振动焊接工艺效果研究

激振力
"档
@档
$档
#档
焊缝 <98:< *H # n$
热影响区 "8>9
"?8?? <<8?"
@98=# <>8><
@?8@> ">899
%$*"振动焊接对焊接热影响区疲劳寿命的影响 !!振动焊接提高焊件疲劳寿命的本质在于&#’ !降低 了焊接产生的残余拉应力"改善了焊缝和热影响区的 金相组织"振动焊接不仅提高了裂纹萌生寿命"而且提 高了裂纹扩展寿命"因此"能提高焊件的疲劳寿命% 振 动焊接可以较明显地提高焊接热影响区的疲劳寿命" 平均效果 大 于 <9n" 最 高 可 达 @#8#n% 试 验 结 果 见 图 #%
第二步"将振动焊接试样的各项试验数据同常规 焊接试验的结果进行比较"得到振动焊接与常规焊接 的各项性能的比较情况"以证明振动焊接的优越性及 工业应用价值%
%"试验数据及分析
%$#"振动焊接对纵向残余应力的影响 !!机械振动焊接降低残余应力的机理主要是由于机 械振动使焊缝及周围的温度梯度减小和振动使晶粒细 化(组织分布均匀所致&"’ % 试验表明振动焊接的纵向 残余应力的峰值大小无明显影响"应力水平一般与屈 服应力水平相当% 但对拉应力的分布宽度有一定影 响)合适的振动可以减小拉应力的分布面积"减弱了残 余应力对构件的不利影响% 试验结果见图 <%
表 #"固定激振力不同振动频率试样冲击功提高百分率
频率# 3V$
::8= =@8$ =@8? >:8" <<<8?
焊缝 :8<# <>8#9 @$8"" @:8>9 #98=$ *H # n$
热影响区 @8## <"8<< <#8=# "$8:< "?8#?
表 %"固定振动频率不同激振力试样冲击功提高百分率
#<8湖南科技大学机电学院工程材料系"湘潭!$<<"9<)"8上海交通大学材料学院焊接所"上海!"999@9$
!!摘!要!通过振动焊接与传统焊接方法的对比试验来研究振动焊接技术对焊接残余应力(焊接变形(焊缝及其热
影响区组织(工件焊缝质量(热影响区疲劳寿命等的影响"得出该技术可以降低焊接残余应力(细化焊缝及热影响区组织( 防止焊接裂纹和工件畸变"改善焊缝综合质量的结论"并成功应用于 30;?’项目中 @9$+圆形大底板构件的焊接中"取 得明显效果% 最后"指出了振动焊接技术在我国工业应用中尚存在的几个重大问题"为推广该项技术指明了发展方向%
# I$ !)6JCI72*f!!!!!# K$ !-BKJILB6G fF7]BGS 图 $!正常焊接和振动焊接情况下热影响区的显微组织
<@$
振 动 与 冲 击!!!!!!!!!!!!!!!!!!"99: 年第 "# 卷
%$)"振动焊接对焊缝质量的影响 !!振动焊接时由于振动的x搅拌x作用"熔池中的气 体和夹杂物更易于溢出焊缝表面"减少了焊缝内部的 缺陷"减小 了 微 裂 纹 源) 加 上 振 动 焊 接 有 降 低 焊 接 应 力(细化晶粒的效应"有利于延缓裂纹萌生&:’ % 机械振 动焊接可提高焊缝及热影响区试样的冲击功% 试样冲 击功提高百分率与频率(振幅#激振力$ 有关"结果见表 <(表 "% 在保证焊接过程相对稳定的条件下"选取合适 的频率(振幅就能更好地提高冲击功"从而得到更好的 焊缝质量%
#"振动焊接工艺试验方案
!!振动焊接工件为 @9$+圆形大底板%
根据 30;?’项目中 @9$+圆形大底板构件的结 构特点和技术要求"制定试验方案"以研究振动焊接技 术在其制作中的可行性和优越性%
第一步"选用 @9$+不锈钢板制作规格相同的多组 试样% 其中一组采用常规的焊接方法" 其余几组试样 分别在不同振动频率和振幅下进行振动焊接% 振动频 率和振幅的选取采用正交设计方法和扫描曲线相结合 的方法% 为了提高拘束度先将两块试板固焊在振动平 台上"然后进行振动焊接"焊完后进行盲孔法测量焊缝 的残余应力"最后从平台上割下试板"测量试板的变形 量% 还进行了金相分析和其他力学性能# 冲击(疲劳( 裂纹$ 的实验%
989:t_"t"下降率大于 #9n% %$’"振动焊接对焊缝和热影响区组织的影响 !!焊接时合适的机械振动力可以使焊缝及热影响区 产生附加的新晶核"并使正在成长的树枝状晶体及魏 氏体晶体破碎"造成的金属晶粒细化效果% 未振动试 板焊缝的组织为较粗大的树枝状结晶的铁素体 Y珠光 体)振动试板焊缝的组织呈细小的铁素体 Y珠光体"树 枝状分布不明显"如图 @% 其中图 @# I$ 是正常焊接时" 参考试件的焊缝的金相组织"为典型的柱状晶"为先共 析铁素体 Y魏氏组织铁素体 Y针状铁素体# 或粒状贝 氏体$ Y珠光体"晶粒很粗大)图 @ # K$ 是在振动# 频率 为 :?3V"电机偏心度在 @ 档$ 焊接下的焊缝金相组织" 相对图 @# I$ 晶粒较为细小"而且分布在晶界上的针状 铁素体#或粒状贝氏体$ 变小"魏氏组织也明显减少" 组织较均匀%
