CN107557549A - 一种消除焊接残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消除焊接残余应力的方法，包括以下步骤：第1步，首先计算焊接件的温度分布场；根据温度分布场，计算焊接残余应力在焊缝周围的分布和尺寸；步骤2：将外力和力矩施加到焊接接头旁侧的焊接部件上，使焊接部件产生塑性变形，以消除第1步中计算的焊接残余应力。通过本发明能够有效的消除焊件的残余应力，解决焊件应力腐蚀开裂和高温疲劳开裂的问题。

Description

一种消除焊接残余应力的方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种消除焊接残余应力的方法。

背景技术

焊接是焊料熔化形成熔融，把两种或两种以上同种或异种材料工件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。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45％。焊接工艺有着良好的经济性和实用性，广泛应用在大型结构中，包括核电站管道、油田石催化裂化化工管道、汽轮机燃气轮机焊接转子、大型船只、潜艇、压力容器板结构等等。

在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。所以，焊缝是焊接结构中最薄弱的结构。

除了焊接缺陷以外，焊件在焊接过程中，由于焊缝周围的温度较高，在冷却过程中由于热胀冷缩原理，在热膨胀系数的影响下，焊缝材料趋向于温度引起的收缩变形。如果焊件对焊缝材料有制约作用的话，这种温度变形就变成了焊接的残余热应力，而且是拉应力。

如果焊接管道运用于传输腐蚀性气体或者液体，残余热应力就有可能形成应力腐蚀开裂的原因。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力(不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之)和特定的腐蚀介质存在。裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。

除了暴露在腐蚀介质以外、焊接零件，比如焊接转子可能暴露在交变载荷(fatigue load)、高温交变载荷(thermal mechanical fatigue)工作环境中。

采用焊接转子可解决优质大锻件锻造难度大的问题，发现缺陷时也易于返修和更换，转子可以做成空心的，大幅度减少了材料使用。飞机发动机，工业燃气轮机焊接转子在高温交变载荷下，裂纹部位很容易氧化，长期在离心作用下可以产生高温蠕变(creep)，再加上交变疲劳载荷，焊缝的质量和焊接残余应力会直接影响转子的低周疲劳(low cyclefatigue)寿命，高周疲劳强度极限(endurance of high cycle fatigue)。

焊接残余应力会在氧化，高温蠕变(creep)，再加上交变疲劳载荷联合作用下，焊接开裂。改善焊缝应力状态，防止裂纹扩展，对于提高焊接件的使用寿命非常重要。转子寿命和应力的一个关系是，降低应力50％，可以提高寿命50倍。

确定残余热应力方法有很多：测试方法包括钻孔法，X光法，中子散射法，磁场的方法，压电陶瓷的方法，电阻应变片的方法。本发明通过计算可以形成一个三维的残余热应力场，而这些方法都不能做的。

喷丸硬化是产生材料处于压缩状态的薄表面层的过程。表面压缩的存在将阻止应力腐蚀开裂的发生。然而，显而易见的是，任何这种表面的压缩不会阻止超出压缩层的深度的现有裂纹的扩展。

焊接过程中为了减少残余的热应力，通常采用预热和焊接以后的热处理。

预热能降低焊后冷却速度，有利于降低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施。预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力.热处理是焊后应在200-350℃下保温2-6小时，进一步减缓冷却速度，增加塑性、韧性，并减小淬硬倾向，消除接头内的扩散氢.这些方法都很有效，但比起塑性变形来说可控性比较差。

感应加热应力改善是目前用于改善管道和外壳中的残余焊接应力的一种方法。然而，感应加热工艺不能控制应力加载的位置和方向，不能在轴向方向上引起净压缩力。不能有效地防止应力腐蚀，疲劳裂纹。相反可能是进一步扩大裂纹，并降低了管壳或壳壁的剩余强度和耐久性，并使它们更容易进一步开裂和泄漏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除焊接残余应力的方法，以有效的消除焊件的残余应力，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：

