镍基合金焊接炉管振动时效前后残余应力分布研究

inconel600是一种镍-铬-铁基固溶强化镍基合金，700℃以下具有良好热强性、较高耐腐蚀性和高塑性等优点，可避免硫蚀引起的脆化。但其液态金属流动性较差，焊接过程中易产生热裂纹，形成未熔合缺陷，且inconel600合金线膨胀系数大，焊接过程中不均匀温度场会导致焊后产生较高的焊接残余应力。本文采用振动时效消除inconel600焊接炉管焊接残余应力，并采用盲孔法测量振动时效前后残余应力，了解处理前后筒体残余应力的变化特点。

焊接方法及参数

试验炉管筒体内径为325mm，壁厚为8mm。炉管内部分布6条筋板，中部在工作情况下要承受700℃的高温，且处于腐蚀环境中。生产过程中，对处于严苛工作环境下的焊缝部位还需焊接包箍圈补强。筒体材料为inconel600，采用GTAW焊接方法焊接，整段炉管由6段拼焊完成，开V形坡口焊接。

振动时效工艺

振动时效是将激振器加持在工件上，用橡胶垫将工件支撑，通过控制器调节电机的转速。使工件处于共振状态，让工件需时效的部位产生一定幅度和一定周期的交变运动并吸收能量。使工件内部发生微观粘弹性力学变化，从而降低工件的局部峰值应力和均化工件的残余应力场，达到防止工件变形与开裂，保证工件尺寸稳定之目的。试验设备采用南京聚航科技有限公司的JH-700A智能频谱交流振动时效设备。   

振动时效前采用不同的速度和频率测得焊接炉管存在4处共振点。对共振点振动时效15min后，再次对4处共振点检测。

盲孔法测量炉管残余应力

采用盲孔法测量炉管残余应力。振动时效前测点主要分布在炉管环缝A上，测量点1,3,5位于熔合线处，测量点2,4位于焊缝中心处，其中2号点位于环纵焊缝相交处。为了对比振动时效前后应力状态，振动时效后的检测点选用同一条环焊缝，在原检测点的对称面选取测试点。

测试结果分析

对比振动时效前后加速度与转速曲线图，振后共振点部分略向左移，峰值变窄，加速度峰值比振前升高，达到了振动时效效果。

表1 炉管残余应力测试数据

残余应力测试结果见表1，振动时效前焊缝中心到熔合线10-15mm宽度都处于较高的拉伸应力状态。3号测点最大主应力峰达750MPa。该筒体直径与厚度比很大，可视为平板对接模型，焊缝中心是拉应力高点。从测试数据可以看出，振动时效后，各点残余应力显著降低，原最大应力峰值降低至194Mpa，测点3、4、5的应力均匀化程度较大。测点5的应力降幅最小，成为振动时效后应力最大点。

初始应力分布对振动后的应力重新分布有显著影响，由于振动引起的应力均化作用，压应力或低应力趋向正应力。但不大于实测峰值应力。由于炉管焊接结构的复杂和特殊性，5个测试点都为较高的拉应力，振动时效可以有效降低并均匀炉管环焊缝上的焊接残余应力，使焊后焊缝区至熔合线处的拉伸应力得以松弛。

经过振动时效后，除测试点5之外，其余测试点的应力消除率都在70%以上，说明了振动时效对降低残余拉应力起到了显著的效果。

结论

1. 盲孔法残余应力测试结果表明，inconel600炉管焊接后，环焊缝A由焊缝中心到熔合线约10-15mm宽度都处于较高的拉伸应力状态。

2. 炉管环缝A焊后最高焊接残余应力高达752MPa。振动时效使该点残余应力降低至194MPa。

3. 振动时效降低并均匀了炉管环焊缝A上各点的残余应力，处于较高拉应力的测试点，振动时效后的应力消除率都高于70%。