殘余應力的第二主應力與焊縫距離關系圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖I-圖5說明本實施方式，本實施方式的利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應力的方法的具體步驟為步驟一、將激振器6固定在振動平臺3上；步驟二、通過焊接夾具上的裝夾墊片4和工件裝夾蓋板5將待焊工件I裝夾在振、動平臺3上；步驟三、振前掃頻，將加速度傳感器2固定在待焊工件I上，利用加速度傳感器2拾取振幅，通過逐漸增大激振器6的頻率，并同時獲取振幅信號獲得一階或二階共振頻率，在亞共振頻率下調整激振力獲得待焊工件I的固有頻率；步驟四、將加速度傳感器2置于振動平臺3上，根據待焊工件I的尺寸和坡口形式，選定焊接層數，對待焊工件I進行施焊；步驟五、焊完一層后，在焊接余熱狀態(tài)下按照步驟三確定的固有頻率，振動時效處理5-12min，或振動至焊接工件的溫度小于150°C，如此重復，直至焊接過程完成。本實施方式結合的裝置包括振動時效設備、振動平臺3和焊接夾具，所述振動時效設備包括激振器6、加速度傳感器2、四個減震橡膠墊7和多個第一緊固件8，所述焊接夾具包括兩個工件裝夾蓋板5、兩個裝夾墊片4和多個第二緊固件9，所述第一緊固件8和第二緊固件9均為螺栓，四個減震橡膠墊7呈陣列布置，四個減震橡膠墊7上設置有振動平臺3，振動平臺3的一側設置有激振器6，激振器6通過多個第一螺栓8與振動平臺3連接，靠近激振器6的振動平臺3上沿振動平臺3的寬度方向并列設置有裝夾墊片4和工件裝夾蓋板5，裝夾墊片4位于振動平臺3和工件裝夾蓋板5之間，裝夾墊片4和工件裝夾蓋板5分別通過第一螺栓8與振動平臺3連接，待焊工件I通過工件裝夾蓋板5夾緊固定在振動平臺3上，振動時效前掃頻時，將加速度傳感器2置于待焊工件I上降低殘余應力的目標位置，振動時效過程中，將加速度傳感器2置于振動平臺3上。
具體實施方式
二本實施方式的步驟五中振動時效處理lOmin。如此設置，振動時效的效率大大提高，有效地降低了焊接工件的殘余應力。實施例結合圖I-圖8進一步說明本發(fā)明，本實施例采用工件材料為低合金高強鋼，該低合金高強鋼的主要化學成分質量百分比c為0. 15%，Si為0. 32%，Mn為I. 44%，其抗拉強度為575MPa，屈服強度為470Mpa，制成如圖2中待焊工件I的對接試樣，工件尺寸為200mm X 300mm X 14mm，開30°坡口，鈍邊為2mm，焊接時兩塊工件預留3mm間隙，采用手工電弧焊，焊條選用J422，共焊接四層。焊接前通過有限元模擬獲得焊縫中心位置的熱循環(huán)曲線，如圖6所示，可見在焊后小于IOmin (600秒)后，工件的溫度降低到100°C—下，此后溫度降低緩慢。因此，多層多道焊層間利用余熱進行振動時效的時間為lOmin。為了進一步說明本發(fā)明的效果，下面給出了焊接后不進行處理，焊接后進行振動時效處理與焊接過程焊層間利用焊接余熱進行振動時效處理三組試件的殘余應力大小，實驗過程中三組工件的焊接工藝參數相同試件一焊接后不進行任何處理；試件二 正常焊接后振動時效處理40min ;激振器調為2檔，激振頻率100Hz ；試件三每焊完一層后，利用焊接余熱進行振動振動時效處理IOmin ;激振器調為2檔，激振頻率100HZ。用盲孔法測量三塊試件中的殘余應力，獲得三個試件第一主應力與第二主應力的比較結果，結果如圖7與圖8所示。正常焊接后，第一主應力為270MPa ;焊后進行振動時 效處理后，第一主應力降低到260MPa，降低幅度約3. 7% ;焊接過程焊層間利用焊接余熱進行振動時效處理后第一主應力降低到190MPa，降低幅度約為29%，可見每焊接一道后進行IOmin的振動時效處理后殘余應力降低情況最好。在有效降低第一主應力的條件下，將第二主應力轉變?yōu)閴簯?。工作原理振動時效是通過產生微區(qū)的塑性變形達到降低殘余應力的目的，因此提高振動的振幅與降低材料的屈服強度都可以達到提高振動時效效果的目的。金屬材料的屈服強度往往隨著溫度的升高而降低，利用升高溫度的措施達到提高振動時效效果的方案是可行的。焊接使構件經歷加溫過程，利用焊接余熱進行振動時效，可以提高振動時效的效果，在多層多道焊的過程中，在每一層焊道結束后都進行振動時效，可以對焊縫內部的殘余應力得到較好的釋放。
權利要求
1.ー種利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應カ的方法，其特征在于所述的降低殘余應カ的方法的具體步驟為 步驟一、將激振器(6)固定在振動平臺(3)上； 步驟ニ、通過焊接夾具上的裝夾墊片(4 )和エ件裝夾蓋板(5 )將待焊エ件(I)裝夾在振動平臺(3)上； 步驟三、振前掃頻，將加速度傳感器(2) 固定在待焊エ件(I)上，利用加速度傳感器(2)拾取振幅，通過逐漸增大激振器(6)的頻率，并同時獲取振幅信號獲得ー階或ニ階共振頻率,在亞共振頻率下調整激振力獲得待焊エ件(I)的固有頻率； 步驟四、將加速度傳感器(2)置于振動平臺(3)上，根據待焊エ件(I)的尺寸和坡ロ形式，選定焊接層數，對待焊エ件(I)進行施焊； 步驟五、焊完ー層后，在焊接余熱狀態(tài)下按照步驟三確定的固有頻率，振動時效處理5-12min，或振動至焊接エ件的溫度小于150°C，如此重復，直至焊接過程完成。
2.根據權利要求I所述的利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應カ的方法，其特征在于步驟五中振動時效處理lOmin。
全文摘要
利用多層多道焊層間焊接余熱輔助振動降低厚板焊接殘余應力的方法，它涉及一種降低多層多道焊焊接件內部殘余應力的方法，以解決現有降低厚板焊接殘余應力的方法存在安全性較差，適應性較差以及影響焊接過程的問題，方法的具體步驟為步驟一、將激振器固定在振動平臺上；步驟二、通過焊接夾具上的裝夾墊片和工件裝夾蓋板將待焊工件裝夾在振動平臺上；步驟三、振前掃頻，在亞共振頻率下調整激振力獲得待焊工件的固有頻率；步驟四、對待焊工件進行施焊；步驟五、焊完一層后，在焊接余熱狀態(tài)下按照步驟三確定的固有頻率，振動時效處理5-12min，如此重復，直至焊接過程完成。本發(fā)明用于降低厚板焊接工件焊接后的殘余應力。
文檔編號C21D9/50GK102732708SQ201210248669
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權日2012年7月18日
發(fā)明者樂望赟, 代永鋒, 劉雪松, 崔煒, 方洪淵, 李書齊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學