铝是地壳中分布广泛的一种元素,其蕴藏量(7.5%)比铁(4.2%)、钛(0.6%)、铜(0.01%)大的多[1]。铝及铝合金具有良好的耐蚀性,较高的比强度, 易加工成形和无磁性、无低温转变导电性及导热性好等优点,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[2]。特别是近年来科学技术及工业经济的迅猛发展,对铝合金薄壁焊接构件的需求日益增多,亦使铝合金的焊接性研究日益深入。在铝合金的焊接性问题中,铝合金的焊接力学问题和铝合金的应用是相辅相成的,铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展,同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域,因此铝合金的焊接力学问题正成为现今焊接技术研究的热点之一。
1.3.1研究概况
在焊接过程中,焊接区经历一个复杂的不均匀快速加热和冷却过程,这必然引起焊接区发生不均衡的应力应变变化,这种不均衡的应力应变是导致焊后形成残余应力和变形的主要原因。为此,许多学者认为,通过调整薄壁结构的焊缝及近缝区热应力-应变循环,是达到控制焊接残余应力和变形(主要针对纵向收缩引起的纵向挠曲)的有效方法。归纳而言,主要通过以下几种基本方式实现。一是通过减小加热阶段产生的纵向塑性压应变,包括预拉伸法(机械拉伸、预制温差拉伸)[3,4]、等效降低线能量法(采用各类冷却夹具、焊缝两侧预先沉积吸热物质、随焊激冷和高能束焊接)和降低整个焊件上温度梯度的均匀预热法[5-8、20]。二是通过增大冷却阶段的纵向塑性拉应变,主要通过采用激冷等方式,在减小整个焊件上的温度梯度的同时,还造成焊道温度低,两侧温度高的马鞍形温度场,利用温差拉伸效应所产生的纵向塑性拉应变抵消或部分抵消先前形成的纵向压缩塑性应变,达到降低残余应力和变形的目的,包括动态温差拉伸(随焊激冷)和静态温差拉伸等[9-13]。另外就是通过诸如焊缝滚压、焊后机械拉伸、机械振动、焊后锤击焊道等方法[14-17]造成能抵消或部分抵消压缩塑性变形的延伸塑性变形,达到控制焊后残余应力和变形的目的。
关桥等提出的低应力无变形焊接技术[18、19]主要通过热沉的作用,在焊件上形成一个畸变温度场,使焊缝两侧受冷急剧收缩,产生很强的拉伸作用,使仍处于高温状态焊缝区的压缩塑性变形量得到补偿,从而实现了对薄板铝合金焊接内应力及焊接变形的有效控制。预拉伸焊接法是通过对焊接构件施加预置应力的方式,改变焊接过程中的内应力分布,达到低应力无变形的目的。
1.3.2 传统控制应力和变形的方法
1.3.2.1机械矫正法[6]
机械拉伸法一般在专用的拉伸机上进行矫正,机械拉伸法消除应力变形的原理为,通过一次加载拉伸,拉应力区在外载的作用下产生了拉伸塑性变形,它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余应力正是由于局部压缩塑性变形引起的,加载应力越高,压缩塑性变形就抵消的越多,内应力也就消除的越彻底。机械拉伸法对一些焊接容器的消除内应力特别有意义。
1.3.2.2滚压法消除应力和变形
文献[7]指出:用适当的压力滚压焊缝或近缝区,将“造成与焊接压缩塑性完全相等而方向相反的延伸塑性变形(图1-1),这样在薄板构件上就可以达到既消除应力又消除变形的目的”。文献[8]指出:“在窄轮压力作用下,焊缝区产生相应延伸塑性变形,用以补偿焊后残余的压缩塑性变形(即不协调应变量)。”
其实质为在碾压力的作用下,碾压轮下金属在平面内产生延展变形,而使两碾压轮之间的焊缝和HAZ金属受到横向变形。同时,焊接时存在的横向温度剃度可大大加强这种横向挤压作用,焊缝两侧碾压所产生的金属横向流动几乎全部指向温度较高的焊缝金属一侧,从而使焊缝金属中产生了较大的横向压缩应变,这种横向压缩应变的存在有利于降低板内的残余应力水平,从而达到控制焊接变形的目的。刘伟平、田锡唐[10]等人对采用碾压法改善焊缝接头性能方面做了大量研究,对该项技术的推广有重要意义。但是采用碾压来消除焊接变形时,需要体积庞大的碾压设备,操作复杂,实施时受焊缝形式的影响较大。
