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1、随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理
2、第11€€冲击活塞;2€€压簧;3€€冲击传力杆;4€€冲击碾压轮后座;5€€扭簧;6€€冲击碾压轮;7€€工件;8€€焊接电弧图1 随焊冲击碾压法装置简图 图2所示为冲击碾压轮的形状,其中图2a为前轮,它的形状是内凹的,工作时它跟随在焊接电弧的后面,“跨”在焊缝上面,其两侧轮缘紧紧地压在焊趾部位。适当调节前轮与焊接电弧之间的距离,使前轮缘下方的焊缝金属正好处于脆性温度区间内。当冲击碾压轮后座向下冲击时,前冲击碾压轮就给焊趾部位的金属施加一个冲击碾压作用。图2b为后轮,比前轮稍宽,轮缘形状略向外凸,
3、工作时它紧紧的压在焊缝部位。焊接时,选用恰当的前后轮间距,使后轮下方的金属冷却到脆性温度区间以下。当冲击碾压轮后座向下冲击时,冲击碾压后轮就给焊缝金属施加一个冲击碾压作用。图2 冲击碾压轮的形状 3 随焊冲击碾压控制薄壁结构应力变形防止热裂纹机理数值分析 为深入了解随焊冲击碾压法的机理,用数值计算的方法对冲击碾压轮引起焊缝金属塑性流变行为和应变场变化进行了分析。计算采用了大型有限元软件SMC.SUPERFORM并采用了热机耦合算法。图3为在前后冲击碾压轮作用下工件中横向塑性应变的分布图,图4所示为横向塑性应变沿工件横截面的分布,其中第一个横
4、截面位于前轮后方,第二个横截面位于冲击碾压后轮下方,第三个横截面位于冲击碾压后轮之后。从这两图可以看出在前轮冲击碾压之后,处于前轮缘中间的焊缝金属和前轮缘外侧的母材金属承受横向挤压应变,而轮缘正下方焊趾部位的金属承受拉伸应变,这主要是由于焊缝金属受前轮缘的排挤,被迫从焊趾部位向两侧流动所致。由于前轮缘各段曲率半径不同(r2>r1,见图2a),所以在压入深度相同情况下,向内侧排挤的焊缝金属体积要大于向外侧排挤的金属体积,也就是说大部分焊缝金属被迫从焊趾处向焊缝中心线流动,所以焊缝中心部位承受的挤压应变值明显要大一些。这个挤压应变能够减小甚至
5、抵消致裂的拉伸应变,从而有效地防止了焊接热裂纹的产生。必须指出的是,前轮在对焊缝部位施加挤压应变防止热裂纹的同时,也加剧了焊缝的横向收缩。从图3和图4还可以看出,在后轮冲击碾压作用之后,工件中横向塑性压应变区明显减小,幅值也大大降低,特别是焊缝中心部位由压应变区转化为拉应变区;前轮缘下方原拉应变区幅值也有所降低,整个接头区域的应变分布明显趋于均匀化。分析认为,这主要是因为焊缝冷却时产生的横向压缩塑性变形和前轮的挤压作用导致的横向压缩塑性变形都被后轮充分延展所致。图3 在前后冲击碾压轮作用下工件中横向塑性应变的分布图4 横向塑性应变沿工件横截面的
6、分布 图5所示为在前后轮冲击碾压作用之后,纵向塑性应变沿工件横截面的分布。从图中可以看出,前轮经过之后,其轮缘下方一定区域内的金属承受纵向拉伸应变,而后轮经过以后,整个焊缝区域都处于纵向拉伸应变状态,这说明焊缝在冷却过程中产生的纵向残余压缩塑性变形被前后轮充分碾展。图5 前后轮冲击碾压后纵向塑性应变沿工件横截面分布 综合图3～5可知,前后轮经过以后,焊缝区纵向和横向压缩塑性变形都被充分延展,趋于均匀化,这必然会降低工件焊后残余应力和变形。 图6所示是前后轮经过之后引起焊缝区金属的变形结果,结合图4可知,前轮经过之后,焊缝中心区域的金属受到
7、内侧轮缘的强烈挤压作用,被迫沿其轮廓平滑向上隆起;在前轮缘外侧的母材金属受到的排挤作用较弱,向上轻微隆起;而焊趾部位则被前轮缘向下压陷。由于后轮比前轮稍宽,所以后轮经过之后,无论是焊缝中心还是两侧向上隆起的金属均被压平;而被前轮缘压陷的焊趾部位则被其两侧金属流动填充而向上隆起,这减小了前轮经过之后焊缝各部位的高度差,使整条焊缝表面都趋于光滑平整。图6 前后轮经过之后引起焊缝区金属的变形 综上所述,随焊冲击碾压控制薄壁结构应力变形防止热裂纹机理可以概括表述为:前轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加了一个横向挤压应变,减小甚至抵消了致裂的拉伸应变,
8、起到防止焊接热裂纹的效果,前轮同时还有一定的纵向延展作用,有助于减小整个工件的纵向残余应力和变形;后轮将焊缝金属在冷却过程中形成的纵向和横向压缩塑性变形以及由前轮引起焊缝的横向压缩塑性变形都充分延展,主要起到降低残余应力减小焊接变形的效果。 4 随焊冲击碾压试验结果及分析 对几种铝合金进行了常规焊接和随焊冲击碾压焊接,进行了对比。图7a所示为没有进行冲击碾压的常规焊缝形貌,图7b所示为随焊冲击碾压后的焊缝形貌,从图中可以看出常规焊缝中出现了贯穿全长的热裂纹,而随焊冲击碾压后的焊缝中没有出现热裂纹。从图7还可以看出,常规焊缝形貌比较粗糙而随焊
9、冲击碾压后焊缝表面平整光滑。LD10铝合金,厚度为2mm,I=125A,v=500mm/min图7 焊缝形貌对照图8是随焊冲击碾压试件和常规焊接试件变
