金属薄壁管类构件残余应调控装置及方法

申请号 CN202311602590.0 申请日 2023-11-28 公开(公告)号 CN117467836A 公开(公告)日 2024-01-30
申请人 北京理工大学; 上海新力动力设备研究所; 发明人 徐春广; 赵文政; 王学峰; 陆韡; 夏灵; 朱立坚;
摘要 本 申请 提供一种金属薄壁管类构件残余应 力 调控装置,其具体结构包括: 支撑 架,其上设置有滑轨;多个环形机构,分别平行的滑动连接在所述滑轨上,所述环形机构上开有多个通孔;多个超声激励调控装置,分别安装在多个所述通孔中。上述金属薄壁管类构件残余 应力 调控装置能够降低金属薄壁管类构件上 焊缝 处的应力,以实现金属薄壁管类构件的低应力 焊接 。本申请还提供一种金属薄壁管类构件残余应力调控方法,用于降低金属薄壁管类构件上焊缝处的应力。
权利要求

1.一种金属薄壁管类构件残余应调控装置,其特征在于,包括:
支撑架,其上设置有滑轨;
多个环形机构,分别平行的滑动连接在所述滑轨上,所述环形机构上开有多个通孔;
多个超声激励调控装置,分别安装在多个所述通孔中。
2.根据权利要求1所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,所述环形机构包括:
固定架,所述固定架的两端分别向上延伸出对称的延伸部;
合页式固定环,所述合页式固定环包括上半圆环以及下半圆环,所述下半圆环与所述上半圆环的一端铰接,其中,下半圆环的两端分别固定设置在两个所述延伸部上,所述下半圆环与所述上半圆环侧壁上开有所述多个通孔;
滑动连接槽,设置在所述固定架底侧,所述滑动连接槽与所述滑轨相配合实现所述滑动连接。
3.根据权利要求2所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,所述下半圆环与所述上半圆环的另一端分别设置有卡扣和卡槽,所述卡扣与所述卡槽相配合,用于限位所述下半圆环与所述上半圆环。
4.根据权利要求3所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,所述超声激励调控装置包括:
超声激励器,其一端为连接端,其另一端为握持端,所述超声激励器以所述连接端向内所述握持端向外的方式伸入所述通孔中并固定;
调控楔,固定连接在所述连接端。
5.根据权利要求4所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,所述调控楔块上装配有法兰,所述法兰与所述通孔相配合;所述法兰通过螺栓固定在通孔处,从而将所述调控楔块固定在所述通孔中。
6.根据权利要求4所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,还包括超声激励器控制器,所述超声激励器控制器与多个所述超声激励器电连接,所述超声激励器控制器用于控制多个所述超声激励调控装置上的所述超声激励器。
7.根据权利要求5所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,所述螺栓上设置有压缩弹簧
8.根据权利要求4所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置,其特征在于,所述调控楔块压紧于靠近金属薄壁管类构件上焊缝的待调控区域处,所述调控楔块与金属薄壁管类构件的接触面上涂抹有耦合剂;
所述超声激励器与所述调控楔块的接触面处涂抹有耦合剂。
9.一种金属薄壁管类构件低应力焊接调控方法,其特征在于,使用如权利要求1‑8任一项所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置对金属薄壁管类构件进行应力调控,具体包括以下步骤:
根据金属薄壁管类构件的尺寸选定所述调控楔块的尺寸/种类,并安装在所述超声激励器的连接端上;
将多个所述超声激励调控装置分别组装进所述通孔中;
将多个所述合页式固定环的所述上半圆环打开,将金属薄壁管类构件伸入每个所述合页式固定环中,并固定金属薄壁管类构件,然后将所述上半圆环与所述下半圆环闭合;
推动环形机构,使其通过滑轨移动至金属薄壁管类构件的焊缝处,从而使所述超声激励调控装置到达需要应力调控的位置
对所述超声激励调控装置的位置进行微调,使所述调控楔块与金属薄壁管类构件的表面耦合;
根据金属薄壁管类构件上焊缝处的残余应力分布,设置所述超声激励调控装置的参数;
向焊缝应力集中区域处注入高能声波,实现对金属薄壁管类构件焊缝残余应力的若干轮消减与均化,直至满足残余应力要求;
待残余应力调控作业结束后,将所述上半圆环打开,将金属薄壁管类构件从所述合页式固定环中取出。
10.根据权利要求9所述的金属薄壁管类构件低应力焊接调控方法,其特征在于,所述超声激励调控装置的参数包括:超声波振幅以及波形

