随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理

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随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理
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。 4 }! S: C* D5 I& U: Y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。 ( H& R- x* F2 w0 ?: f9 K' o　　1　焊接热裂纹和残余应力变形产生原因 " Y9 _! F2 T' p$ x+ D8 C& c　　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 ) j9 {0 K& U2 Y5 ]- B, m6 y6 q# r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。

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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,
$ I* V7 [+ h" t9 \5 ^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。

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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。

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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。

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