随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理

2008-05-07 16:38:46  中国焊接之家    
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    摘 要: 为了解随焊冲击碾压法机理, 用数值计算方法对冲击碾压轮引起薄壁结构焊缝金属塑性流变行为和应变场变化进行了分析。前轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加一个横向挤压塑性应变, 减小甚至抵消致裂的拉伸应变, 防止了焊接热裂纹的产生。后轮将焊缝金属的纵、横向压缩塑性变形充分碾展, 减小了工件的残余变形和应力。实验结果证明随焊冲击碾压法能将平板薄壁试件纵向挠曲和横向收缩变形控制在常规焊接状态的1/10 和1/5, 残余应力值也明显降低; 焊缝表面没有热裂纹, 平整光滑。
    关键词: 焊接结构; 应力; 变形; 冲击碾压; 热裂纹
      薄壁焊接结构具有比强度高、质量轻等优点, 在国防和国民经济重要部门得到广泛应用[ 1 ]。但铝合金壳体等薄壁结构在焊接时存在残余变形大, 热裂敏感性高等不足, 实际生产时通常采用先焊接后校形、焊后进行去应力热处理等手段, 成本高、效率低。
      随焊冲击碾压法是一种控制薄壁结构焊接应力变形并且防止热裂纹的新方法, 其设备简单轻便, 焊缝质量好, 成本低, 效率高, 具有广阔应用前景。本文着重分析在冲击碾压轮作用下焊缝金属塑性流变行为和焊接应变场的变化, 明确随焊冲击碾压法的作用机理, 为进一步推广应用奠定基础。
      1 焊接热裂纹和残余应力变形产生原因
      焊缝区金属在加热过程中, 因热膨胀受到限制而产生塑性挤压, 在随后的冷却过程中因热收缩受到限制又产生了塑性拉伸。一般而言, 焊缝金属在冷却阶段的拉伸塑性变形不足以抵消其在加热阶段产生的挤压塑性变形, 焊后就会有残余压缩塑性变形保留下来, 从而使焊缝金属在冷却过程中承受拉伸应变, 并且导致工件焊后出现较高的残余应力和变形[ 2, 3 ]。另外, 当焊缝金属冷却到固液共存的脆性温度区间内时, 如果其塑性储备小于拉伸应变, 则产生热裂纹[ 2, 4 ]。因此, 如果当焊缝金属冷却至脆性温度区间内时, 对其施加一定的挤压应变以抵消致裂的拉伸应变, 则可有效地防止焊接热裂纹的产生。在随后的冷却过程中, 若对焊缝金属额外施加一定的拉伸应变, 减小残余压缩变形, 就可能减小焊后残余应
    力和变形[ 2, 5, 6 ]。
      2 随焊冲击碾压法简介
      图1 是随焊冲击碾压装置结构图, 由图可以看出随焊冲击碾压机构主要由动力源(气锤)、冲击传力杆、冲击碾压轮后座、和两个冲击碾压轮等构成。气锤冲击活塞在压缩空气的推动下, 在气缸中上下往复运动。当活塞向下冲击时, 在行程的末端受到冲击传力杆的阻挡, 在接触的瞬间, 将能量传递给冲击传力杆; 这时气流换向, 活塞开始向上运动, 开始下
    一个冲击循环; 而冲击传力杆将带动冲击碾压轮后座一起向下冲击。冲击力通过冲击碾压轮后座与冲击碾压轮之间的配合曲面传递到前后冲击碾压轮,并最终作用到被焊工件上。工作时, 随焊冲击碾压机构紧紧跟随在焊接电弧后面, 并与焊枪同步运动。

    1冲击活塞; 2压簧; 3冲击传力杆;4冲击碾压轮后座; 5扭簧; 6冲击碾压轮;
    7工件; 8焊接电弧
    图1 随焊冲击碾压法装置简图


      图2 所示为冲击碾压轮的形状, 其中图2a 为前轮, 它的形状是内凹的, 工作时它跟随在焊接电弧的后面,“跨”在焊缝上面, 其两侧轮缘紧紧地压在焊趾部位。适当调节前轮与焊接电弧之间的距离, 使前轮缘下方的焊缝金属正好处于脆性温度区间内。当冲击碾压轮后座向下冲击时, 前冲击碾压轮就给焊趾部位的金属施加一个冲击碾压作用。图2b 为后轮,
    比前轮稍宽, 轮缘形状略向外凸, 工作时它紧紧的压在焊缝部位。焊接时, 选用恰当的前后轮间距, 使后轮下方的金属冷却到脆性温度区间以下。当冲击碾压轮后座向下冲击时, 冲击碾压后轮就给焊缝金属施加一个冲击碾压作用。

