隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓控制鋁合金薄板焊接應(yīng)力變形及防熱裂研究.pdf

1、本文首次提出了隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓（WTRE）控制鋁合金薄板焊件殘余應(yīng)力變形及防止熱裂紋新方法。通過一特定形狀的擠壓頭對(duì)電弧后方的焊縫區(qū)金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擠壓，其所產(chǎn)生的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殘余變形的作用。該方法還能有效抑制鋁合金焊接熱裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而為解決高強(qiáng)鋁合金薄板焊件的大變形和高熱裂問題提供了一種行之有效的新工藝。
　　根據(jù)隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓工作原理，搭建了WTRE裝置設(shè)計(jì)框圖，并研制出能

2、很好滿足試驗(yàn)要求的WTRE裝置。
　　采用三維彈塑性有限元法對(duì)2A12T4鋁合金薄板常規(guī)焊件和WTRE焊件的焊接應(yīng)力和變形進(jìn)行了模擬，并揭示了隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓控制焊接殘余變形的機(jī)理：擠壓頭對(duì)焊縫區(qū)金屬的塑性延展能夠減小該區(qū)域中的縱向殘余拉應(yīng)力，根據(jù)內(nèi)應(yīng)力平衡原則，WTRE焊件的縱向平均壓應(yīng)力值也被降低，當(dāng)其低于板件的臨界失穩(wěn)應(yīng)力時(shí)，就能消除焊接失穩(wěn)變形。對(duì)于尺寸為270mm×130mm×2mm的2A12T4鋁合金薄板焊件，采用適當(dāng)?shù)碾S

3、焊旋轉(zhuǎn)擠壓工藝能夠?qū)⑵渥畲罂v向撓度降至0.3mm以下，只有常規(guī)焊狀態(tài)的4％。
　　擠壓頭與焊槍的距離、擠壓頭對(duì)焊件的垂直壓力、擠壓頭的直徑、擠壓頭的轉(zhuǎn)速和其在焊件上的作用位置是影響焊接變形控制效果的重要參數(shù)。擠壓頭與焊槍距離的確定原則為：在保證焊件擠壓后冷卻過程中不產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)變形的殘余壓應(yīng)力的前提下，擠壓頭與焊槍的距離應(yīng)盡可能小。旋轉(zhuǎn)擠壓過程產(chǎn)生的摩擦熱從兩個(gè)相反的方面影響焊接變形的控制效果，少量的摩擦熱能夠提高擠壓頭下方金屬

4、的塑性，因而有利于焊接變形的控制，但過多的摩擦熱會(huì)帶來不期望的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，從而不利于焊接變形的控制。保持其它工藝參數(shù)不變，擠壓頭對(duì)焊件的垂直壓力有一個(gè)最佳范圍，在此范圍內(nèi)焊接變形的控制效果較好，過大或過小的垂直壓力均不利于焊接變形的控制。旋轉(zhuǎn)擠壓對(duì)焊接變形的有效控制區(qū)域是焊縫和近縫區(qū)，當(dāng)焊縫和近縫區(qū)金屬均能被擠壓頭充分延展時(shí)，才能獲得理想的變形控制效果。
　　根據(jù)BTR區(qū)間焊縫金屬橫向應(yīng)變的產(chǎn)生機(jī)制，提出了橫向拘束控制焊接熱裂紋的

5、方法。該方法控制焊接熱裂紋的機(jī)理主要包括兩個(gè)方面，一是通過限制焊件回轉(zhuǎn)變形來減小BTR區(qū)間焊縫金屬的橫向拉伸應(yīng)變，二是通過增加熔池兩側(cè)受熱壓縮區(qū)金屬橫向不均勻膨脹程度來增大BTR區(qū)間焊縫金屬的橫向壓縮應(yīng)變。
　　隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓能夠有效抑制鋁合金焊接熱裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，其機(jī)理基于對(duì)起弧端熱裂紋的壓合和對(duì)焊件回轉(zhuǎn)變形的拘束作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，擠壓頭對(duì)焊件的垂直壓力和桿槍距是決定焊接熱裂紋控制效果的兩個(gè)重要參數(shù)，在合適的參數(shù)規(guī)范下，可獲得

6、無熱裂紋的2A12T4鋁合金焊件。
　　隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓對(duì)鋁合金焊縫的表面形貌影響很大，常規(guī)焊縫表面比較粗糙，在焊趾部位存在明顯應(yīng)力集中，而隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓焊縫表面由均勻細(xì)密排列的圓環(huán)紋組成，表面較為平整光滑，降低了幾何缺口效應(yīng)的影響。
　　拉伸和疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，2A12T4鋁合金WTRE接頭的抗拉強(qiáng)度比常規(guī)焊接頭平均提高了約40MPa，前者的疲勞壽命也明顯高于后者。金相組織和拉伸斷口形貌觀察表明，隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓能夠細(xì)化晶粒，減少氣