一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法
【专利摘要】一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法，将金属球壳放入压力筒内并对压力筒实施密封，向压力筒内注满水，通过压力泵并以1～5MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压3～10min，依此类推直至压力筒内的压力等于设计工作压力pw为止，之后以1～5MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压3～10min，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第一次pw的增压加载和减压卸载过程；同理完成第二次消除残余应力的压力P的增压加载和减压卸载过程，液压消应方法所用的设备简单，方法操作容易，成本较低，省时省力，可与焊接构件最终的压力试验验收一起进行。
【专利说明】一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法
【技术领域】
[0001]本发明属于应力消除【技术领域】，尤其涉及到一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法。
【背景技术】
[0002]结合图1，金属球壳比如钛及钛合金球壳由上半球壳和下半球壳通过赤道焊缝被组焊为整体，上半球壳和下半球壳通过冲压制备，经精加工后通过赤道线将上半球壳和下半球壳组焊在一起，焊接过程中由于不均匀加热的温度梯度造成赤道焊接区冷却收缩而产生热应力，同时在冷却过程中组织的转变引起的体积变化造成了组织应力，由于赤道焊接区体积变化受阻，即使温度回到原始的均匀状态以后，其内应力仍然残留在结构中，因而产生赤道焊缝残余应力，该赤道焊缝残余应力的存在会降低赤道焊接区的金属塑性和抗疲劳强度，对钛及钛合金球的性能影响较大。
[0003]消除赤道焊缝残余应力的方法常用的有热处理、振动时效、超声冲击、机械锤击等，但均存在一定的局限性:
[0004]一、热处理消应属热加工过程，由于钛及钛合金弹性模量较低约为钢的1/2，所以钛及钛合金焊接件易受热变形，精加工后受尺寸精度限制很难采用热处理消应；
[0005]二、超声冲击消应厚度小，必须在焊后的每一道次都进行，焊接效率较低；
[0006]三、锤击消应在工艺上较难控制，而且构件表面质量较差，噪音大，精加工后焊接的构件受表面质量要求，不宜采用。另外该方法消应厚度小，须在焊后的每一道次都进行，焊接效率较低；
[0007] 四、振动时效消应可将焊接残余应力均匀化，并将应力峰值转移至热影响区，但整体应力消除能力有限。
【发明内容】
[0008]为解决上述问题，本发明提供了一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法，该方法可以省时、省力的有效消除金属球壳尤其是钛及钛合金球壳赤道焊缝的残余应力，方法简单有效，适用于承受外压且由金属制作的潜水器类检验。
[0009]为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
[0010]一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法，金属球壳由体积相等的上半球壳和下半球壳通过赤道焊缝组焊而成，所述赤道焊缝的残余应力0!￡通过盲孔法测出；该液压消应方法使用到大于金属球壳直径的压力筒，压力筒内使用的试验介质为水，水压通过压力泵向压力筒内实施增压或是减压，压力值通过压力表来检测，给定技术球壳的设计工作压力为Pw，则金属球壳赤道焊缝能够消除残余应力的压力P设定范围是:L Ipw ( P
<1.5pw，如果所述赤道焊缝在1.1pwS P < 1.5pwT进行液压消应，表明所述赤道焊缝的残余应力能够得到有效消除，反之所述赤道焊缝的残余应力没有得到有效消除，本发明的特征是:[0011]将金属球壳放入压力筒内并对压力筒实施密封，向压力筒内注满水，通过压力泵并以I~5MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压3~lOmin，依此类推直至压力筒内的压力等于pw为止；之后以I~5MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压3~lOmin，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第一次pw的增压加载和减压卸载过程；
[0012]当第一次pw的增压加载和减压卸载过程完成后，以1.1pwS P < 1.5pw为目标值并以I~5MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压3~IOmin,依此类推直至压力筒内的压力等于P为止；之后以I~5MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压3~lOmin，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第二次P的增压加载和减压卸载过程；
[0013]当第二次P的增压加载和减压卸载过程完成后，将金属球壳从压力筒内取出，通过盲孔法测出所述赤道焊缝的残余应力为σ，σ < σχ。和
[0014]所述残余应力σ或为赤道焊缝的最大残余应力，或为赤道焊缝中心的残余应力，或为赤道焊缝热影响区的残余应力。
[0015]由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果:
[0016]1.液压消应方法可以在精加工后焊接的焊接构件上实施，避免了热处理消应、锤击消应等方法对精加工后焊接构件的尺寸精度、表面质量的影响。
[0017]2.液压 消应方法仅在焊缝全部焊完后实施，焊接过程中则不需要消应，大大提高了焊接效率。