说明书全文

金属薄壁管类构件残余应调控装置及方法

技术领域

[0001] 本申请涉及焊接残余应力调控技术领域,特别涉及一种金属薄壁管类构件残余应力调控装置以及一种金属薄壁管类构件残余应力调控方法。

背景技术

[0002] 焊接作为一种机械加工领域常见的加工方式具有广泛的应用,然而,由于金属管道焊接后不可避免的产生不均匀分布的残余应力场,应力集中会导致焊缝变形甚至开裂,会严重影响构件后续使用过程中的稳定性、力学性能和寿命。传统的调控残余应力方法有自然时效、热处理、机械冲击等方法,自然时效法耗时长、占用大量场地、调控效果不可控,热处理法能耗高、污染严重、难以处理大型管道构件,机械冲击法易造成管道构件表面损伤。传统方法如今已不再适用,利用高能声波调控残余应力的方法在多个领域中逐渐得到验证,该方法具有耗时短、能耗低、不造成构件损伤等优点,适用于管道焊接残余应力消减与均化。利用高能超声波调控残余应力方法的关键在于夹持高能超声激励器和调控楔通过耦合介质紧密耦合于管道焊缝残余应力集中区域,将高能超声波按照设定要求注入到焊接残余应力集中区域,利用高能超声波在构件内产生的弹性波能量消减和均化管道焊接产生的残余应力。发明内容
[0003] 有鉴于此,本申请提供一种金属薄壁管类构件残余应力调控装置,用于调控金属薄壁管类构件上焊缝处的应力,其具体结构包括:支撑架,其上设置有滑轨;多个环形机构,分别平行的滑动连接在所述滑轨上,所述环形机构上开有多个通孔;多个超声激励调控装置,分别安装在多个所述通孔中。
[0004] 采用上述具体结构,环形机构在支撑架上滑动,带动多个超声激励调控装置移动至金属薄壁管类构件上焊缝处的应力集中区域。通过多个超声激励调控装置对应力集中区域进行超声调控,以实现金属薄壁管类构件的低应力焊接。
[0005] 作为一个可能的实现方式,所述环形机构包括:固定架,所述固定架的两端分别向上延伸出对称的延伸部;合页式固定环,所述合页式固定环包括上半圆环以及下半圆环,所述下半圆环与所述上半圆环的一端铰接,其中,下半圆环的两端分别固定设置在两个所述延伸部上,所述下半圆环与所述上半圆环侧壁上开有所述多个通孔;滑动连接槽,设置在所述固定架底侧,所述滑动连接槽与所述滑轨相配合实现所述滑动连接。
[0006] 采用上述可能的实现方式,上半圆环与下半圆环铰接成合页式固定环,上半圆环打开后,金属薄壁管类构件能够移动至超声调控位置
[0007] 作为一个可能的实现方式,所述下半圆环与所述上半圆环的另一端分别设置有卡扣和卡槽,所述卡扣与所述卡槽相配合,用于限位所述下半圆环与所述上半圆环。
[0008] 作为一个可能的实现方式,所述超声激励调控装置包括:超声激励器,其一端为连接端,其另一端为握持端,所述超声激励器以所述连接端向内所述握持端向外的方式伸入所述通孔中并固定;调控楔块,固定连接在所述连接端。
[0009] 作为一个可能的实现方式,所述通孔处装配有法兰,所述调控楔块上装配有法兰,所述法兰与所述通孔相配合;所述法兰通过螺栓固定在通孔处,从而将所述调控楔块固定在所述通孔中。
[0010] 作为一个可能的实现方式,还包括超声激励器控制器,所述超声激励器控制器与多个所述超声激励器电连接,所述超声激励器控制器用于控制多个所述超声激励调控装置上的所述超声激励器。
[0011] 采用上述可能的实现方式,超声激励器可通过超声激励器控制器调整不同振幅、不同波形、不同入射度等参数以适应不同外径金属薄壁管类构件焊缝残余应力调控。
