振動(dòng)對(duì)焊接接頭組織與性能的影響及其工程應(yīng)用.pdf

1、振動(dòng)焊接(VibratoryWelding，VW)是在焊接過(guò)程中輔以機(jī)械振動(dòng)以提高焊接接頭品質(zhì)的新技術(shù)。本文運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和理論分析的方法，探討了振動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)焊接接頭組織和性能的作用機(jī)制；揭示了振動(dòng)對(duì)焊接熔池金屬初始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程的影響。應(yīng)用振動(dòng)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(dòng)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(jì)了3種熱輸入與4種振動(dòng)加速度相匹配的Q345B振動(dòng)埋弧焊交叉試驗(yàn)方案，搭建了振動(dòng)焊接試驗(yàn)平臺(tái)以及溫度測(cè)量系統(tǒng)。運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的以UT60E為主的輔助測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)試樣的焊接溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有良好效果。 其次，論文詳細(xì)研究了振動(dòng)加速度、焊接熱輸入對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響。通過(guò)研究焊接參數(shù)與振動(dòng)參數(shù)對(duì)接頭成形的影響，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接熱輸入較小時(shí)選用較大的振動(dòng)加速度，而當(dāng)熱輸入

3、較大時(shí)選用較小的振動(dòng)加速度均有利于焊縫成形。施加機(jī)械振動(dòng)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(shí)，殘余應(yīng)力隨著振動(dòng)加速度的增加而減小，且趨勢(shì)明顯；在中等焊接熱輸入(26.6kJ/cm)時(shí)，殘余應(yīng)力在10m/s2的振動(dòng)加速度下殘余應(yīng)力最??；而對(duì)于較大焊接熱輸入(31.6kJ/cm)時(shí)，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(shí)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(duì)于較小的焊接熱輸入配合較大的振動(dòng)加速度，而較大的焊接熱輸入配合較小的振動(dòng)加速度都可以明顯減小焊接變形。振動(dòng)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(guò)程中，機(jī)械振動(dòng)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(dòng)對(duì)接頭沖擊韌度及沖擊斷口形

5、貌的影響規(guī)律，并對(duì)沖擊韌度與振動(dòng)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(shí)沖擊性能最佳。 應(yīng)用動(dòng)態(tài)機(jī)械分析(DMA)方法對(duì)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(cè)量，分析了在不同振動(dòng)焊接參數(shù)工藝下位錯(cuò)形態(tài)與數(shù)量對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)振動(dòng)加速度為0m/s2即常規(guī)焊接時(shí)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(duì)振動(dòng)阻尼的影響；6m/s2時(shí)，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(cuò)釘扎、應(yīng)變強(qiáng)化后特征；10m/s2時(shí)，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(dòng)位錯(cuò)長(zhǎng)度與位錯(cuò)密度有關(guān)；15m/s2時(shí)，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(cuò)增殖更明顯，位錯(cuò)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(dòng)焊接下焊接接頭組織、微結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)組態(tài)等的變化規(guī)律，進(jìn)而探討振動(dòng)影響焊接接頭質(zhì)量的機(jī)理。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，

7、組織決定性能。研究了焊接接頭的金相組織變化與振動(dòng)焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，振動(dòng)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(dòng)加速度的不同而有所不同，加速度為6～10m/s2時(shí)，組織較理想。過(guò)大的振動(dòng)加速度并不會(huì)使焊縫晶粒尺寸無(wú)限地減小。 分析認(rèn)為，振動(dòng)焊接過(guò)程中

8、熔池金屬發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在振動(dòng)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(cuò)密度相應(yīng)急劇增加。同時(shí)，振動(dòng)促進(jìn)了與塑性變形有關(guān)的位錯(cuò)滑移與攀移，為材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供了必要條件。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同焊接熱輸入下，隨著振動(dòng)加速度的增加，焊縫區(qū)位錯(cuò)形態(tài)與分布發(fā)生較大變化，位錯(cuò)數(shù)量明顯增加，位錯(cuò)集中在一起形成位錯(cuò)墻，且有大小不等的位錯(cuò)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(dòng)焊接條件下熔池金屬發(fā)生初始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)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(dòng)工藝參數(shù)(振動(dòng)加速度及焊接熱輸入)間的相關(guān)數(shù)學(xué)模型；檢驗(yàn)表明，模型具有足夠的精度，可以給振動(dòng)焊接的工程應(yīng)用提供合理的參考。 最后，運(yùn)用振動(dòng)焊接技術(shù)解決實(shí)際工程中大構(gòu)件的焊接難題。 H型Q235B鋼振動(dòng)埋弧焊接試驗(yàn)表明，振動(dòng)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(dòng)電渣焊接試驗(yàn)表明，振動(dòng)加速度為6m/s2時(shí)，接頭的側(cè)彎試驗(yàn)合格率達(dá)100％。振動(dòng)對(duì)焊縫金屬組織的細(xì)化作用明顯，對(duì)熱影響區(qū)粗晶區(qū)的改善也有明顯效果，但對(duì)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(guó)“西氣東輸”石油管道工程中的國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目，針對(duì)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?xiàng)l件下的使用安全性)，首次實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)焊接技術(shù)在閥門筒體焊接中的成功