雙向預(yù)置應(yīng)力控制鋁合金薄板焊接變形與熱裂紋研究.pdf

1、基于力學(xué)角度，針對(duì)鋁合金薄板焊接應(yīng)力變形和熱裂紋問(wèn)題，提出了一種綜合控制焊接變形和防止熱裂紋的新方法—雙向預(yù)置應(yīng)力法（TDPS）。通過(guò)在平行于焊縫的方向施加縱向預(yù)置拉伸應(yīng)力（LTPS），產(chǎn)生塑性延展能夠降低焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力水平，從而起到減小甚至消除焊接撓曲變形的作用；通過(guò)在垂直于焊縫的方向施加橫向預(yù)置擠壓應(yīng)力（TCPS），對(duì)凝固過(guò)程中處于脆性溫度區(qū)間的焊縫金屬產(chǎn)生橫向壓縮應(yīng)變來(lái)抵消焊縫金屬收縮受到的致裂拉伸應(yīng)變，從而防止熱裂紋的產(chǎn)

2、生和擴(kuò)展。該方法為解決高強(qiáng)鋁合金薄板焊件存在變形大和熱裂紋傾向嚴(yán)重等問(wèn)題提供了一種切實(shí)可行的新工藝。
　　文中選擇重物加載方式結(jié)合螺旋副傳力方式，根據(jù)控制變形和防裂的要求，研制出了適用于平直焊縫的能滿足試驗(yàn)要求的雙向預(yù)置應(yīng)力裝置。
　　預(yù)拉伸工藝在控制焊接變形方面取得了明顯效果，采用有限元分析方法對(duì)LTPS作用下應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，量化了應(yīng)力橫截面上殘余拉應(yīng)力峰值降低量與施加的預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系：在預(yù)置拉應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊

3、加后不導(dǎo)致焊件發(fā)生局部屈服的前提下，LPTS工藝使殘余應(yīng)力峰值的降低量就等于預(yù)拉應(yīng)力值。同時(shí)，殘余壓應(yīng)力也隨之降低，并與拉應(yīng)力保持平衡關(guān)系，通過(guò)對(duì)LTPS條件下縱向應(yīng)力的演變過(guò)程的模擬計(jì)算，以截面內(nèi)應(yīng)力平衡為原則，推導(dǎo)出完全消除鋁合金薄板失穩(wěn)變形的判據(jù)，可以確定消除薄板焊接失穩(wěn)變形所需加載的最小預(yù)應(yīng)力，為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。對(duì)于尺寸為300mm×200mm×2mm的LY12鋁合金薄板焊件，當(dāng)預(yù)置拉應(yīng)力為0.75 sσ時(shí)( sσ為

4、鋁合金的屈服強(qiáng)度)，可以完全消除失穩(wěn)變形，其最大縱向變形量為0.9mm，只有常規(guī)焊的10％。
　　研究發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸對(duì)熔池后方處于脆性溫度區(qū)間的焊縫金屬產(chǎn)生額外的橫向拉伸作用，增加了橫向拉伸應(yīng)變，使焊接熱裂紋傾向增大。對(duì)于尺寸為200mm×100mm×2mm的試件，采用表面熔敷形式，當(dāng)預(yù)置拉應(yīng)力為0.7 sσ時(shí)，產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度為10.6mm。
　　針對(duì)預(yù)拉伸的熱裂缺點(diǎn)，并根據(jù)熱裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件，提出了橫向預(yù)置擠壓應(yīng)力（TCPS

5、）控制焊接熱裂紋的方法。該方法控制熱裂紋的機(jī)理為：TCPS產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力對(duì)脆性溫度區(qū)間金屬通過(guò)應(yīng)變傳遞方式對(duì)焊縫處金屬產(chǎn)生橫向壓縮應(yīng)變，減小甚至抵消 BTR焊縫金屬的橫向拉伸應(yīng)變，使之低于金屬最低塑性值。TCPS能有效地控制鋁合金焊接熱裂紋的擴(kuò)展與產(chǎn)生，魚(yú)骨狀試樣裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明，采用整體加載時(shí)，隨著預(yù)置壓應(yīng)力的增加，裂紋長(zhǎng)度逐漸減小，常規(guī)焊時(shí)試件熱裂紋率高達(dá)45%，當(dāng) TCPS為0.1 sσ時(shí)，能完全消除熱裂紋。
　　橫向預(yù)置壓

6、應(yīng)力致使試件受壓縮短的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生縱向伸長(zhǎng)，兩者符合泊松比的關(guān)系，在板中心上產(chǎn)生的縱向應(yīng)變會(huì)使得焊接殘余拉應(yīng)力峰值降低，降低量相當(dāng)于同樣數(shù)值的 LPTS的（1μ-1）倍，因此會(huì)對(duì)控制變形起到一定程度的貢獻(xiàn)，但限于 TCPS的本身壓曲失穩(wěn)的限制，該值選定的原則是，在保證防止熱裂紋所需的數(shù)值后，該值盡可能地小，否則將引起橫向上撓變形，從試驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。
　　為了同時(shí)控制焊接變形和熱裂紋，將兩向預(yù)應(yīng)力結(jié)合起來(lái)形成雙向預(yù)置應(yīng)力，通過(guò)理論

7、、數(shù)值模擬和試驗(yàn)三者結(jié)合，證明了雙向預(yù)應(yīng)力條件下，縱、橫兩預(yù)應(yīng)力之間存在交互作用，每個(gè)方向的預(yù)應(yīng)力都會(huì)對(duì)另一個(gè)方向的應(yīng)力、應(yīng)變產(chǎn)生影響，綜合作用結(jié)果是兩向預(yù)應(yīng)力效果的疊加，通過(guò)兩者合理的配比，可以得到低應(yīng)力、小變形、無(wú)裂紋的焊件。
　　采用300mm×200mm×2mm的 LY12鋁合金薄板試件，進(jìn)行了平直縫焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，常規(guī)焊狀態(tài)下試件最大縱向撓曲變形量為9.92mm，在0.6 sσ LTPS和0.1 sσ TCPS配比下