控制鋁合金焊接變形和殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

鋁是地殼中分布廣泛的一種元素,其蘊(yùn)藏量(7.5%)比鐵(4.2%)、鈦(0.6%)、銅(0.01%)大的多。鋁及鋁合金具有良好的耐蝕性,較高的比強(qiáng)度, 易加工成形和無磁性、無低溫轉(zhuǎn)變導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn),在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用[2]。特別是近年來科學(xué)技術(shù)及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對鋁合金薄壁焊接構(gòu)件的需求日益增多，亦使鋁合金的焊接性研究日益深入。在鋁合金的焊接性問題中，鋁合金的焊接力學(xué)問題和鋁合金的應(yīng)用是相輔相成的，鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接力學(xué)問題正成為現(xiàn)今焊接技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

1、研究概況

　　在焊接過程中，焊接區(qū)經(jīng)歷一個復(fù)雜的不均勻快速加熱和冷卻過程，這必然引起焊接區(qū)發(fā)生不均衡的應(yīng)力應(yīng)變變化，這種不均衡的應(yīng)力應(yīng)變是導(dǎo)致焊后形成殘余應(yīng)力和變形的主要原因。為此，許多學(xué)者認(rèn)為，通過調(diào)整薄壁結(jié)構(gòu)的焊縫及近縫區(qū)熱應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)，是達(dá)到控制焊接殘余應(yīng)力和變形（主要針對縱向收縮引起的縱向撓曲）的有效方法。另外就是通過諸如焊縫滾壓、焊后機(jī)械拉伸、機(jī)械振動、焊后錘擊焊道等方法造成能抵消或部分抵消壓縮塑性變形的延伸塑性變形，達(dá)到控制焊后殘余應(yīng)力和變形的目的。 　

2、 控制應(yīng)力和變形的方法

2.1機(jī)械矯正法

　　機(jī)械拉伸法一般在專用的拉伸機(jī)上進(jìn)行矯正，機(jī)械拉伸法消除應(yīng)力變形的原理為，通過一次加載拉伸，拉應(yīng)力區(qū)在外載的作用下產(chǎn)生了拉伸塑性變形，它的方向與焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形相反。因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力正是由于局部壓縮塑性變形引起的，加載應(yīng)力越高，壓縮塑性變形就抵消的越多，內(nèi)應(yīng)力也就消除的越徹*。機(jī)械拉伸法對一些焊接容器的消除內(nèi)應(yīng)力特別有意義。

2.2滾壓法消除應(yīng)力和變形

　　文獻(xiàn)指出：用適當(dāng)?shù)膲毫L壓焊縫或近縫區(qū)，將“造成與焊接壓縮塑性完全相等而方向相反的延伸塑性變形，這樣在薄板構(gòu)件上就可以達(dá)到既消除應(yīng)力又消除變形的目的”。文獻(xiàn)指出：“在窄輪壓力作用下，焊縫區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)延伸塑性變形，用以補(bǔ)償焊后殘余的壓縮塑性變形（即不協(xié)調(diào)應(yīng)變量）?！?　　其實(shí)質(zhì)為在碾壓力的作用下，碾壓輪下金屬在平面內(nèi)產(chǎn)生延展變形，而使兩碾壓輪之間的焊縫和HAZ金屬受到橫向變形。同時，焊接時存在的橫向溫度剃度可大大加強(qiáng)這種橫向擠壓作用，焊縫兩側(cè)碾壓所產(chǎn)生的金屬橫向流動幾乎全部指向溫度較高的焊縫金屬一側(cè)，從而使焊縫金屬中產(chǎn)生了較大的橫向壓縮應(yīng)變，這種橫向壓縮應(yīng)變的存在有利于降低板內(nèi)的殘余應(yīng)力水平，從而達(dá)到控制焊接變形的目的。劉偉平、田錫唐等人對采用碾壓法改善焊縫接頭性能方面做了大量研究，對該項技術(shù)的推廣有重要意義。但是采用碾壓來消除焊接變形時，需要體積龐大的碾壓設(shè)備，操作復(fù)雜，實(shí)施時受焊縫形式的影響較大。

2.3振動消除殘余應(yīng)力

　　文獻(xiàn)研究表明：其原理為在正常焊接過程中給焊接施加周期性的外力，使焊件振動，從而達(dá)到降低焊接殘余應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量的一種新型焊接工藝。振動消除應(yīng)力在實(shí)際中通常用于降低殘余應(yīng)力以確定后續(xù)機(jī)械加工中構(gòu)件尺寸與形狀的穩(wěn)定性。處理時，將焊后已冷卻下來（有時仍熱）的構(gòu)件置于振蕩臺上，或借助附著式振蕩器，以接近于構(gòu)件固有頻率的較高頻率（10～100cps）作5～20分鐘的低幅振蕩，并用振動器的功率消耗量來測定構(gòu)件阻尼的下降。其機(jī)理可解釋為在機(jī)械振動焊接時，由于振動能量的輸人，加速了熔池中原子的熱運(yùn)動，相當(dāng)于加強(qiáng)了對熔池的攪拌作用，此外振動還改善熔池金屬與其周圍固態(tài)金屬的接觸，加劇熔池與周圍金屬的熱傳遞，所以振動有利于熔池散熱，使焊件繞周圍的溫度分布與未振動焊接的溫度分布有較大改變，即各部分的溫度梯度減小，從而可以達(dá)到降低振動焊接降低殘余應(yīng)力目的。目前，國內(nèi)采用振動法對焊縫的疲勞壽命影響、振動焊接在控制變形方面的作用、振動焊接對焊接殘余應(yīng)力的影響等。經(jīng)過這些年來對振動焊接的研究，使人們認(rèn)識到該項新型技術(shù)不僅能夠降低焊接殘余應(yīng)力，而且能夠大大改善焊接質(zhì)量，提高焊縫的機(jī)械性能，同時，焊接過程控制焊接變形比焊前預(yù)防和焊后矯正較有相當(dāng)積*的意義，由于應(yīng)力釋放是在焊接過程中進(jìn)行的，因而省去了焊后消除應(yīng)力的工序，從而大大縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。