    图2 冲击碾压轮的形状

      3 随焊冲击碾压控制薄壁结构应力变形防止热裂纹机理数值分析
      为深入了解随焊冲击碾压法的机理, 用数值计 算的方法对冲击碾压轮引起焊缝金属塑性流变行为和应变场变化进行了分析。计算采用了大型有限元软件SMC. SU PERFORM 并采用了热机耦合算法。图3 为在前后冲击碾压轮作用下工件中横向塑性应变的分布图, 图4 所示为横向塑性应变沿工件横截面的分布, 其中第一个横截面位于前轮后方, 第二个横截面位于冲击碾压后轮下方, 第三个横截面位于冲击碾压后轮之后。从这两图可以看出在前轮冲击碾压之后, 处于前轮缘中间的焊缝金属和前轮缘外侧的母材金属承受横向挤压应变, 而轮缘正下方焊趾部位的金属承受拉伸应变, 这主要是由于焊缝金属受前轮缘的排挤, 被迫从焊趾部位向两侧流动所致。由于前轮缘各段曲率半径不同( r2> r1, 见图2a) , 所以在压入深度相同情况下, 向内侧排挤的焊缝金属体积要大于向外侧排挤的金属体积, 也就是说大部分焊缝金属被迫从焊趾处向焊缝中心线流动, 所以焊缝中心部位承受的挤压应变值明显要大一些。这个挤压应变能够减小甚至抵消致裂的拉伸应变, 从而有效地防止了焊接热裂纹的产生。
    必须指出的是, 前轮在对焊缝部位施加挤压应变防止热裂纹的同时, 也加剧了焊缝的横向收缩。从图3 和图4 还可以看出, 在后轮冲击碾压作用之后, 工件中横向塑性压应变区明显减小, 幅值也大大降低, 特别是焊缝中心部位由压应变区转化为拉应变区; 前轮缘下方原拉应变区幅值也有所降低, 整个接头区域的应变分布明显趋于均匀化。分析认为, 这主要是因为焊缝冷却时产生的横向压缩塑性变形和前轮的挤压作用导致的横向压缩塑性变形都被后轮充分延展所致。

    图3 在前后冲击碾压轮作用下工件中横向塑性应变的分布


    图4 横向塑性应变沿工件横截面的分布

      图5 所示为在前后轮冲击碾压作用之后, 纵向塑性应变沿工件横截面的分布。从图中可以看出, 前轮经过之后, 其轮缘下方一定区域内的金属承受纵向拉伸应变, 而后轮经过以后, 整个焊缝区域都处于纵向拉伸应变状态, 这说明焊缝在冷却过程中产生的纵向残余压缩塑性变形被前后轮充分碾展。

    图5 前后轮冲击碾压后纵向塑性应变沿工件横截面分布

      综合图3~ 5 可知, 前后轮经过以后, 焊缝区纵向和横向压缩塑性变形都被充分延展, 趋于均匀化,这必然会降低工件焊后残余应力和变形。
      图6 所示是前后轮经过之后引起焊缝区金属的变形结果, 结合图4 可知, 前轮经过之后, 焊缝中心区域的金属受到内侧轮缘的强烈挤压作用, 被迫沿其轮廓平滑向上隆起; 在前轮缘外侧的母材金属受到的排挤作用较弱, 向上轻微隆起; 而焊趾部位则被前轮缘向下压陷。由于后轮比前轮稍宽, 所以后轮经过之后, 无论是焊缝中心还是两侧向上隆起的金属均被压平; 而被前轮缘压陷的焊趾部位则被其两侧金属流动填充而向上隆起, 这减小了前轮经过之后焊缝各部位的高度差, 使整条焊缝表面都趋于光滑平整。

