一种厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法

摘要

本发明公开了一种厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法，包括以下步骤：1)在两个待焊板材上加工坡口，其中，坡口的底部为打底焊道，打底焊道的厚度为t2，两个待焊板材的厚度为t1；2)对两个待焊板材的待焊区域表面进行打磨，再浸入到丙酮中进行超声清洗，然后吹干备用；3)将两个待焊板材通过夹具进行加持；4)通过送丝机及焊接器沿两个待焊板材厚度方向自下到上进行堆积焊，实现焊缝沿厚度方向的垂直生长，直至整个接头均填充完毕为止，完成厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制，该方法能够大幅减小焊接后的变形，降低构件的残余应力。

权利要求

1.一种厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在两个待焊板材上加工坡口，其中，坡口的底部为打底焊道，打底焊道的厚度为t2，两个待焊板材的厚度为t1；

2)对两个待焊板材的待焊区域表面进行打磨，再浸入到丙酮中进行超声清洗，然后吹干备用；

3)将两个待焊板材通过夹具进行加持；

4)通过送丝机及焊接机器沿两个待焊板材厚度方向自下到上进行堆积焊，实现焊缝沿厚度方向的垂直生长，重复进行自下到上的堆积焊，直至整个接头均填充完毕为止，完成厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制；

待焊板材的厚度小于焊缝的长度；

坡口形状为U型；

待焊板材的材质为高强钢；

填丝熔焊方法为激光填丝焊。

说明书

一种厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，涉及一种厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法。

背景技术

[0002] 厚板的焊接是石油化工，航天航空及军工等领域中的大型设备建造过程中必不可少的关键工艺。这些设施部件的厚度一般都在20mm以上，并且结构尺寸大，只能通过分段加工后连接成型。近年来，多道熔化填丝焊在厚板焊接中的应用受到广泛关注。厚板多道熔化填丝焊具有高质量，高效率和高精度的优点。目前关于厚板多道熔化填丝焊的研究大部分都集中在焊接参数优化以减少气孔，裂纹，侧边未熔合等焊接缺陷。但是，焊后变形大，接头残余应力高是厚板多道熔化填丝焊的主要问题。焊接接头中的残余应力对工件的完整性不利，增加工件的脆性破坏倾向、并降低工件强度和疲劳寿命，大大降低工件的服役性能。比如，某型号发动机采用D406A超高强钢作为其壳体材料，目前主要采用TIG焊接工艺，焊接加工过程中，含大尺寸马鞍形焊缝的超高强钢固体发动机壳体的残余变形倾向较大，并且变形规律复杂、焊后难以矫形，容易导致尺寸超差甚至产品报废。精准预测并降低焊接残余应力和变形对于获得高质量的构件十分重要，一些研究中采用有限元计算的方法得到了预测接头角变形的数值模型，但是目前还没有提出控制焊后变形和残余应力的方法。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法，该方法能够大幅减小焊接后的变形，降低构件的残余应力。

[0004] 为达到上述目的，本发明所述的厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法包括以下步骤：

[0005] 1)在两个待焊板材上加工坡口，其中，坡口的底部为打底焊道，打底焊道的厚度为t2，两个待焊板材的厚度为t1；

[0006] 2)对两个待焊板材的待焊区域表面进行打磨，再浸入到丙酮中进行超声清洗，然后吹干备用；

[0007] 3)将两个待焊板材通过夹具进行加持；

[0008] 4)通过送丝机及焊接机器沿两个待焊板材厚度方向自下到上进行堆积焊，实现焊缝沿厚度方向的垂直生长，直至整个接头均填充完毕为止，完成厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制。

[0009] 待焊板材的厚度小于焊缝的长度。

[0010] 坡口为U型坡口、Y型坡口或者V型坡口。

[0011] 待焊板材的材质为碳钢、不锈钢、高强钢、铝合金或钛合金。

[0012] 填丝熔焊方法为激光填丝焊、激光电弧复合焊、电子束填丝焊、等离子束填丝焊、填丝氩弧焊或手工焊条电弧焊。

[0013] 本发明具有以下有益效果：

[0014] 本发明所述的厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法在具体操作时，通过送丝机及焊接器沿两个待焊板材厚度方向自下到上进行堆积焊，实现焊缝沿厚度方向的垂直生长，以降低接头的残余应力及变形，操作方便、简单。

附图说明

[0015] 图1a为常规平铺式焊接顺序示意图；

[0016] 图1b为本发明焊接顺序示意图；

[0017] 图2为实施例一的操作流程图；

[0018] 图3为实施例一中钢板坡口的尺寸示意图；

[0019] 图4为实施例一中焊接顺序对接头残余变形的影响图；

[0020] 图5为实施例一中焊接顺序对接头角变形量的影响图；

[0021] 图6为本发明实施例一中焊接顺序对接头残余应力的影响图；

[0022] 图7a为本发明实施例二中横截面网格划分图；

[0023] 图7b为实施例二中焊接顺序的示意图；

[0024] 图7c为实施例二中修复位置的示意图；

[0025] 图8a为本发明实施例二中常规平铺式焊接的焊接顺序对残余应力分布的影响；

[0026] 图8b本发明实施例二中本发明的焊接顺序对残余应力分布的影响。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0028] 本发明所述的厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制方法包括以下步骤：