一种消除焊接残余应力的方法，包括以下步骤：

第1步，首先计算焊接件的温度分布场；根据温度分布场，计算焊接残余应力在焊缝周围的分布和大小；

步骤2：对焊接部件施加外力和力矩，使焊接部件产生塑性变形，以消除第1步中计算的焊接残余应力。

进一步的，第1步中采用方法A或者方法B获得焊接件的温度分布场：

方法A：采用Fluent软件共轭换热流体力学法获得焊接件的温度分布；

方法B：采用ANSYS软件固体力学法获得焊接件的温度分布。

进一步的，第1步中，在ANSYS软件结构力学计算分析中，读取刚刚焊接完成的焊接件的温度分布场，在结构力学中进行降温计算，确定焊缝周围温度残余焊接应力大小和分布。

进一步的，第2步中在ANSYS软件中进行模拟，利用材料的非线性应力应变曲线，通过调整外力大小和加力位置，在垂直于焊缝方向上产生残余压应力，使得产生塑性变形在大小和方向上消除了焊接残余应力。

进一步的，加载的外力和力矩是通过设定0.5％～1％的线性变形和0.5％～1％°的角度变形来完成的。

进一步的，焊接件有塑性金属焊接而成；所述塑形金属为低碳钢、镍洛合金或奥氏体不锈钢。

进一步的，焊接件为板与板焊接形成；对两个板沿垂直于焊缝方向施加外力，产生线性变形；并对板施加力矩，使板与板之间的角度变化产生塑性角度变形；消除第1步中计算的焊接残余应力。

进一步的，焊接件为转子和转子焊接形成；在焊缝两侧预留环形的工艺结构，通过液压装置对环形结构轴向施压，这个轴向方向的压力会对焊缝产生弯矩；这个压力和弯距消除转子外侧的焊接残余应力；或者直接沿焊接转子两端轴向施加压缩外力消除转子外侧的焊接残余应力。

进一步的，焊接件为管道与管道焊接形成；通过液压装置，在管道焊缝两侧径向施加压力使管道产生径向位移，抵消了管道的焊接残余应力，使得管道内侧产生压应力；或者直接沿焊接管道两端轴向施加压缩外力消除第1步中计算的焊接残余应力。

进一步的，焊接部件产生塑性变形取消施加的外力和力矩。

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)。

本发明利用计算流体力学的方法确定温度场的分布，利用有限元计算固体力学的方法确定焊缝周围温度残余焊接应力大小和分布。然后通过加载压力和弯矩在垂直于焊缝中截面的方向上产生塑性变形。由于焊接结构不同，它可以使板材，可以是管道，可以是转子，必须设计不同的外力或位移加载方式，使得产生垂直于焊缝上压力和弯矩，对于板壳结构，可以加载厚度方向，长度方向0.5％-1％长度变形位移。对于互相垂直的板焊接，可以加载0.5％-1％度的角度变形位移。通过有限元计算，利用材料的应力应变曲线，控制外力大小，或者外力产生的位移，使得产生塑性变形在位置上和方向上消除了温度残余应力。也可以在垂直于焊缝方向产生上适量的残余压应力。这样的可控残余压应力可以有效地防止应力腐蚀开裂和高温疲劳开裂。

该消除温度残余应力方法适用范围：

1：大型的板件，大型的管道，大型的壳件，大型转子结构，比如潜艇板件，壳件之间，压力容器的焊接，核电站，石油化工管道之间的焊接，燃气轮机转子，民用军用飞机发动机转子之间的焊接，汽轮机转子和叶轮之间的焊接等等。

2：适用于各种塑性金属材料之间的焊接，包括低碳合金钢，奥氏体不锈钢，镍铬合金等等。

3：这种方法适用焊接部件经受比较大的应力，交变应力。工作环境比较恶劣，高温，高转速，氧化，蠕变，腐蚀性放射性电解液中。降低温度残余应力关系到民生安全的应用背景。

相对于现有技术，本发明具有以下好处：

1、安全性：从疲劳断裂的经验可知，降低盈利50％，可以提高疲劳寿命50倍。消除温度热应力，提高产品的安全性和寿命是工程设计中最重要的考量指标。他运用在核电站管道可以避免因为腐蚀开列，是的放射性的流体不会被泄漏。留在飞机发动机转子上，提高飞机发动机转速寿命，这关系到人的生命安全。

