一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法
2023-04-25 01:11:21 1
一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法
【專利摘要】一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法，將金屬球殼放入壓力筒內並對壓力筒實施密封，向壓力筒內注滿水，通過壓力泵並以1～5MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓3～10min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於設計工作壓力pw為止，之後以1～5MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓3～10min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第一次pw的增壓加載和減壓卸載過程；同理完成第二次消除殘餘應力的壓力P的增壓加載和減壓卸載過程，液壓消應方法所用的設備簡單，方法操作容易，成本較低，省時省力，可與焊接構件最終的壓力試驗驗收一起進行。
【專利說明】一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於應力消除【技術領域】，尤其涉及到一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法。
【背景技術】
[0002]結合圖1，金屬球殼比如鈦及鈦合金球殼由上半球殼和下半球殼通過赤道焊縫被組焊為整體，上半球殼和下半球殼通過衝壓製備，經精加工後通過赤道線將上半球殼和下半球殼組焊在一起，焊接過程中由於不均勻加熱的溫度梯度造成赤道焊接區冷卻收縮而產生熱應力，同時在冷卻過程中組織的轉變引起的體積變化造成了組織應力，由於赤道焊接區體積變化受阻，即使溫度回到原始的均勻狀態以後，其內應力仍然殘留在結構中，因而產生赤道焊縫殘餘應力，該赤道焊縫殘餘應力的存在會降低赤道焊接區的金屬塑性和抗疲勞強度，對鈦及鈦合金球的性能影響較大。
[0003]消除赤道焊縫殘餘應力的方法常用的有熱處理、振動時效、超聲衝擊、機械錘擊等，但均存在一定的局限性:
[0004]一、熱處理消應屬熱加工過程，由於鈦及鈦合金彈性模量較低約為鋼的1/2，所以鈦及鈦合金焊接件易受熱變形，精加工後受尺寸精度限制很難採用熱處理消應；
[0005]二、超聲衝擊消應厚度小，必須在焊後的每一道次都進行，焊接效率較低；
[0006]三、錘擊消應在工藝上較難控制，而且構件表面質量較差，噪音大，精加工後焊接的構件受表面質量要求，不宜採用。另外該方法消應厚度小，須在焊後的每一道次都進行，焊接效率較低；
[0007] 四、振動時效消應可將焊接殘餘應力均勻化，並將應力峰值轉移至熱影響區，但整體應力消除能力有限。
【發明內容】
[0008]為解決上述問題，本發明提供了一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法，該方法可以省時、省力的有效消除金屬球殼尤其是鈦及鈦合金球殼赤道焊縫的殘餘應力，方法簡單有效，適用於承受外壓且由金屬製作的潛水器類檢驗。
[0009]為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案:
[0010]一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法，金屬球殼由體積相等的上半球殼和下半球殼通過赤道焊縫組焊而成，所述赤道焊縫的殘餘應力0!￡通過盲孔法測出；該液壓消應方法使用到大於金屬球殼直徑的壓力筒，壓力筒內使用的試驗介質為水，水壓通過壓力泵向壓力筒內實施增壓或是減壓，壓力值通過壓力表來檢測，給定技術球殼的設計工作壓力為Pw，則金屬球殼赤道焊縫能夠消除殘餘應力的壓力P設定範圍是:L Ipw ( P
<1.5pw，如果所述赤道焊縫在1.1pwS P < 1.5pwT進行液壓消應，表明所述赤道焊縫的殘餘應力能夠得到有效消除，反之所述赤道焊縫的殘餘應力沒有得到有效消除，本發明的特徵是:[0011]將金屬球殼放入壓力筒內並對壓力筒實施密封，向壓力筒內注滿水，通過壓力泵並以I~5MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓3~lOmin，依此類推直至壓力筒內的壓力等於pw為止；之後以I~5MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓3~lOmin，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第一次pw的增壓加載和減壓卸載過程；
[0012]當第一次pw的增壓加載和減壓卸載過程完成後，以1.1pwS P < 1.5pw為目標值並以I~5MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓3~IOmin,依此類推直至壓力筒內的壓力等於P為止；之後以I~5MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓3~lOmin，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第二次P的增壓加載和減壓卸載過程；
[0013]當第二次P的增壓加載和減壓卸載過程完成後，將金屬球殼從壓力筒內取出，通過盲孔法測出所述赤道焊縫的殘餘應力為σ，σ < σχ。和
[0014]所述殘餘應力σ或為赤道焊縫的最大殘餘應力，或為赤道焊縫中心的殘餘應力，或為赤道焊縫熱影響區的殘餘應力。
[0015]由於採用如上所述技術方案，本發明產生如下積極效果:
[0016]1.液壓消應方法可以在精加工後焊接的焊接構件上實施，避免了熱處理消應、錘擊消應等方法對精加工後焊接構件的尺寸精度、表面質量的影響。
[0017]2.液壓 消應方法僅在焊縫全部焊完後實施，焊接過程中則不需要消應，大大提高了焊接效率。