[0029] 1)在两个待焊板材上加工坡口，其中，坡口的底部为打底焊道，打底焊道的厚度为t2，两个待焊板材的厚度为t1；

[0030] 2)对两个待焊板材的待焊区域表面进行打磨，再浸入到丙酮中进行超声清洗，然后吹干备用；

[0031] 3)将两个待焊板材通过夹具进行加持；

[0032] 4)通过送丝机及焊接机器沿两个待焊板材厚度方向自下到上进行堆积焊，实现焊缝沿厚度方向的垂直生长，直至整个接头均填充完毕为止，完成厚板单面填充焊接接头残余应力变形控制。

[0033] 待焊板材的厚度小于焊缝的长度；坡口为U型坡口、Y型坡口或者V型坡口；待焊板材的材质为碳钢、不锈钢、高强钢、铝合金或钛合金；熔焊方法可以为激光填丝焊、激光电弧复合焊、电子束填丝焊、等离子束填丝焊、填丝氩弧焊或手工焊条电弧焊等。

[0034] 实施例一

[0035] 以20mm厚、90mm长D406A高强钢板多道激光填丝焊为例。本实施例中涉及常规平铺式(焊缝水平生长)和阶梯式(本发明)两种焊接顺序，如图1a及图1b所示。本实施例通过试验和计算相结合的方法说明采用焊缝垂直生长焊接顺序对减小厚板熔化填丝焊接头的残余应力和变形的影响，具体流程如图2所示。

[0036] 首先采用常规焊接顺序在20mm厚D406A高强钢板上进行多道激光填丝焊，测量接头残余应力和变形，主要步骤如为：针对厚度为20mm的板材预先加工出小尺寸的坡口，坡口形状如图3所示，底部留有厚度为2mm的打底焊道；用砂纸对工件待焊区域表面进行打磨，擦去表面的金属微粒及灰尘，然后将工件待焊区域浸于丙酮中进行超声清洗，至此工件待焊区域表面氧化膜等杂质去除完毕，将工件吹干备用；将工件装配就位准备焊接；启动送丝机及激光焊机，沿水平方向由下往上逐层填充焊道，直到整个接头均填充完毕。最终实现多道平铺式填丝焊接，再测量接头角变形。

[0037] 根据试验得到的接头的横截面在ANSYS中建立二维平面应变热弹塑性有限元模型，计算采用常规式焊接顺序进行20mm厚D406A超高强钢激光填丝焊接时的残余变形。

[0038] 对比熔化区尺寸和残余变形的计算结果及试验结果，结果表明熔化区尺寸吻合良好，厚度方向的变形量的相对误差约为6.43％。说明试验结果和计算结果在误差范围内吻合良好，也就是说可以用该有限元模型对采用阶梯式焊接顺序进行焊接得到的接头的残余应力和变形进行模拟计算。

[0039] 参考图4，采用阶梯式(焊缝垂直生长)的顺序焊接时，工件总变形量相比一般的常规平铺式焊接明显减小，参考图5，常规平铺式焊接和阶梯式(焊缝垂直生长)焊接的最大角变形量分别为1.55mm和0.15mm，采用阶梯式(焊缝垂直生长)的顺序焊接时接头的最大角变形量为平铺式焊接的9.7％，采用阶梯式(焊缝垂直生长)的顺序焊接可以显著降低焊接变形，参考图6。常规接头的等效应力最大值均为1419.65MPa，从试板中心纵截面上的应力分布可知，常规平铺式接头层间存在较高的残余应力，最大层间应力值约为1419.65MPa，而采用阶梯式(焊缝垂直生长)顺序的接头最大残余应力值降低至1026.79MPa和1144.52MPa，比常规平铺式分别减小了约392.86MPa和275.13MPa。总结来说，对于20mm厚D406A超高强钢激光填丝焊接头，采用阶梯式(焊缝垂直生长)焊接顺序，可以显著降低焊接残余变形和应力。

[0040] 实施例二

[0041] 以OD1219×18.4mm规格X80管体对接环焊缝修复为例，修复焊区域深度为12mm，宽度为15mm，长度为200mm。本实施例中涉及常规平铺式(焊缝水平生长)和阶梯式(焊缝垂直生长)两种焊接顺序对X80管体根焊位置进行修复，使用ANSYS有限元软件，间接耦合的方式完成热-结构分析，分别得到普通平铺式焊接顺序和本发明的应力场，从图8a及图8b可以看到，采用基于焊缝垂直生长的阶梯式焊接顺序对X80管环焊缝进行修复，使焊缝垂直生长，焊后焊缝的最大等效应力减小约49MPa，最大轴向应力减小约96MPa，且高应力区的区域面积大幅减小。