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鎳基合金焊接爐管振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力分布研究

inconel600是一種鎳-鉻-鐵基固溶強(qiáng)化鎳基合金,700℃以下具有良好熱強(qiáng)性、較高耐腐蝕性和高塑性等優(yōu)點(diǎn),可避免硫蝕引起的脆化。但其液態(tài)金屬流動(dòng)性較差,焊接過程中易產(chǎn)生熱裂紋,形成未熔合缺陷,且inconel600合金線膨脹系數(shù)大,焊接過程中不均勻溫度場會(huì)導(dǎo)致焊后產(chǎn)生較高的焊接殘余應(yīng)力。本文采用振動(dòng)時(shí)效消除inconel600焊接爐管焊接殘余應(yīng)力,并采用盲孔法測量振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力,了解處理前后筒體殘余應(yīng)力的變化特點(diǎn)。

焊接方法及參數(shù)

試驗(yàn)爐管筒體內(nèi)徑為325mm,壁厚為8mm。爐管內(nèi)部分布6條筋板,中部在工作情況下要承受700℃的高溫,且處于腐蝕環(huán)境中。生產(chǎn)過程中,對處于嚴(yán)苛工作環(huán)境下的焊縫部位還需焊接包箍圈補(bǔ)強(qiáng)。筒體材料為inconel600,采用GTAW焊接方法焊接,整段爐管由6段拼焊完成,開V形坡口焊接。

振動(dòng)時(shí)效工藝

振動(dòng)時(shí)效是將激振器加持在工件上,用橡膠墊將工件支撐,通過控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。使工件處于共振狀態(tài),讓工件需時(shí)效的部位產(chǎn)生一定幅度和一定周期的交變運(yùn)動(dòng)并吸收能量。使工件內(nèi)部發(fā)生微觀粘彈性力學(xué)變化,從而降低工件的局部峰值應(yīng)力和均化工件的殘余應(yīng)力場,達(dá)到防止工件變形與開裂,保證工件尺寸穩(wěn)定之目的。試驗(yàn)設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JH-700A智能頻譜交流振動(dòng)時(shí)效設(shè)備。   

振動(dòng)時(shí)效前采用不同的速度和頻率測得焊接爐管存在4處共振點(diǎn)。對共振點(diǎn)振動(dòng)時(shí)效15min后,再次對4處共振點(diǎn)檢測。

盲孔法測量爐管殘余應(yīng)力

采用盲孔法測量爐管殘余應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效前測點(diǎn)主要分布在爐管環(huán)縫A上,測量點(diǎn)1,3,5位于熔合線處,測量點(diǎn)2,4位于焊縫中心處,其中2號(hào)點(diǎn)位于環(huán)縱焊縫相交處。為了對比振動(dòng)時(shí)效前后應(yīng)力狀態(tài),振動(dòng)時(shí)效后的檢測點(diǎn)選用同一條環(huán)焊縫,在原檢測點(diǎn)的對稱面選取測試點(diǎn)。

測試結(jié)果分析

對比振動(dòng)時(shí)效前后加速度與轉(zhuǎn)速曲線圖,振后共振點(diǎn)部分略向左移,峰值變窄,加速度峰值比振前升高,達(dá)到了振動(dòng)時(shí)效效果。

1 爐管殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

測試點(diǎn)

振動(dòng)時(shí)效前

振動(dòng)時(shí)效后

測點(diǎn)部位

實(shí)測應(yīng)變值

主應(yīng)力R/MPa

實(shí)測應(yīng)變值

主應(yīng)力R/MPa

ε1

ε2

ε3

σ1

σ2

ε1

ε2

ε3

σ1

σ2


1

-532

-429

-302

674

466

-441

-566

-593

151

118

熔合線處

2

-321

-369

-645

700

346

-74

-213

-349

143

-32

焊縫中線

3

-686

-597

-480

752

568

-575

-686

-762

194

159

熔合線處

4

-193

-224

-172

288

210

-264

-162

-239

76

42

焊縫中線

5

-74

-213

-349

412

166

-164

-196

-247

266

208

熔合線處

殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表1,振動(dòng)時(shí)效前焊縫中心到熔合線10-15mm寬度都處于較高的拉伸應(yīng)力狀態(tài)。3號(hào)測點(diǎn)最大主應(yīng)力峰達(dá)750MPa。該筒體直徑與厚度比很大,可視為平板對接模型,焊縫中心是拉應(yīng)力高點(diǎn)。從測試數(shù)據(jù)可以看出,振動(dòng)時(shí)效后,各點(diǎn)殘余應(yīng)力顯著降低,原最大應(yīng)力峰值降低至194Mpa,測點(diǎn)3、4、5的應(yīng)力均勻化程度較大。測點(diǎn)5的應(yīng)力降幅最小,成為振動(dòng)時(shí)效后應(yīng)力最大點(diǎn)。

初始應(yīng)力分布對振動(dòng)后的應(yīng)力重新分布有顯著影響,由于振動(dòng)引起的應(yīng)力均化作用,壓應(yīng)力或低應(yīng)力趨向正應(yīng)力。但不大于實(shí)測峰值應(yīng)力。由于爐管焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和特殊性,5個(gè)測試點(diǎn)都為較高的拉應(yīng)力,振動(dòng)時(shí)效可以有效降低并均勻爐管環(huán)焊縫上的焊接殘余應(yīng)力,使焊后焊縫區(qū)至熔合線處的拉伸應(yīng)力得以松弛。

經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效后,除測試點(diǎn)5之外,其余測試點(diǎn)的應(yīng)力消除率都在70%以上,說明了振動(dòng)時(shí)效對降低殘余拉應(yīng)力起到了顯著的效果。

結(jié)論

1. 盲孔法殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明,inconel600爐管焊接后,環(huán)焊縫A由焊縫中心到熔合線約10-15mm寬度都處于較高的拉伸應(yīng)力狀態(tài)。

2. 爐管環(huán)縫A焊后最高焊接殘余應(yīng)力高達(dá)752MPa。振動(dòng)時(shí)效使該點(diǎn)殘余應(yīng)力降低至194MPa。

3. 振動(dòng)時(shí)效降低并均勻了爐管環(huán)焊縫A上各點(diǎn)的殘余應(yīng)力,處于較高拉應(yīng)力的測試點(diǎn),振動(dòng)時(shí)效后的應(yīng)力消除率都高于70%。

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