1.3.2.3振动消除残余应力
文献[10、11]研究表明:其原理为在正常焊接过程中给焊接施加周期性的外力,使焊件振动,从而达到降低焊接残余应力,提高焊接质量的一种新型焊接工艺。振动消除应力在实际中通常用于降低残余应力以保证后续机械加工中构件尺寸与形状的稳定性。处理时,将焊后已冷却下来(有时仍热)的构件置于振荡台上,或借助附着式振荡器,以接近于构件固有频率的较高频率(10~100cps)作5~20分钟的低幅振荡,并用振动器的功率消耗量来测定构件阻尼的下降。其机理可解释为在机械振动焊接时,由于振动能量的输人,加速了熔池中原子的热运动,相当于加强了对熔池的搅拌作用,此外振动还改善熔池金属与其周围固态金属的接触,加剧熔池与周围金属的热传递,所以振动有利于熔池散热,使焊件绕周围的温度分布与未振动焊接的温度分布有较大改变,即各部分的温度梯度减小,从而可以达到降低振动焊接降低残余应力目的。目前,国内采用振动法对焊缝的疲劳寿命影响[14]、振动焊接在控制变形方面的作用[13]、振动焊接对焊接残余应力的影响等[10]。经过这些年来对振动焊接的研究,使人们认识到该项新型技术不仅能够降低焊接残余应力,而且能够大大改善焊接质量,提高焊缝的机械性能,同时,由于应力释放是在焊接过程中进行的,因而省去了焊后消除应力的工序,从而大大缩短了生产周期,降低了生产成本。但是对于复杂的构件,当对其消除应力前后的残余应力场不了解且未作检查的情况下,整体振动法并不能确保得到预期的效果。但是在实际生产中,借助于实际经验,可得到一定的应用。
焊接过程控制焊接变形比焊前预防和焊后矫正较有相当积极的意义,其中重要的预防焊接变形的方法就是温差拉伸法。总的来说,温差法可以可理解为:用外部冷却源和热源来调节焊接温度场,造成与常规焊接不同的温度分布(畸变温度场)使焊接区的应变不协调关系得以改变,达到控制焊接残余应力和变形的关系[14、15].温差法中最重要的参数就是畸变温度场中的最高温度和最低温度的差值,即温差。通过调节温差就可以调节残余应力和变形的大小。温差法的优势在于,它不仅具备减小应力和变形的双重作用,而且可以很方便地通过数值模拟技术在计算机上进行温度场、残余应力渡河变形的模拟。温差法经过半个多世纪的发展,也有了许多形式。
1.3.2.4火焰消除残余应力
火焰喷水法消除残余应力大约在1950年出现于美国,其原理图1-2[16-18]。
两个相距120~270mm的并列气体火焰喷管沿焊缝两侧纵向移动,将焊缝两边宽100~150mm的带状区加热至150~200℃,由于热量的散失,板的背面温度要低20~30℃。在喷管之后150~200mm处设一个横向水冷喷嘴,用以将板子冷却至室温。火焰喷管和水冷喷嘴以每秒1~10mm的速度同向移动。由于火焰加热与喷水冷却配合进行,因而在焊缝两边形成有边界加热区。加热区的膨胀使焊缝区产生纵向拉伸与横向压缩(板子需要足够的横向约束)。在此过程中,焊缝区发生屈服,焊缝发生塑性拉伸变形,冷却后残余应力得以降低。由于火焰喷水法是利用板内沿焊缝方向的膨胀拉伸作用实现降低残余应力的目的,这种方法只对消除纵向应力及由其引起的横向残余应力有作用。这就是横向残余应力降低程度明显小于纵向残余应力的原因。
1.3.2.5吸热胶法
文献[19]中也论述了前苏联的研究成果。他们研究了一种吸热胶用于焊接过程中对焊缝进行冷却,见图1-3[4]。其原理是利用吸热胶中的水分蒸发和无机盐化学反应吸收焊缝中的热量,从而等效降低线能量,促使其快速冷却形成畸变温度场,在焊缝及近缝区形成纵向塑性拉伸,达到降低残余应力的目的。此方法不受材料和焊接位置及形状的限制,其有很大的灵活性。

1.3.3 现代控制焊后残余应力和变形的方法
应该说自美国首先提出采用温差法降低焊接残余应力以来,温差法的确促进了焊接技术的发展,一直到现在温差法仍是控制焊接变形的简便而有效的方法,只到现在,国内徐文立、郭绍庆等人[21-23]还对随焊激冷法、动态温差拉伸法及随焊锤击的控制变形的作用机理等进行深入的分析,应当说这些方法对促进焊接工业的发展仍有重要的意义。但是上述方法虽然可以减小变形或在一定程度上降低残余应力水平,但很难做到消除变形甚至定量地控制残余应力水平,近年来随着工业的迅猛发展,人们已不满足于对结构的简单变形控制,而更倾向于对焊接构件的定量、稳定的控制。因此国内外一些学者相继提出了一些主动、定量控制变形的方法,如低应力无变形焊接法、瞬态热拉伸焊接法和预拉伸焊接法等 [24-29]。