    图6 前后轮经过之后引起焊缝区金属的变形

      综上所述, 随焊冲击碾压控制薄壁结构应力变形防止热裂纹机理可以概括表述为: 前轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加了一个横向挤压应变,减小甚至抵消了致裂的拉伸应变, 起到防止焊接热裂纹的效果, 前轮同时还有一定的纵向延展作用, 有助于减小整个工件的纵向残余应力和变形; 后轮将焊缝金属在冷却过程中形成的纵向和横向压缩塑性变形以及由前轮引起焊缝的横向压缩塑性变形都充分延展, 主要起到降低残余应力减小焊接变形的
    效果。
      4 随焊冲击碾压试验结果及分析
      作者对几种铝合金进行了常规焊接和随焊冲击碾压焊接, 进行了对比。图7a 所示为没有进行冲击碾压的常规焊缝形貌, 图7b 所示为随焊冲击碾压后的焊缝形貌, 从图中可以看出常规焊缝中出现了贯穿全长的热裂纹,而随焊冲击碾压后的焊缝中没有出现热裂纹。从图
    7 还可以看出, 常规焊缝形貌比较粗糙而随焊冲击碾压后焊缝表面平整光滑。

    LD10 铝合金, 厚度为2mm , I= 125A , v= 500mm/m in
    图7 焊缝形貌对照


    图8 是随焊冲击碾压试件和常规焊接试件变形对比图, 可以看出常规焊接试件变形明显, 而随焊冲击碾压后的试件非常平整, 其变形用肉眼几乎观察不到。将试件放置于平台上, 对两块试板边缘处纵向挠曲变形进行了对比测量。常规焊接试件的纵向挠度最大值达到9. 64mm 左右, 而随焊冲击碾压试件纵向挠度最大值为1. 02mm , 仅为前者的1/1 0 左右。这说明冲击碾压轮确实将焊接试件的纵向压缩塑性变形充分延展了。

    L Y12CZ 铝合金, 500mm ×300mm ×2mm ,I= 127A , v= 500mm/m in
    图8 随焊冲击碾压后的试件和常规焊接试件变形对比图

      图9 所示为随焊冲击碾压法对焊接试件的横向收缩控制效果。从图中可以看出, 横向收缩量平均值从常规焊接试件的0. 45mm 左右降低到随焊冲击碾压试件的0. 1mm 左右, 由此可知冲击碾压后轮确实将焊缝的横向压缩塑性变形充分延展了。

    L Y12CZ 铝合金, 500mm ×300mm ×2mm ,I= 127A , v= 500mm/m in
    图9 随焊冲击碾压试件和常规焊接试件横向收缩量对比

      用X 射线应力仪对焊后试件进行了残余应力测试。图10 是随焊冲击碾压后的试件和常规焊接试件的纵向应力分布图。图中, 横坐标L 为测点到焊缝中心的横向距离, 纵坐标D为纵向应力。从图中可以看出随焊冲击碾压后, 纵向应力较没有进行随焊冲击碾压的情况大大降低, 特别是焊缝中心部位甚至由原来的拉应力状态变转为压应力状态, 分析认为这是由于冲击碾压轮将焊缝的纵向压缩塑性变形充分碾展, 使焊缝和近缝区母材金属伸长所致。

    L Y12CZ 铝合金, 500mm ×300mm ×2mm ,I= 127A , v= 500mm/m in
    图10 随焊冲击碾压试件和常规焊接试件纵向应力分布

    5 结 论
      前冲击碾压轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加了一个横向挤压应变, 减小甚至抵消了致裂的拉伸应变, 起到防止焊接热裂纹的作用; 后冲击碾压轮将焊缝金属的纵向和横向压缩塑性变形充分延展, 达到降低应力减小变形的效果。随焊冲击碾压法能将薄壁构件纵向残余挠曲变形控制在常规焊接状态的1/10 左右, 横向收缩变形控制在常规焊接状态的1/5 左右; 随焊冲击碾压后, 试件应力水平大大降低, 焊缝中心部位纵向应力甚至由拉应力状态转
    变为压应力状态; 焊缝表面没有热裂纹, 平整光滑。试验结果证明了数值分析的正确性。

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