振动焊接是指在焊接过程中根据不同构件施加不 同参数的机械振动"即在振动条件下进行的焊接% 不 难想象"在一定频率范围内的轻微振动"势必对焊接熔 池有一定作用&<’ ! &当焊缝金属在熔融状态下"振动可 以使组织发生变化"细化晶粒"使焊缝的力学性能得到 提高) ’在有温度场作用下"焊缝处材料的屈服强度很 低% 因此"振动容易使热应力场梯度减小"故使最后的 焊接残余应力得到降低或均化) (由于振动"在结晶过 程中使气泡(杂质等容易上浮"氢气易排除"焊缝材料 与母材过渡连接均匀(平缓"降低应力集中"提高焊接 质量% 此项技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用" 接着"在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低 残余应力"这样可有效防止焊接裂纹的形成和工件的 畸变"提高构件的疲劳寿命"增强焊缝的力学性能%
图 #!振动焊接对热影响区疲劳寿命的影响
%$+"振动焊接对裂纹扩展寿命的影响 !!尽管目前尚未进行过相关的试验"由于裂纹扩展 速率与应力强度因子的平方成正比"振动焊接降低了 残余应力"使裂纹扩展的驱动力降低"也延缓了裂纹扩 展速率% 另外由于振动焊接细化了晶粒"增大了裂纹
扩展的阻力&?’ "有效地减少了非稳态裂纹扩展# N6N ; BG$ 的几率%
’"结"论
!!& 振动焊接可以改善焊缝区残余应力场的分布"
使之降低和均化)当频率(振幅# 激振力$ 选取合适时"
其降低效果更显著%
’ 振动焊接可以降低焊接变形"焊接角变形下降
率超过 #9n%
( 振动焊接大大改善焊缝及热影响区的金相组
织"使焊缝的 组 织 明 显 细 化" 熔 合 线 和 过 热 区 变 窄" 魏
关键词! 振动焊接"残余应力" 焊缝质量"力学性能 中图分类号! 0j$9$!!!文献标识码! *
!"引"言
振动焊接是在普通焊接工艺和振动时效# -2($ 的 基础上"增加稳频稳幅辅助机械振动的新工艺% 这种 工艺的应用研究在国内刚刚起步)试验表明这种方法 可以细化焊缝晶粒"并改善焊接变形和焊接残余应力% 对超大型(厚板焊接钢结构应用振动焊接工艺可减少 矫形和消 应 力 的 工 作 量" 提 高 产 品 质 量" 缩 短 生 产 周 期"降低生产成本% 可以预言"振动焊接的推广和应用 必将给焊接生产行业带来巨大的经济效益% -2(技术 在国内外已经普遍使用"广泛应用于消除残余应力)而 振动焊接作为一种新型工艺正处在研究和推广阶段%
振!动!与!冲!击
第 "# 卷第 $ 期
%&’()*+&,-./(*0.&)*)123&45
-678"# )68$ "99:!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
>?
>>>>>>? 工程应用
>>>>>>?
>?
振动焊接工艺效果研究
尹何迟< !陈立功" !张光业< !倪纯珍"
&"目前振动焊接工艺研究尚须解决的问题
&$#"机理研究 !!振动焊接是一种在外场作用下的焊接"其控制原 则是对熔池施以稳频和稳幅的振动)这个振动参数必 须由试验获得"其必须保证焊缝的质量"同时又能改善 结构的焊接变形和焊接残余应力% 由于振动焊接的研 究在我国刚刚起步"试验的钢种极少"试验数据不多" 对振幅影响的研究也不完善% 因此应加强机理方面的 研究"改进研 究 方 法" 扩 大 钢 种 的 范 围" 开 展 系 统 而 严 格的研究"# 特别是对振动焊接可能的负面影响方面$ " 工作量十分大% &$%"技术产品的开发 !!目前的振动焊接系统采用一个激振器和多个加速 度传感器的测控方法"应用焊接速度来估计熔池位置" 并用其邻近的传感器的加速度测量值来替代熔池的振 动幅度"从而实现振动的恒幅控制% 由于振动的* 响 应+ 分布与* 激励+ 是非线性的"且传感器与焊缝间又必 须考虑一定的距离"故这种方法难以较准确地确定熔 池的加速度幅值% 此外"目前的振动焊接系统皆应用 固定偏心距的旋转激励方法"其激励的输出幅度与旋 转的频率相关"当频率游动于受迫振动 ;过共振 ;共 振 ;亚共振 ;受迫振动的频带时"加速度幅度控制的 稳定性变差% 又由于焊缝有可能处在振动节线的位 置"该位置加速度的幅值很低"而采用一个激励源就必 须以较大的频带改变频率才能把节线位置转移"又由 于旋转的机械惯性"有可能造成控制的滞后% 因此有 必要对目前的振动焊接系统进行改进% &$&"技术标准及工程应用 !!我国目前尚未形成振动焊接的技术标准)结合国 家管理部 门( 国 内 有 影 响 的 大 学( 研 究 所 以 及 生 产 单 位"以重大工程为切入点"有目标地开展振动焊接的应 用和技术标准工作"将有利于振动焊接技术规范化地 推广%