[发明专利]随焊超声冲击减小或消除焊接变形及残余应力技术

说明书

 一、技术领域

本发明属于材料加工学科中金属材料焊接技术领域。

二、背景技术

焊接是一种局部、不均匀的加热和冷却过程。加热时金属膨胀，受到周围的限制而产生压缩塑性变形；冷却时金属收缩，也受到周围的限制而产生拉伸塑性变形。当金属冷却到恢复弹性以后，其收缩受限将产生拉伸弹性变形，从而产生拉应力，冷却到室温后仍然存在的应力便是残余应力。加热时产生的压缩塑性变形不能被冷却时产生的拉伸塑性变形所完全抵消，多余的压缩塑性变形在冷却过程中保留下来，使冷却后的焊件尺寸缩小而出现收缩变形。可见，产生焊接残余应力和变形的根源是产生了压缩塑性变形。

工件焊后难免会产生焊接变形和残余应力。焊接变形使焊件的形状改变、尺寸精度降低；焊接残余应力则可能引起焊件静载强度、疲劳强度、刚度等的降低，可能导致脆性断裂、疲劳破坏、失稳、应力腐蚀开裂等。因而在焊接结构的生产中，减小或消除焊接变形和残余应力是非常重要的。虽然人们已经探索了多种减小或消除焊接变形和残余应力的方法，但传统方法往往是在焊接完成之后单独进行，以致成本高，效率低；而新近发展起来的方法虽有在焊接过程中进行，却未能针对焊接压缩塑性变形的大小与分布特点而采取措施，以致很难有效地减小或消除焊接变形和残余应力。

近年，焊后超声冲击处理因在减小焊接残余应力、提高焊接结构疲劳寿命方面的显著效果而引起人们的广泛关注。焊后超声冲击处理的原理是：将超声波频率的机械振动在一定压力下传递给焊缝,使以焊缝与母材过渡区(焊趾)为中心的一定区域的焊接接头表面产生一定深度的塑性变形层；有效地改善焊趾的外表形状,使其平滑过渡,降低了焊接接头的应力集中程度；并形成较大数值的表面压应力, 重新调整了焊接残余应力场；同时改善了接头表层的组织；从而使冲击处理后的焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命得以显著提高。

三、发明内容

本发明的思路是：针对焊接压缩塑性变形的大小与分布特点，在焊接正在进行之际，引入大小及范围与多余的焊接压缩塑性变形相当的双向拉伸塑性变形，以抵消多余的焊接压缩塑性变形，从而从根源上实时消除焊接变形和残余应力。本发明的原理是：在焊接正在进行之时，采用超声波频率的机械振动在一定压力下冲击焊接熔池后方一定距离的焊缝背面（简称随焊超声冲击），使冲击部位的焊缝正面产生微小胀形以获得双向拉伸塑性变形，与该处冷却收缩所产生的双向拉伸塑性变形叠加，以充分抵消该处在焊接升温时所产生的双向压缩塑性变形。由于此时该处焊缝金属的温度较高，因此无需太大的冲击力（或冲击功率）就可以产生足够大的拉伸塑性变形。这种热与机械的联合作用，可以有效地减小或消除焊接变形和残余应力。而且，因超声冲击载荷的频率超过音频（20KHz以上），振幅很小（只有几十微米），以致工件产生的振动与噪音小，不会影响焊接电弧的正常燃烧和焊接熔池的稳定。

一方面，对焊接熔池附近的不同位置或不同温度区间进行超声冲击，其减小焊接变形与减小残余应力的效果是不同的；因此，可以根据实际需要来调节超声冲击焊缝背面相对于熔池的位置或温度区间。另一方面，超声冲击功率的选择取决于焊件材料的种类、尺寸、焊接工艺参数等；通常，超声冲击功率需随焊件材料强度与刚度的提高、焊件厚度的增加、焊接线能量的增大而提高。

本发明的设备组成包括：超声波频率的电源、内置换能器的超声冲击枪、特制的冲击头、专用的焊接工作台等。所用超声波频率的电源、内置换能器的超声冲击枪与目前用于焊后超声冲击处理的超声波发生器、超声冲击枪类似。所用特制的冲击头是一个直径与焊缝宽度相当、与焊缝接触端为球冠面、另一端为平面的圆柱形冲击头，并采用耐磨、耐高温、耐冲击的材料制成。所用专用的焊接工作台将在后面介绍。

四、附图说明

图1为对熔池后方一定距离的焊缝背面进行超声冲击以减小或消除焊接变形和残余应力的原理示意图。当采用焊条、焊丝或钨极在工件上引燃电弧进行焊接时，熔池后方一定距离的焊缝背面与超声冲击枪的冲击头接触。接触处受超声冲击作用，该处背面即焊缝正面将产生双向拉伸塑性变形，与冷却收缩所产生的双向拉伸塑性变形叠加，抵消在加热升温时所产生的双向压缩塑性变形，从而减小或消除焊接变形和残余应力。