振動對焊接接頭組織與性能的影響及其工程應(yīng)用.pdf

1、振動焊接(VibratoryWelding，VW)是在焊接過程中輔以機(jī)械振動以提高焊接接頭品質(zhì)的新技術(shù)。本文運(yùn)用試驗研究、數(shù)理統(tǒng)計和理論分析的方法，探討了振動對焊接溫度、接頭殘余應(yīng)力與變形、力學(xué)性能的影響；探索了振動對焊接接頭組織和性能的作用機(jī)制；揭示了振動對焊接熔池金屬初始動態(tài)再結(jié)晶過程的影響。應(yīng)用振動焊接技術(shù)成功解決了建筑H型輕鋼焊接變形大、高爐鋼厚板電渣焊焊縫晶粒粗大及側(cè)彎合格率低、大直徑全焊接閥體球閥須免焊后熱處理等技術(shù)難題，為

2、振動焊接技術(shù)在大型重要鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。 本文首先設(shè)計了3種熱輸入與4種振動加速度相匹配的Q345B振動埋弧焊交叉試驗方案，搭建了振動焊接試驗平臺以及溫度測量系統(tǒng)。運(yùn)用自行設(shè)計的以UT60E為主的輔助測溫系統(tǒng)對試樣的焊接溫度實時監(jiān)測，具有良好效果。 其次，論文詳細(xì)研究了振動加速度、焊接熱輸入對焊接接頭質(zhì)量的影響。通過研究焊接參數(shù)與振動參數(shù)對接頭成形的影響，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接熱輸入較小時選用較大的振動加速度，而當(dāng)熱輸入

3、較大時選用較小的振動加速度均有利于焊縫成形。施加機(jī)械振動可以降低焊接殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力分布更加均勻。在較小焊接熱輸入(22.8kJ/cm)時，殘余應(yīng)力隨著振動加速度的增加而減小，且趨勢明顯；在中等焊接熱輸入(26.6kJ/cm)時，殘余應(yīng)力在10m/s2的振動加速度下殘余應(yīng)力最?。欢鴮τ谳^大焊接熱輸入(31.6kJ/cm)時，殘余橫向應(yīng)力σx和殘余最大主應(yīng)力σmax在加速度為15m/s2時有明顯的下降。橫向收縮變形隨著焊接熱輸入的增加而

4、增加，縱向收縮變形較常規(guī)焊接下的明顯減小。對于較小的焊接熱輸入配合較大的振動加速度，而較大的焊接熱輸入配合較小的振動加速度都可以明顯減小焊接變形。振動降低殘余應(yīng)力和變形的機(jī)理主要是由于在熔池凝固過程中，機(jī)械振動加速熔池散熱，使熔池的溫度梯度減小，不均勻塑性變形減小，與溫度梯度相關(guān)的、作為熱應(yīng)力最終狀態(tài)的殘余應(yīng)力就減小。 焊接接頭粗晶區(qū)組織粗大，出現(xiàn)顯微硬度的峰值，表現(xiàn)出組織與性能之間的相關(guān)性。探討了振動對接頭沖擊韌度及沖擊斷口形

5、貌的影響規(guī)律，并對沖擊韌度與振動參數(shù)和熱輸入的相關(guān)性進(jìn)行回歸分析，認(rèn)為6m/s2時沖擊性能最佳。 應(yīng)用動態(tài)機(jī)械分析(DMA)方法對不同焊接條件下焊縫金屬基于應(yīng)變幅度的應(yīng)變阻尼(ADIF)進(jìn)行測量，分析了在不同振動焊接參數(shù)工藝下位錯形態(tài)與數(shù)量對動態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)振動加速度為0m/s2即常規(guī)焊接時焊接熱輸入越小阻尼越大，顯示由于焊接熱輸入不同導(dǎo)致晶粒尺寸的差異對振動阻尼的影響；6m/s2時，隨著應(yīng)變幅度的增加，31.6