1.3.3.1低应力无变形焊接法
为满足航空、航天薄壳焊接结构在制造过程中对几何型面的严格技术要求,研究开发了低应力无变形的焊接技术,如图1-4所示。其原理认为[24-27]:对于薄壁结构,常发生残余压应力超过构件失稳的临界应力,而产生失稳压曲变形。为此在电弧后适当部位,设置一个能对焊缝局部产生急冷作用的热沉,与焊接电弧构成一个多源(热源-热沉)系统,形成一个畸变的温度场,在这种情况下,虽然焊缝一开始同常规焊一样在焊缝区两侧产生压缩塑性变形,一方面使高温焊缝的热量向后部热沉传导,减少了向两侧传导的热量,使高温区变窄,控制了压缩塑性变形区的扩展;另一方面,热沉部位的焊缝受冷急剧收缩,产生很强的拉伸作用,使仍处于高温状态焊缝区两侧的压缩塑性变形量得到补偿。从而在焊接完成后,残余拉应力区和残余拉应力幅值都得到控制,甚至在焊缝两侧的残余压应力也降到很低的水平,控制了薄壁构件的翘曲失稳变形,特别是跟随热源移动的热沉在焊缝高温区的激冷作用,在热源与热沉之间形成很大的温度剃度,可达到定量地控制焊接过程中的不协调应变达到低应力无变形的焊接效果。
1.3.3.2瞬态热拉伸焊接法
文献[27-28]研究表明,由于在船舶、航空航天上广泛应用薄板构件,为了控制因焊接而引起的结构弯曲失稳变形,从而能够提高工件装配质量。为此特别在对薄板上焊接加强肋时,采用在肋板的两侧加一个对称的加热系统(加热带),将工件的局部区域加热到一定值(200℃)同时在焊接时将薄板的四周固定,然后进行焊接。采用瞬态热拉伸焊接法可降低焊接变形,其原理为通过加热待焊区域附近使其产生热膨胀,形成一定的压缩塑性应力,由于焊缝的温度较高,在焊缝区产生很大的收缩应力,两相应力发生部分抵消而降低了收缩应力水平,从而降低了残余应力水平达到控制焊接变形的目的。
如图1-5所示,采用瞬态热拉伸焊接法可有效控制焊接变形,在去掉加紧装置后可得到规则的焊接构件。在该方法中使用加热带主要是控制弯曲变形而四周固定则控制了构件的角变形,同时控制弯曲变形的同时也部分降低了角变形并且证明使用长加热带可有效降低焊接残余应力。正因为该方法关键的部分是如何优化加热带尺寸等参数包括加热带的大小、加热带与焊缝间的距离大小、加热强度等能显著影响控制变形的效果物理参量。只有找到最优的加热带设计才能最有效的控制焊接变形,然而在焊接每个工件时其面板尺寸、几何形状、工件材质也不同,因此就必须找到其最优的加热带参数,这给使用带来了一定的困难同时该文只研究了在焊接小而窄的面板时,使用该方法效果明显但对于大而宽、厚的面板焊接变形还未进行相关研究,因此还不知该工艺方法是否十分有效,有待进一步研究证明
1.3.3.3预拉伸焊接法
预拉伸焊接技术是控制薄钢板焊接变形与焊接应力的一种有效的工艺手段,它是根据金属材料的热胀冷缩性质和金属焊接变形原理而发展起来的新工艺。为了解决对薄板焊接的变形问题,特别是在一次焊接成型条件下的变形问题,乌克兰巴东焊接研究所于1994年左右推荐采用预加应力焊接法[19]。文献[30]指出:“要解决如何减轻焊接残余应力和变形的问题,应当记住预防比矫正好。在焊接前和焊接过程中对母材施加一个达到50%以上屈服强度的弹性张力,可以减少瞬态应力和残余应力。” Nikolaey、Prokhorov和Shiganov已经用钢的平板堆焊焊缝对这个课题做了深入的研究[31-32]。其基本方法为在焊接试件前,先使用特殊拉力装置将薄板进行拉伸使之伸长,然后在对其进行焊接。焊后去除预拉伸,使薄板进行初步回复,这样经过一系列的复杂的应力-应变变化,是焊接结构内应力幅值趋向减小,这样就控制了焊后的残余应力水平达到主动、定量控制焊接变形的目的,预拉伸法在控制焊接波浪失稳变形方面效果业非常明显。

作者:章明明
单位:伊萨焊接切割器材(上海)有限公司

 

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