[0012] 作为一个可能的实现方式,所述螺栓上设置有压缩弹簧
[0013] 采用上述可能的实现方式,压缩弹簧能够将超声激励调控装置以一定预紧力压紧于金属薄壁管类构件焊缝待调控区域。
[0014] 作为一个可能的实现方式,所述调控楔块压紧于靠近金属薄壁管类构件上焊缝的待调控区域处,所述调控楔块与金属薄壁管类构件的接触面上涂抹有耦合剂;所述超声激励器与所述调控楔块的接触面处涂抹有耦合剂。
[0015] 采用上述可能的实现方式,耦合剂能够增加调控楔块与金属薄壁管类构件表面之间,以及调控楔块与超声激励器之间的耦合效果,以减少超声能量的损失。
[0016] 本申请提供一种金属薄壁管类构件低应力焊接调控方法,使用如权利要求1‑8任一项所述的金属薄壁管类构件残余应力调控装置对金属薄壁管类构件进行应力调控,具体包括以下步骤:根据金属薄壁管类构件的尺寸选定所述调控楔块的尺寸/种类,并安装在所述超声激励器的连接端上;将多个所述超声激励调控装置分别组装进所述通孔中;将多个所述合页式固定环的所述上半圆环打开,将金属薄壁管类构件伸入每个所述合页式固定环中,并固定金属薄壁管类构件,然后将所述上半圆环与所述下半圆环闭合;推动环形机构,使其通过滑轨移动至金属薄壁管类构件的焊缝处,从而使所述超声激励调控装置到达需要应力调控的位置;对所述超声激励调控装置的位置进行微调,使所述调控楔块与金属薄壁管类构件的表面耦合;根据金属薄壁管类构件上焊缝处的残余应力分布,设置所述超声激励调控装置的参数;向焊缝应力集中区域处注入高能超声波,实现对金属薄壁管类构件焊缝残余应力的若干轮消减与均化,直至满足残余应力要求;待残余应力调控作业结束后,将所述上半圆环打开,将金属薄壁管类构件从所述合页式固定环中取出。
[0017] 作为一个可能的实现方式,所述超声激励调控装置的参数包括:超声波振幅以及波形。附图说明
[0018] 下面参照附图来进一步说明本申请的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的,一些技术特征并不以实际比例示出,并且一些附图中可能省略了本申请所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征,或是额外示出了对于理解和实现本申请并非必不可少的技术特征,也就是说,附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本申请。另外,在本申请全文中,相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下:
[0019] 图1为本申请实施例涉及金属薄壁管类构件残余应力调控装置的示意图;
[0020] 图2为本申请实施例涉及金属薄壁管类构件残余应力调控装置中环形机构的示意图;
[0021] 图3为本申请实施例涉及金属薄壁管类构件残余应力调控装置中超声激励调控装置的示意图;
[0022] 图4为本申请实施例涉及金属薄壁管类构件残余应力调控装置中支撑架的示意图。
[0023] 附图标记说明:1‑金属薄壁管类构件;100‑环形机构;110‑固定架;111‑延伸部;112‑滑动连接槽;113‑合页式固定环;1131‑上半圆环;1132‑下半圆环;1133‑通孔;200‑超声激励调控装置;210‑超声激励器;220‑调控楔块;230‑法兰;300‑支撑架;310‑滑轨。