6、kJ/cm的試樣的阻尼明顯增加，顯示位錯釘扎、應(yīng)變強(qiáng)化后特征；10m/s2時，26.6kJ/cm試樣的阻尼隨著應(yīng)變幅度的增加最先達(dá)到峰值，阻尼的這種變化與可動位錯長度與位錯密度有關(guān)；15m/s2時，22.8kJ/cm的試樣阻尼隨應(yīng)變幅度增加更快，顯示試樣內(nèi)位錯增殖更明顯，位錯密度高。 論文借助金相顯微鏡及透射電鏡系統(tǒng)研究了振動焊接下焊接接頭組織、微結(jié)構(gòu)、位錯組態(tài)等的變化規(guī)律，進(jìn)而探討振動影響焊接接頭質(zhì)量的機(jī)理。對于金屬材料來說，

7、組織決定性能。研究了焊接接頭的金相組織變化與振動焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，振動可明顯改善焊縫及熱影響區(qū)(Heat-AffectedZone，HAZ)的金相組織，使焊縫組織明顯細(xì)化，晶內(nèi)針狀鐵素體細(xì)而密，組織較均勻；焊接熱影響區(qū)的寬度明顯減小，魏氏組織變小，晶粒有所細(xì)化，但細(xì)化程度隨振動加速度的不同而有所不同，加速度為6～10m/s2時，組織較理想。過大的振動加速度并不會使焊縫晶粒尺寸無限地減小。 分析認(rèn)為，振動焊接過程中

8、熔池金屬發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。在振動焊接所特有的熱、力條件下，應(yīng)變量和應(yīng)變速率迅速提高，位錯密度相應(yīng)急劇增加。同時，振動促進(jìn)了與塑性變形有關(guān)的位錯滑移與攀移，為材料的動態(tài)再結(jié)晶提供了必要條件。從試驗結(jié)果可以看出，相同焊接熱輸入下，隨著振動加速度的增加，焊縫區(qū)位錯形態(tài)與分布發(fā)生較大變化，位錯數(shù)量明顯增加，位錯集中在一起形成位錯墻，且有大小不等的位錯環(huán)散亂分布在晶內(nèi)，晶界變形嚴(yán)重，增加焊接熱輸入，熔池溫度升高，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，晶界遷移加快。分

9、析得出了振動焊接條件下熔池金屬發(fā)生初始動態(tài)再結(jié)晶時熱變形參數(shù)的關(guān)系方程。 應(yīng)用多元非線性回歸分析方法建立了最高溫度、殘余最大主應(yīng)力、接頭沖擊韌度和與振動工藝參數(shù)(振動加速度及焊接熱輸入)間的相關(guān)數(shù)學(xué)模型；檢驗表明，模型具有足夠的精度，可以給振動焊接的工程應(yīng)用提供合理的參考。 最后，運(yùn)用振動焊接技術(shù)解決實際工程中大構(gòu)件的焊接難題。 H型Q235B鋼振動埋弧焊接試驗表明，振動焊接后，型鋼的腹板波浪變形明顯減小，保證了

10、生產(chǎn)質(zhì)量。 14MnNbTi高爐厚板的振動電渣焊接試驗表明，振動加速度為6m/s2時，接頭的側(cè)彎試驗合格率達(dá)100％。振動對焊縫金屬組織的細(xì)化作用明顯，對熱影響區(qū)粗晶區(qū)的改善也有明顯效果，但對離熔合線較遠(yuǎn)的組織的影響較弱。 大直徑全焊接閥體球閥制造是中國“西氣東輸”石油管道工程中的國產(chǎn)化項目，針對焊接工藝中的主要技術(shù)難題(殘余應(yīng)力、變形的控制和焊后免熱處理條件下的使用安全性)，首次實現(xiàn)了振動焊接技術(shù)在閥門筒體焊接中的成功