2、经济性：机械塑性变形消除焊接残余应力就是提高焊缝的质量，减少使用昂贵的大型锻件。提高焊缝的质量可以增加设计余量，可以设计出更轻薄的结构。

3、全面计算模拟温度超，温度残余应力场，塑性变形场。实现焊接工艺，消除温度残余应力工艺过程的可控性和可优化性。

附图说明

图1为对焊缝的压力和弯矩的施加示意图；

图2A为图1的压力产生一个的应力分布图；图2B为图1的弯矩产生纯弯曲应力分布图；图2C为图2A叠加到图2B形成的组合应力图示意图；

图3为板和板的焊接部件示意图；

图4为塑性弯曲模具对板和板的焊接部件进行施加外力和力矩的示意图；

图5为燃气轮机转子和转子的焊接部件示意图；

图6为燃气轮机转子和转子的焊接部件进行焊缝机械塑性变形加载的示意图；

图7为管道和管道的焊接部件进行焊缝机械塑性变形加载的示意图；

图8为利用单元的生死模拟坡口内的焊条一层一层的堆放次序的示意图。

具体实施方式

一种消除焊接残余应力的方法，包括以下步骤：

第1步：对焊件进行残余应力计算：

1.1)：温度分布计算：

A方法：采用Fluent软件共轭换热流体力学法(conjugate heat transfer)获得焊件的温度分布：这种方法可以同时计算焊接零件固体域和周围空气计算域；计算焊接加热过程，得到焊接零件固体和周围流体的温度分布。可以比较准确的考虑辐射换热和对流换热。

B方法：经典的ANSYS软件固体力学法(ANSYS Classic)获得焊件的温度分布：这种方法只能计算焊接零件固体域。可以通过时间步长，加载焊接移动热源(moving heatsource)，利用单元的生死(element birth and death)模拟如图8所示的坡口内的焊条一层一层的堆放次序；辐射换热和对流换热必须进行手算，当作边界条件加载到固体表面。

1.2).残余应力计算：在ANSYS软件结构力学计算分析中，读取刚刚焊接完成以上方法计算的温度分布(方法A或B计算的焊件刚焊接完的温度分布)，在结构力学中进行降温计算，确定焊缝周围温度残余焊接应力大小和分布。

第2步：塑性变形计算：

在ANSYS软件中，利用材料的非线性应力应变曲线，通过调整外力大小(或者外力位移)和加力位置，这样可以在垂直于焊缝方向上产生适量的残余压应力，使得产生塑性变形在大小和方向上消除了温度残余应力。

请参阅图1所示，通常外力是一种对焊缝的压力和弯矩的组合。如图所示，图2A是用来产生一个压应力场.图2B代表一个纯弯曲产生通过焊缝应力分布。其中下表面是压应力分布，上表面是拉应力。压应力的一侧是用来防止应力腐蚀开列或者是高温疲劳断裂。图2A叠加到图2B可以形成一个防止焊缝开裂的较好应力组合图2C。加载的力和弯矩是通过设定0.5％～1％的线性变形和0.5％～1％°的角度变形来完成的。这种方法适用于能够塑形变形的金属，包括低碳钢、镍洛合金、奥氏体不锈钢等。

力和弯矩的组合形成了焊接结构的塑形变形，然后，ANSYS利用非线性的应力应变曲线模拟该塑性变形，ANSYS非线性结构分析可以捕捉力和弯矩的大小，以便使得产生的塑形变形抵消温度残余应力。

为了更好的理解本发明，以下提供了三个例子：

实施例：

实施例1：板和板的焊接

图3描述的是一个装有腐蚀性的液体方形的废料容器；两块互相垂直的板焊接在一起。为了有效地防止应力腐蚀开裂，必须消除容器内侧的残余拉应力。

焊接的时候，故意使得两个板之间的夹角为91度。焊接完成之后，通过图4所示塑性弯曲模具(成型模1、弯曲模2、焊接板件3)，焊接零件在受到面内压应力(inplane)的同时，把91度角的焊件产生1％的线性变形和1％的角度变形挤压成90度，产生塑性角度变形。利用塑性变形有限元计算，考虑回弹(spring back)塑性弯曲变形使得两个板之间的夹角为90度，这样使得焊缝间的应力为压应力。这个应用不限90度直角板焊接，可以是任意角度的板和板焊接。

