薄壁结构焊接的焊中控制研究现状

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1、俘掳专题综述‰删薄壁结构焊接的焊中控制研究现状哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001)李军杨建国翁路露李海龙方洪渊摘要综合评述了近些年薄壁结构焊接的焊中控制研究现状。对薄壁结构焊接应力和变形的各种焊中控制方法进行了总结，这些方法主要包括预拉伸法、温差拉伸法、随焊锤击法、随焊碾压法和随焊冲击碾压法等，其中一些方法既可以减少焊接应力和变形，又可以控制热裂纹，且能提高焊接接头的力学性能。论文对这些方法的工作原理、装置、对焊接应力变形和热裂纹的控制效果以及它们对焊接接头力学性能的影响等进行了概括和介绍，对它们的不足之处也作了分析，并指出了进一步的研究方向。关键词：薄壁

2、结构变形应力裂纹力学性能中图分类号：TG4070前言在飞机、火箭等航空航天器及动车、仓储罐等民用产品上，大量采用铝合金、钛合金等材质的薄壁焊接结构。这类结构重量轻、强度高，可以提高产品的有效载荷系数，但焊接残余应力和失稳变形问题非常突出。焊接残余应力与变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性的重要因素，它会导致在焊接接头中产生冷、热裂纹等缺陷，在一定的条件下还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度有不利的影响⋯。焊接变形常常导致产品质量隐患，而且，为了消除残余变形和减少残余应力，往往需要增加费时耗资的附加工序拉J。控制焊接应力和变形，可采用焊前的预防措施或“被动的”

3、焊后矫正措施。焊前的预防措施包括预变形法和刚性固定法一1等。用预变形工艺控制薄壁板壳结构上封闭型焊缝造成的焊后变形效果较好HJ，但这一措施不能减少焊缝中的残余应力；刚性固定法只能起到降低残余变形的作用，焊后焊件中会残留较大的应力。焊后的矫正措施常用的有焊缝滚压法"J、锤击法旧J、整体加热法和局部加热法等。这些方法大多都能有效地减少焊接残余变形和应力，但它们的共同缺点是增加了生产工时和额外的矫正费用。考虑到焊前和焊后控制方法中存在的弊端，近年来国内外的焊接工作者对“积极的”的焊中控制措施进行了更多的研究，并开发了多种具有实际工程应用价值的方法。论文将对这些方法的工作原理、装置、对焊

4、接应力收稿日期：2008一03一04162008年第8期变形和热裂纹的控制效果以及它们对焊接接头力学性能的影响进行简要的介绍和评述。1薄壁结构的焊接变形焊接过程中的局部集中热源，在被焊工件中造成了热源附近温度很高而远离热源的区域温度较低的不均匀温度场，在此温度场的作用下，近缝区金属的热膨胀因受到两侧较冷部分的约束限制而产生弹塑性压缩变形；在焊缝冷却过程中，焊缝及近缝区金属的热收缩因受到两侧较冷部分的约束限制又要发生弹塑性拉伸变形。在冷却过程所产生的拉应力中，超过材料屈服极限的部分得到释放，但仍有接近或低于屈服强度的拉应力保留下来，并相应地在远离焊缝的区域产生与之平衡的压应力。如果

5、压应力值高于板件的临界失稳压应力盯。，值，则焊件就会发生压曲失稳变形。图l为临界失稳压应力值盯。，与焊件厚度t的关系口J。根据板0杂倒出映磐012345678910ll厚度t／nun图1临界失稳压应力值矿。与焊件厚度的关系‘21‰蒯专题综述俘掳壳理论，板壳失稳的临界压应力盯，，值与焊接构件厚度t的平方成正比，因此，焊件的厚度越薄，临界压应力值越低。从图中可以看出，当焊接构件厚度低于4111111时。矿。，下降速度很快，说明压曲失稳变形在厚度为4mm以下的薄壳焊接结构上更为严重。另外，由于板壳构件发生失稳的临界压应力值还与材料的弹性模量成正比，因此，对于弹性模量分别为钢的1／3和1

6、／2的铝合金和钛合金的薄壁焊接结构，焊后的失稳变形问题尤为突出。2焊接应力与变形的焊中控制方法2．1预拉伸法乌克兰巴顿焊接研究所于1994年推荐采用预置应力焊接法一j。预置应力法中目前研究较多的是预拉伸法。预拉伸法是通过对板材两端施加沿焊缝方向的预置拉应力与焊接温度场在焊件上引起的应力相叠加，来改变焊件内应力应变的分布状况，从而达到控制焊接应力与变形的目的。巴顿焊接研究所的研究者认为悼J，预拉伸法可以成功地应用于控制宽板焊接和窄板焊接的焊接变形，特别适用于控制长薄板自动焊接时的焊接变形。许多研究表明，在焊前和焊接过程中施加大于母材屈服强度50％的弹性拉伸，能够明显降低焊件的残余应

7、力和变形。文献[9]用预拉伸法对厚度为4mm的5A05铝合金板的焊接进行了研究，焊后残余应力及变形的测定结果表明，当预拉伸应力为材料屈服强度的90％时，其焊后残余应力的绝对平均值仅为7．84MPa，比无预拉伸时的32．56MPa降低了近76％，而纵向挠曲变形量由3．85mm下降至1．20mm。对于面积较大的壁板结构，预拉伸法要求有专门设计的庞大机械装置与自动焊接设备配套，使其应用受到限制。2．2温差拉伸法温差拉伸法的基本原理是对焊缝两侧加热的同时，对焊缝区快冷，形成一个温差，对焊