具体实施方式

[0024] 下面,参照附图对本申请的具体实施方式进行详细的说明。
[0025] 本申请提供一种金属薄壁管类构件残余应力调控装置,用于调控金属薄壁管类构件1上焊缝处的应力集中区域的残余应力,如图1所示,其包括:支撑架300、多个设置在支撑架300上的环形机构100以及多个设置在环形机构100上的超声激励调控装置。
[0026] 其中,支撑架300上设置有滑轨310,用于使环形机构100在支撑架300上滑动。
[0027] 其中,环形机构100上设置有固定架110,固定架110的两端分别向上延伸出对称的延伸部111。环形机构100上还设置有合页式固定环113,合页式固定环113包括上半圆环1131以及下半圆环1132,下半圆环1132与上半圆环1131的一端铰接。下半圆环1132的两端分别固定设置在两个延伸部111上,下半圆环1132与上半圆环1131侧壁上开有多个通孔
1133。下半圆环1132与上半圆环1131的另一端分别设置有卡扣和卡槽,卡扣与卡槽相配合,用于限位下半圆环1132与上半圆环1131。在固定架110底侧设置有滑动连接槽112,滑动连接槽112与支撑架300上的滑轨310相配合实现滑动连接。
[0028] 其中,多个超声激励调控装置,分别安装在上半圆环1131与下半圆环1132上的通孔1133中。超声激励调控装置由调控楔块220以及超声激励器210组成。超声激励器210,一端为连接端,其另一端为握持端,超声激励器210以连接端向内握持端向外的方式伸入通孔1133中并固定。调控楔块220上装配有法兰230,法兰230的尺寸与通孔1133的尺寸相配合。
法兰230通过螺栓固定在通孔1133处,从而将调控楔块220固定在通孔1133中。调控楔块220与超声激励器210的连接端相连接,从而将超声激励器210固定在合页式固定环113上。
[0029] 其中,金属薄壁管类构件残余应力调控装置还包括超声激励器210控制器,用于控制多个超声激励调控装置上的超声激励器210。超声激励器210通过信号线与超声激励器210控制器相连。超声激励器210的工作参数可调,可同时发射横波和纵波,可以根据金属板材料和壁厚进行不同波形、频率、振幅及相位的残余应力超声调控处理。
[0030] 其中,调控楔块220可设计成不同长度,以适应不同外径的金属薄壁管类构件1。
[0031] 其中,固定法兰230的螺栓上设置有压缩弹簧,压缩弹簧能够为调控楔块220提供一定的预紧力,以使调控楔块220压紧金属薄壁管类构件1的外圆表面,从而提高超声调控效率。
[0032] 其中,超声激励器210的连接端的中心处开有螺纹盲孔,调控楔块220的连接端中心处有与超声激励器210上螺纹盲孔形状匹配的螺纹杆,通过螺纹杆使调控楔块220与超声激励器210紧密连接。超声激励器210与调控楔块220的接触面上涂抹有耦合剂;调控楔块220与金属薄壁管类构件1的外圆表面之间涂抹有耦合剂。金属薄壁管类构件1上的应力集中区域与调控楔块220和超声激励器210通过耦合介质紧密贴合,使高能超声波经过耦合介质输入至焊缝处进行残余应力的消减和均化工作。
[0033] 相应的,本申请还提供一种金属薄壁管类构件残余应力调控方法,其具体步骤包括:
[0034] 步骤1,根据金属薄壁管类构件1的尺寸选定调控楔块220的尺寸/种类,并安装在超声激励器210的连接端上;
[0035] 步骤2,将多个超声激励调控装置分别组装进通孔1133中;
[0036] 步骤3,将多个合页式固定环113的上半圆环1131打开,将金属薄壁管类构件1伸入每个合页式固定环113中,并固定金属薄壁管类构件1,然后将上半圆环1131与下半圆环1132闭合;
[0037] 步骤4,推动环形机构100,使其通过滑轨310移动至金属薄壁管类构件1的焊缝处,从而使超声激励调控装置到达需要应力调控的位置;
[0038] 步骤5,对超声激励调控装置的位置进行微调,使调控楔块220与金属薄壁管类构件1的表面耦合;
[0039] 步骤6,根据金属薄壁管类构件1上焊缝处的残余应力分布,设置超声激励调控装置的参数;
[0040] 步骤7,向焊缝应力集中区域处注入高能超声波,实现对金属薄壁管类构件1上焊缝残余应力的若干轮消减与均化,直至满足残余应力要求;
[0041] 步骤8,待残余应力调控作业结束后,将上半圆环1131打开,将金属薄壁管类构件1从合页式固定环113中取出。
[0042] 通过上述方法,能够通过金属薄壁管类构件残余应力调控装置对金属薄壁管类构件1上焊缝附近的应力集中区域进行残余应力调控,使用高能超声波消减或均化应力集中区域的残余应力。
[0043] 其中,高能超声波消减及均化焊接残余应力是依据材料的弹塑性超声诱导理论和弹性波的粒子属性,已有研究和实践表明,依据弹性波的粒子能量特性,当高能超声波在材料内以质点往复振动的形式传播时,超声波聚焦能量达到一定程度,对材料内晶格或质点间的约束力也会起到消减和耗散作用,从而改变材料内晶格间的残余应力约束状态,从而达到定向和量化消减及均化焊接残余应力的目的。
[0044] 高能超声波具有一定的声束聚焦指向特性,本发明调控方法可同时布置多个所述装置利用多个超声激励器210在一定范围内实现多束高能超声波的聚焦,通过有效调控纵波、横波、表面波和导波等高能超声波的频率、幅度、声束入射方向、以及聚焦区域内的能量,将高能超声波聚焦区域调控在构件材料内的指定位置,以实现在不改变原有材料晶格织构和机械物理特性前提下,达到消减和均化残余应力的目的,同时,防止聚焦区域能量过大(或过调控)而导致的材料性能下降问题。
[0045] 在本申请的全文中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容;它不排除其它的结构要素或步骤。
[0046] 可以理解,本领域技术人员可以将本申请全文中提到的一个或多个实施例中提到的特征,以任何适当的方式与其他实施例中的特征进行组合来实施本申请。
[0047] 注意,上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解,本申请不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明,但是本申请不仅仅限于以上实施例,在不脱离本申请的技术构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,均属于本申请的保护范畴。
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