实施例2：转子和转子焊接

请参阅图5和图6所示，第二种情况描述的是燃气轮机转子和转子之间焊接的一个结构。转子外侧有较高的高温气体(＞650℃)，转自内侧有冷却气体通过，为了有效地提高高温疲劳(thermal mechanical fatigue)寿命，必须消除管外测的残余拉应力。焊缝机械塑性变形加载方式如图6所示，结构设计的过程中在焊缝两侧预留环形的工艺结构，通过液压装置对环形结构轴向施压，这个轴向方向的压力会对焊缝产生弯矩。这个压力和弯距可以消除转子外侧的残余拉应力。消除残余应力的方法实施后，可以去掉预留的环形结构。

如果没有环形结构或者环形结构难以制造，直接沿焊接转子两端轴向施加压缩外力。

实施例3：管道和管道的焊接

请参阅图7所示，第三种情况是管道和管道的焊接，这个管道用于输送腐蚀性的液体，消除管内测的残余拉应力，可以有效地防止应力腐蚀开裂。焊缝机械塑性变形加载方式是管道径向方向塑形位移变形。通过液压装置，在管道焊缝两侧径向施加压力F1，产生0.5％至约1.0％范围内的径向位移，抵消了管道的温度残余应力，使得管道内侧产生一定的压应力。这样就减轻并防止腐蚀开裂的潜在发生。

如果焊接管道较短，也可以直接沿焊接管道两端轴向施加压缩外力F2。

Claims (9)

1.一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步，首先计算焊接件的温度分布场；根据温度分布场，计算焊接残余应力在焊缝周围的分布和大小；

步骤2：对焊接部件施加外力和力矩，使焊接部件产生塑性变形，以消除第1步中计算的焊接残余应力。

2.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，第1步中采用方法A或者方法B获得焊接件的温度分布场：

方法A：采用Fluent软件共轭换热流体力学法获得焊接件的温度分布；

方法B：采用ANSYS软件固体力学法获得焊接件的温度分布。

3.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，第1步中，在ANSYS软件结构力学计算分析中，读取刚刚焊接完成的焊接件的温度分布场，在结构力学中进行降温计算，确定焊缝周围温度焊接残余应力大小和分布。

4.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，第2步中在ANSYS软件中进行模拟，利用材料的非线性应力应变曲线，通过调整外力大小和加力位置，在垂直于焊缝方向上产生残余压应力，使得产生塑性变形在大小和方向上消除了焊接残余应力；

然后，所获得的外力大小和加力位置实际施加到焊接接头旁侧的焊接部件上，使焊接部件产生塑性变形，以消除步骤1中计算的焊接残余应力。

5.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，加载的外力和力矩是通过设定0.5％～1％的线性变形和0.5％～1％°的角度变形来完成的。

6.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，焊接件有塑性金属焊接而成；所述塑形金属为低碳钢、镍洛合金或奥氏体不锈钢。

7.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，焊接件为板与板焊接形成；对两个板沿垂直于焊缝方向施加外力，产生线性变形；并对板施加力矩，使板与板之间的角度变化产生塑性角度变形；消除第1步中计算的焊接残余应力。

8.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，焊接件为转子和转子焊接形成；在焊缝两侧预留环形的工艺结构，通过液压装置对环形结构轴向施压，这个轴向方向的压力会对焊缝产生弯矩；这个压力和弯距消除转子外侧的焊接残余应力；或者直接沿焊接转子两端轴向施加压缩外力消除转子外侧的焊接残余应力。

9.根据权利要求1所述的一种消除焊接残余应力的方法，其特征在于，焊接件为管道与管道焊接形成；通过液压装置，在管道焊缝两侧径向施加压力使管道产生径向位移，抵消了管道的焊接残余应力，使得管道内侧产生压应力；或者直接沿焊接管道两端轴向施加压缩外力消除第1步中计算的焊接残余应力。