鎳基合金焊接爐管振動時效前后殘余應力分布研究

inconel600是一種鎳-鉻-鐵基固溶強化鎳基合金，700℃以下具有良好熱強性、較高耐腐蝕性和高塑性等優(yōu)點，可避免硫蝕引起的脆化。但其液態(tài)金屬流動性較差，焊接過程中易產生熱裂紋，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導致焊后產生較高的焊接殘余應力。本文采用振動時效消除inconel600焊接爐管焊接殘余應力，并采用盲孔法測量振動時效前后殘余應力，了解處理前后筒體殘余應力的變化特點。

焊接方法及參數(shù)

試驗爐管筒體內徑為325mm，壁厚為8mm。爐管內部分布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。生產過程中，對處于嚴苛工作環(huán)境下的焊縫部位還需焊接包箍圈補強。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。

振動時效工藝

振動時效是將激振器加持在工件上，用橡膠墊將工件支撐，通過控制器調節(jié)電機的轉速。使工件處于共振狀態(tài)，讓工件需時效的部位產生一定幅度和一定周期的交變運動并吸收能量。使工件內部發(fā)生微觀粘彈性力學變化，從而降低工件的局部峰值應力和均化工件的殘余應力場，達到防止工件變形與開裂，保證工件尺寸穩(wěn)定之目的。試驗設備采用南京聚航科技有限公司的JH-700A智能頻譜交流振動時效設備。   

振動時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。對共振點振動時效15min后，再次對4處共振點檢測。

盲孔法測量爐管殘余應力

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

測試結果分析

對比振動時效前后加速度與轉速曲線圖，振后共振點部分略向左移，峰值變窄，加速度峰值比振前升高，達到了振動時效效果。

表1 爐管殘余應力測試數(shù)據(jù)

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

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

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

結論

1. 盲孔法殘余應力測試結果表明，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力狀態(tài)。

2. 爐管環(huán)縫A焊后最高焊接殘余應力高達752MPa。振動時效使該點殘余應力降低至194MPa。

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