一种高效消除焊接板材残余应力的方法 |
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| 申请号 | CN202210562246.2 | 申请日 | 2022-05-23 | 公开(公告)号 | CN114854946B | 公开(公告)日 | 2023-04-28 |
| 申请人 | 西南交通大学; | 发明人 | 苟国庆; 向鹏宇; 闫广隆; 朱忠尹; 陈兵; 张晨昊; | ||||
| 摘要 | 一种高效消除 焊接 板材残余应 力 的方法，焊接板材为316L不锈 钢 焊接板材，消除残余 应力 的方法是：将柔性加热板 覆盖 在焊接板材上，升温至设定 温度 并保温，当焊接板材下表面的温度达到设定温度时，向焊接板材底部施加 超 声波 振动，在停止 超声波 振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除。所述柔性加热板的设定温度为150℃‑180℃；所述超声波振动 频率 为20KHz，振幅为0.2mm‑0.8mm，振动时间为3min‑8min，施加的超声波功率根据焊接板材大小而定，保证焊接板材的 焊缝 区域、熔合区域及热影响区域超声波的单位面积功率为0.09W/mm2‑0.45W/mm2。该残余应力消除方法采用低温加热与超声振动复合，在低温下即实现了残余应力的消除，能耗低，效率高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高效消除焊接板材残余应力的方法，其特征在于：所述焊接板材为316L不锈钢焊接板材，消除残余应力的方法是：将柔性加热板覆盖在焊接板材上，保证覆盖面积包括全部的焊缝区域、熔合区域和热影响区域，柔性加热板升温至设定温度并保温，通过温度传感器监测焊接板材的温度，当焊接板材下表面的温度达到柔性加热板的设定温度时，向焊接板材底部施加超声波振动，在停止超声波振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除； |
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| 说明书全文 | 一种高效消除焊接板材残余应力的方法技术领域背景技术[0002] 残余应力是指工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残余应力。残余应力一般是有害的，但不会立即表现为缺陷，只有当工件在工作中由于工作应力与内部残余应力的相互叠加，使总应力超过强度极限时，便会出现裂纹和断裂等缺陷。 [0003] 316L不锈钢属于奥氏体不锈钢，总性能优于304和310不锈钢，具有良好的耐氯化物腐蚀性能，广泛应用于钟表工业、热交换器、管道、食品及化工工业。焊接后会产生大量残余应力，通常采用温度高于500℃的热处理法消除，虽然有效，但是需要加热到较高温度，能耗高，且生产的周期长，耗时耗力。 发明内容[0004] 本发明的发明目的是提供一种高效消除焊接板材残余应力的方法。该残余应力消除方法采用低温加热与超声振动复合，通过精准配合加热温度，超声振动施加时间、超声振动参数及超声振动时间等，在低温下即实现了残余应力的消除，能耗低，效率高。 [0005] 本发明实现其发明目的首先提供一种高效消除焊接板材残余应力的方法，所述焊接板材为316L不锈钢焊接板材，消除残余应力的方法是：将柔性加热板覆盖在焊接板材上，保证覆盖面积包括全部的焊缝区域、熔合区域和热影响区域，柔性加热板升温至设定温度并保温，通过温度传感器监测焊接板材的温度，当焊接板材下表面的温度达到柔性加热板的设定温度时，向焊接板材底部施加超声波振动，在停止超声波振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除； [0006] 所述柔性加热板的设定温度为150℃‑180℃； [0007] 所述超声波振动频率为20KHz，振幅为0.2mm‑0.8mm，振动时间为3min‑8min，施加的超声波功率根据焊接板材大小而定，保证焊接板材的焊缝区域、熔合区域及热影响区域2 2 超声波的单位面积功率为0.09W/mm‑0.45W/mm。 [0008] 本发明的原理及有益效果是：本发明通过柔性加热板均匀加热焊接板材焊缝的焊缝区域、熔合区和热影响区域至150℃‑180℃，使得焊接板材的焊接区域产生热应力，焊接板材内的热应力与残余应力相叠加，促进材料发生微观塑性变形。此时，在保温的同时向焊接板材底部施加频率为20KHz，振幅为0.2mm‑0.8mm的超声振动，在高频振动的配合下，伴随2 2 着位错的运动，位错密度增加，保证焊接区域单位面积0.09W/mm‑0.45W/mm的超声功率，超声振动3min‑8min后，可使得板材的残余应力得到充分松弛释放。本发明消除残余应力的方法中所用热处理温度远低于现有技术中的焊后热处理，在低温下即实现了焊接板材残余应力的消除，节省能源，加工效率高。 [0009] 进一步，本发明所述消除焊接板材残余应力的方法适用于厚度为1mm‑20mm的焊接板材。 [0010] 进一步，本发明所述柔性加热板的升温速率为5℃/min‑10℃/min。 [0011] 进一步，本发明方法所述柔性加热板的设定温度为170℃。 [0012] 进一步，本发明方法所述向焊接板材底部施加超声波振动，保证焊接板材的焊缝2 2 区域、熔合区域及热影响区域超声波的单位面积功率为0.182W/mm‑0.273W/mm。 [0013] 更进一步，本发明方法所述向焊接板材底部施加超声波振动，超声波振动振幅为0.6mm，振动时间为5min。 [0014] 本发明实现其发明目的还提供了一种上述高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置，包括试验台、夹紧装置、加热装置和超声装置，所述试验台中部镂空，供超声波装置从焊接板材底部向其施加超声波；所述夹紧装置用于夹紧焊接板材，所述加热装置包括加热焊接板材的柔性加热板和监测焊接板材温度的温度传感器。 [0016] 进一步，本发明装置所述超声装置包括超声波激发源和超声波阵子，超声波阵子与焊接板材的接触面积为110mm*20mm。 附图说明[0018] 图1为本发明实施例1高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置整体结构示意图。 [0019] 图2为本发明实施例1残余应力消除方法的纵向残余应力调控效果图。 [0020] 图3为本发明实施例1残余应力消除方法的横向残余应力调控效果图。 具体实施方式[0021] 实施例1 [0022] 一种高效消除焊接板材残余应力的方法，所述焊接板材为厚度为6mm的316L不锈钢焊接板材，消除残余应力的方法是：将柔性加热板覆盖在焊接板材上，保证覆盖面积包括全部的焊缝区域、熔合区域和热影响区域，柔性加热板升温至设定温度并保温，通过温度传感器监测焊接板材的温度，当焊接板材下表面的温度达到柔性加热板的设定温度时，向焊接板材底部施加超声波振动，在停止超声波振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除； [0023] 所述柔性加热板的设定温度为170℃；柔性加热板的升温速率为6℃/min； [0024] 所述超声波振动频率为20KHz，振幅为0.6mm，振动时间为5min，施加的超声波功率根据焊接板材大小而定，保证焊接板材的焊缝区域、熔合区域及热影响区域超声波的单位2 面积功率为0.273W/mm。 [0025] 一种高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置，包括试验台、夹紧装置、加热装置和超声装置，其结构特点是：所述试验台中部镂空，供超声波装置从焊接板材底部向其施加超声波；所述夹紧装置用于夹紧焊接板材，所述加热装置包括加热焊接板材的柔性加热板和监测焊接板材温度的温度传感器。 [0026] 本装置中所述柔性加热板外部绝缘层为硅橡胶复合玻纤基材。 [0027] 本装置中所述超声装置包括超声波激发源和超声波阵子，超声波阵子与焊接板材的接触面积为110mm*20mm。 [0028] 图1为本例上述高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置整体结构示意图。图中1为焊接板材、2为柔性加热板，3为超声装置的超声波阵子，4为试验台，5为试验台上固定焊接板材的夹紧装置，6为支撑超声波阵子的支撑台，图中省略了超声波激发源和温度传感器，夹紧装置可采用各种现有技术的夹紧方法，只要保证焊接板材被固定在试验台上即可。 [0029] 使用日本Pulstec公司生产的X射线残余应力分析仪μ‑X360s测量经过本实施例处理前后焊接板材的残余应力，效果如图2和图3所示，图2本实施例残余应力消除方法的纵向残余应力调控效果图。通过图2可以看出，焊接完成后，在焊缝附近存在纵向残余拉应力(调控前曲线)，经过本实施例残余应力消除方法消除残余应力后(调控后曲线)，纵向残余拉应力全部消除，并且转为压应力。最为明显的是，焊缝左边5mm处的纵向残余应力从68.5MPa降为‑123.5MPa，下降率高达280.29％，效果极佳。经过多次实验证明，最高峰值纵向残余应力释放量达到359MPa，平均释放量约为100MPa，效果明显，具有很大应用价值。图3本实施例残余应力消除方法的横向残余应力调控效果图。由图3可以看出，横向残余应力本身均为压应力，经过调控后，压应力增大，更有助于提高疲劳强度，增加材料使用寿命。 [0030] 实施例2 [0031] 一种高效消除焊接板材残余应力的方法，所述焊接板材为厚度为1mm的316L不锈钢焊接板材，消除残余应力的方法是：将柔性加热板覆盖在焊接板材上，保证覆盖面积包括全部的焊缝区域、熔合区域和热影响区域，柔性加热板升温至设定温度并保温，通过温度传感器监测焊接板材的温度，当焊接板材下表面的温度达到柔性加热板的设定温度时，向焊接板材底部施加超声波振动，在停止超声波振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除； [0032] 所述柔性加热板的设定温度为150℃；柔性加热板的升温速率为5℃/min； [0033] 所述超声波振动频率为20KHz，振幅为0.2mm，振动时间为8min，施加的超声波功率根据焊接板材大小而定，保证焊接板材的焊缝区域、熔合区域及热影响区域超声波的单位2 面积功率为0.182W/mm。 [0034] 本实施例高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置与实施例1相同。 [0035] 实施例3 [0036] 一种高效消除焊接板材残余应力的方法，所述焊接板材为厚度为20mm的316L不锈钢焊接板材，消除残余应力的方法是：将柔性加热板覆盖在焊接板材上，保证覆盖面积包括全部的焊缝区域、熔合区域和热影响区域，柔性加热板升温至设定温度并保温，通过温度传感器监测焊接板材的温度，当焊接板材下表面的温度达到柔性加热板的设定温度时，向焊接板材底部施加超声波振动，在停止超声波振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除； [0037] 所述柔性加热板的设定温度为180℃；柔性加热板的升温速率为10℃/min； [0038] 所述超声波振动频率为20KHz，振幅为0.8mm，振动时间为3min，施加的超声波功率根据焊接板材大小而定，保证焊接板材的焊缝区域、熔合区域及热影响区域超声波的单位2 面积功率为0.09W/mm。 [0039] 本实施例高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置与实施例1相同。 [0040] 实施例4 [0041] 一种高效消除焊接板材残余应力的方法，所述焊接板材为厚度为10mm的316L不锈钢焊接板材，消除残余应力的方法是：将柔性加热板覆盖在焊接板材上，保证覆盖面积包括全部的焊缝区域、熔合区域和热影响区域，柔性加热板升温至设定温度并保温，通过温度传感器监测焊接板材的温度，当焊接板材下表面的温度达到柔性加热板的设定温度时，向焊接板材底部施加超声波振动，在停止超声波振动的同时停止加热，将焊接板材置于空气中冷却至室温，即完成残余应力消除； [0042] 所述柔性加热板的设定温度为160℃；柔性加热板的升温速率为7℃/min； [0043] 所述超声波振动频率为20KHz，振幅为0.5mm，振动时间为6min，施加的超声波功率根据焊接板材大小而定，保证焊接板材的焊缝区域、熔合区域及热影响区域超声波的单位2 面积功率为0.45W/mm。 [0044] 本实施例高效消除焊接板材残余应力方法的实现装置与实施例1相同。 |
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