[0018]3.液壓消應方法整體消應效果好，對焊縫中心、熔合線、熱影響區等區域部位均有明顯的消應效果。
[0019]4.液壓消應方法所用的設備簡單，方法操作簡單，成本較低，省時省力，可以與焊接構件最終的壓力試驗驗收一起進行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是金屬球殼的焊接結構示意簡圖。
[0021]圖2是液壓消應前後的殘餘應力分布曲線。
[0022]圖1中:1-上半球殼；2_赤道焊縫；3_下半球殼。
【具體實施方式】
[0023]通過下面的實施例可以更詳細的解釋本發明，本發明並不局限於鈦及鈦合金球殼，更適用於其它金屬球殼，公開本發明的目的旨在保護本發明範圍內的一切變化和改進。
[0024]如Ti80鈦合金球殼，該球殼內徑為Φ300πιπι、厚度為8mm，球殼由上半球殼和下半球殼精加工後圍繞赤道環縫焊接而成，如圖1所示。
[0025]通過盲孔法測出該球殼赤道焊縫的殘餘應力σ x分布如下:
[0026]1、赤道焊縫的最大殘餘應力σ χ1 = 314.9MPa ；
[0027]2、赤道焊縫中心的殘餘應力σχ2 = 272.8MPa ；
[0028]3、赤道焊縫熱影響區的殘餘應力σ χ3 = 246.3MPa。
[0029]給定該球殼的設計工作壓力為pw = 51.3MPa，按安全係數1.5計能夠消除該球殼赤道焊縫殘餘應力的壓力P設定範圍是:1.15pw≤P < 1.5pw，選取目標值P = 1.34pw進行液壓消應試驗。
[0030]將該球殼放入壓力筒內並對壓力筒實施密封，向壓力筒內注滿水，通過壓力泵並以4MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓5min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於Pw = 51.3MPa為止；之後以4MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓5min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第一次pw的增壓加載和減壓卸載過程。
[0031]當第一次？￥的增力加載和減力卸載過程完成後，以P = 1.34pw為目標值並以4MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓5min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於P為止；之後以4MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓5min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第二次P的增壓加載和減壓卸載過程。
[0032]當第二次P的增壓加載和減壓卸載過程完成後，將鈦及鈦合金球殼從壓力筒內取出，通過盲孔法測出所述赤道焊縫的殘餘應力為σ i = 176.4MPa，σ i < σ xl下降44% ; σ 2=115.0MPa, σ 2 < σ χ2 下降 57.8% ; σ 3 = 77.0MPa, σ 3 < σ χ3 下降 68.7%。
[0033]結合圖2，橫向坐標的「 5 」為赤道焊縫的最大殘餘應位置，橫向坐標的「 O 」為赤道焊縫中心的殘餘應力位置，橫向坐標的「10」為赤道焊縫熱影響區的殘餘應力位置，其它橫向坐標為母材位置,縱向坐標為殘餘應力值。
[0034]以上可見，通過本發明的液壓消應方法，Τ?80鈦合金Φ300mm球殼在赤道焊縫殘餘應力的液壓消應效果非常明顯。
【權利要求】
1.一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法，金屬球殼由體積相等的上半球殼和下半球殼通過赤道焊縫組焊而成，所述赤道焊縫的殘餘應力0!￡通過盲孔法測出；該液壓消應方法使用到大於金屬球殼直徑的壓力筒，壓力筒內使用的試驗介質為水，水壓通過壓力泵向壓力筒內實施增壓或是減壓，壓力值通過壓力表來檢測，給定技術球殼的設計工作壓力為Pw，則金屬球殼赤道焊縫能夠消除殘餘應力的壓力P設定範圍是:L Ipw ( P<1.5pw，如果所述赤道焊縫在1.1pwS P < 1.5pwT進行液壓消應，表明所述赤道焊縫的殘餘應力能夠得到有效消除，反之所述赤道焊縫的殘餘應力沒有得到有效消除，其特徵是: 將金屬球殼放入壓力筒內並對壓力筒實施密封，向壓力筒內注滿水，通過壓力泵並以1~5MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓3~10min，依此類推直至壓力筒內的壓力等於pw為止；之後以I~5MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓3~lOmin，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第一次pw的增壓加載和減壓卸載過程； 當第一次Pw的增壓加載和減壓卸載過程完成後，以1.1pw < P < 1.5pw為目標值並以I~5MPa為一個壓力升高區段向壓力筒內增壓，每增壓一個壓力升高區段後要保壓3~IOmin,依此類推直至壓力筒內的壓力等於P為止；之後以I~5MPa為一個壓力降低區段向壓力筒內減壓，每減壓一個壓力降低區段後要保壓3~lOmin，依此類推直至壓力筒內的壓力等於0，完成第二次P的增壓加載和減壓卸載過程； 當第二次P的增壓加載和減壓卸載過程完成後，將金屬球殼從壓力筒內取出，通過盲孔法測出所述赤道焊縫的殘餘應力為σ，σ < σχ。
2.根據權利要求1所述一種消除金屬球殼赤道焊縫殘餘應力的液壓消應方法，其特徵是:所述殘餘應力σ或為赤道焊縫的最大殘餘應力，或為赤道焊縫中心的殘餘應力，或為赤道焊縫熱影響區的殘餘應力。
【文檔編號】B23K37/00GK104014951SQ201410211767
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】呂逸帆, 劉希林, 馮凱傑 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所