[0018]3.液压消应方法整体消应效果好，对焊缝中心、熔合线、热影响区等区域部位均有明显的消应效果。
[0019]4.液压消应方法所用的设备简单，方法操作简单，成本较低，省时省力，可以与焊接构件最终的压力试验验收一起进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是金属球壳的焊接结构示意简图。
[0021]图2是液压消应前后的残余应力分布曲线。
[0022]图1中:1-上半球壳；2_赤道焊缝；3_下半球壳。
【具体实施方式】
[0023]通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于钛及钛合金球壳，更适用于其它金属球壳，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进。
[0024]如Ti80钛合金球壳，该球壳内径为Φ300πιπι、厚度为8mm，球壳由上半球壳和下半球壳精加工后围绕赤道环缝焊接而成，如图1所示。
[0025]通过盲孔法测出该球壳赤道焊缝的残余应力σ x分布如下:
[0026]1、赤道焊缝的最大残余应力σ χ1 = 314.9MPa ；
[0027]2、赤道焊缝中心的残余应力σχ2 = 272.8MPa ；
[0028]3、赤道焊缝热影响区的残余应力σ χ3 = 246.3MPa。
[0029]给定该球壳的设计工作压力为pw = 51.3MPa，按安全系数1.5计能够消除该球壳赤道焊缝残余应力的压力P设定范围是:1.15pw≤P < 1.5pw，选取目标值P = 1.34pw进行液压消应试验。
[0030]将该球壳放入压力筒内并对压力筒实施密封，向压力筒内注满水，通过压力泵并以4MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压5min，依此类推直至压力筒内的压力等于Pw = 51.3MPa为止；之后以4MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压5min，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第一次pw的增压加载和减压卸载过程。
[0031]当第一次？￥的增力加载和减力卸载过程完成后，以P = 1.34pw为目标值并以4MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压5min，依此类推直至压力筒内的压力等于P为止；之后以4MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压5min，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第二次P的增压加载和减压卸载过程。
[0032]当第二次P的增压加载和减压卸载过程完成后，将钛及钛合金球壳从压力筒内取出，通过盲孔法测出所述赤道焊缝的残余应力为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]结合图2，横向坐标的“ 5 ”为赤道焊缝的最大残余应位置，横向坐标的“ O ”为赤道焊缝中心的残余应力位置，横向坐标的“10”为赤道焊缝热影响区的残余应力位置，其它横向坐标为母材位置,纵向坐标为残余应力值。
[0034]以上可见，通过本发明的液压消应方法，Τ?80钛合金Φ300mm球壳在赤道焊缝残余应力的液压消应效果非常明显。
【权利要求】
1.一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法，金属球壳由体积相等的上半球壳和下半球壳通过赤道焊缝组焊而成，所述赤道焊缝的残余应力0!￡通过盲孔法测出；该液压消应方法使用到大于金属球壳直径的压力筒，压力筒内使用的试验介质为水，水压通过压力泵向压力筒内实施增压或是减压，压力值通过压力表来检测，给定技术球壳的设计工作压力为Pw，则金属球壳赤道焊缝能够消除残余应力的压力P设定范围是:L Ipw ( P<1.5pw，如果所述赤道焊缝在1.1pwS P < 1.5pwT进行液压消应，表明所述赤道焊缝的残余应力能够得到有效消除，反之所述赤道焊缝的残余应力没有得到有效消除，其特征是: 将金属球壳放入压力筒内并对压力筒实施密封，向压力筒内注满水，通过压力泵并以1~5MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压3~10min，依此类推直至压力筒内的压力等于pw为止；之后以I~5MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压3~lOmin，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第一次pw的增压加载和减压卸载过程； 当第一次Pw的增压加载和减压卸载过程完成后，以1.1pw < P < 1.5pw为目标值并以I~5MPa为一个压力升高区段向压力筒内增压，每增压一个压力升高区段后要保压3~IOmin,依此类推直至压力筒内的压力等于P为止；之后以I~5MPa为一个压力降低区段向压力筒内减压，每减压一个压力降低区段后要保压3~lOmin，依此类推直至压力筒内的压力等于0，完成第二次P的增压加载和减压卸载过程； 当第二次P的增压加载和减压卸载过程完成后，将金属球壳从压力筒内取出，通过盲孔法测出所述赤道焊缝的残余应力为σ，σ < σχ。
2.根据权利要求1所述一种消除金属球壳赤道焊缝残余应力的液压消应方法，其特征是:所述残余应力σ或为赤道焊缝的最大残余应力，或为赤道焊缝中心的残余应力，或为赤道焊缝热影响区的残余应力。
【文档编号】B23K37/00GK104014951SQ201410211767
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】吕逸帆, 刘希林, 冯凯杰 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所