雙向預置應力控制鋁合金薄板焊接變形與熱裂紋研究.pdf

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

2、生和擴展。該方法為解決高強鋁合金薄板焊件存在變形大和熱裂紋傾向嚴重等問題提供了一種切實可行的新工藝。
　　文中選擇重物加載方式結合螺旋副傳力方式，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要求的雙向預置應力裝置。
　　預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LTPS作用下應力場進行了數(shù)值模擬計算，量化了應力橫截面上殘余拉應力峰值降低量與施加的預應力之間的關系：在預置拉應力與殘余應力疊

3、加后不導致焊件發(fā)生局部屈服的前提下，LPTS工藝使殘余應力峰值的降低量就等于預拉應力值。同時，殘余壓應力也隨之降低，并與拉應力保持平衡關系，通過對LTPS條件下縱向應力的演變過程的模擬計算，以截面內應力平衡為原則，推導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應力，為指導實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。對于尺寸為300mm×200mm×2mm的LY12鋁合金薄板焊件，當預置拉應力為0.75 sσ時( sσ為

4、鋁合金的屈服強度)，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)預拉伸對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，增加了橫向拉伸應變，使焊接熱裂紋傾向增大。對于尺寸為200mm×100mm×2mm的試件，采用表面熔敷形式，當預置拉應力為0.7 sσ時，產(chǎn)生的裂紋長度為10.6mm。
　　針對預拉伸的熱裂缺點，并根據(jù)熱裂紋產(chǎn)生的力學條件，提出了橫向預置擠壓應力（TCPS

5、）控制焊接熱裂紋的方法。該方法控制熱裂紋的機理為：TCPS產(chǎn)生的預壓應力對脆性溫度區(qū)間金屬通過應變傳遞方式對焊縫處金屬產(chǎn)生橫向壓縮應變，減小甚至抵消 BTR焊縫金屬的橫向拉伸應變，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展與產(chǎn)生，魚骨狀試樣裂紋試驗結果表明，采用整體加載時，隨著預置壓應力的增加，裂紋長度逐漸減小，常規(guī)焊時試件熱裂紋率高達45%，當 TCPS為0.1 sσ時，能完全消除熱裂紋。
　　橫向預置壓

6、應力致使試件受壓縮短的同時，會產(chǎn)生縱向伸長，兩者符合泊松比的關系，在板中心上產(chǎn)生的縱向應變會使得焊接殘余拉應力峰值降低，降低量相當于同樣數(shù)值的 LPTS的（1μ-1）倍，因此會對控制變形起到一定程度的貢獻，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，從試驗結果得到驗證。
　　為了同時控制焊接變形和熱裂紋，將兩向預應力結合起來形成雙向預置應力，通過理論

7、、數(shù)值模擬和試驗三者結合，證明了雙向預應力條件下，縱、橫兩預應力之間存在交互作用，每個方向的預應力都會對另一個方向的應力、應變產(chǎn)生影響，綜合作用結果是兩向預應力效果的疊加，通過兩者合理的配比，可以得到低應力、小變形、無裂紋的焊件。
　　采用300mm×200mm×2mm的 LY12鋁合金薄板試件，進行了平直縫焊接試驗，結果表明，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