李 軍，張文鋒

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001;2.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江天臺(tái)317200)

焊接變形一直是焊接生產(chǎn)中需要面對(duì)和解決的問(wèn)題.焊接變形不僅使焊接工件的尺寸難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，造成安裝困難或影響產(chǎn)品美觀，還會(huì)在一定程度上降低焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命.為了控制焊接變形，可以選擇合適的加熱熱源和焊接規(guī)范來(lái)減小焊縫的熱輸入，也可采用預(yù)拉伸、溫差拉伸、隨焊激冷、錘擊、碾壓、機(jī)械拉伸等多種力學(xué)和加熱工藝措施來(lái)調(diào)控或矯正焊接變形.關(guān)于控制焊接變形的原理，公認(rèn)的基本觀點(diǎn)是:利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者相互抵消［1，2］.例如，對(duì)于預(yù)拉伸法［3］，“由于預(yù)先施加拉伸載荷，在焊接熱輸入的作用下，焊縫附近的材料較早處于屈服狀態(tài)，使平板焊縫在塑性狀態(tài)下被拉伸延展，因此可以抑制平板的縱向收縮變形”;對(duì)于焊時(shí)溫差拉伸法［4］，“馬鞍形溫度場(chǎng)的高溫區(qū)(焊縫兩側(cè))膨脹，會(huì)對(duì)溫度相對(duì)較低的焊縫區(qū)施加拉伸作用，使焊縫的縱向收縮得到抑制，因此可以降低殘余應(yīng)力和變形”;對(duì)于隨焊激冷法［5］，“在冷卻過(guò)程中，焊接區(qū)由于受到周?chē)饘俚睦於a(chǎn)生伸長(zhǎng)塑性變形，從而抵消焊接過(guò)程中形成的壓縮塑性變形，達(dá)到消除殘余應(yīng)力和變形的目的”;對(duì)于錘擊法和碾壓法［6，7］，“消除變形和調(diào)整殘余應(yīng)力是通過(guò)延展焊縫及其周?chē)膲嚎s塑性變形區(qū)金屬”;對(duì)于機(jī)械拉伸法，“通過(guò)對(duì)焊件施加一次機(jī)械拉伸，使得拉應(yīng)力區(qū)在外載作用下產(chǎn)生拉伸塑性變形，其方向與焊接時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形方向相反，作為結(jié)果，既減小了縱向焊接變形，也降低了殘余應(yīng)力”.作者在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，利用夾具對(duì)薄板焊件進(jìn)行機(jī)械擠壓也可以減小焊接變形，在該加載方式下，外載荷使構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形未必與焊接變形方向相反.為了弄清楚這個(gè)問(wèn)題，并了解該方法能夠減小焊接變形的原因所在，本文以不銹鋼薄板焊件作為研究對(duì)象，首先利用自制的試驗(yàn)夾具進(jìn)行了機(jī)械擠壓減小焊接變形的試驗(yàn)，然后借助有限元軟件對(duì)該工藝進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析..

1 機(jī)械擠壓矯正焊接變形試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

圖1為本研究中試件的尺寸和焊接位置.試件材料為304不銹鋼，焊接方法為T(mén)IG焊不填絲的表面熔敷方式.

圖2為機(jī)械擠壓試驗(yàn)夾具，由底板，立板，螺栓和壓板構(gòu)成.壓板由Cr12MoV材料制造，加工后淬火，其厚度與試件的板厚相同.由于焊縫部位金屬的最大厚度大于板材的板厚，為防止加載時(shí)由于間隙的存在導(dǎo)致試件產(chǎn)生波浪變形，立板內(nèi)側(cè)的中間位置加工出10 mm寬的凹槽.工作時(shí)首先將試件(焊縫垂直于水平面)置于底板之上、兩塊立板之間，并使試件的焊縫與立板內(nèi)側(cè)的凹槽相對(duì)應(yīng).然后將壓板置于試件之上，擰緊螺栓直至兩塊立板與試件的間隙為零.將試驗(yàn)夾具置于四柱壓力機(jī)的工作臺(tái)上，降下滑塊通過(guò)壓板對(duì)焊接試件施加25.2kN的壓力.升起滑塊，取出試件，完成機(jī)械擠壓過(guò)程.測(cè)量并記錄機(jī)械擠壓前后試件的縱向撓度.

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

表1為試件機(jī)械擠壓前后縱向撓度的對(duì)比.可以看到，常規(guī)焊件縱向撓度的平均值為1.584 mm，經(jīng)過(guò)機(jī)械擠壓，該值降到了0.096mm，已經(jīng)可以忽略不計(jì).試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械擠壓法能夠?qū)⒈“搴讣氖Х€(wěn)變形量降低到很低的程度.

圖2 機(jī)械擠壓試驗(yàn)夾具

表1 試件機(jī)械擠壓前后縱向撓度的對(duì)比(mm)

2 機(jī)械擠壓矯正焊接變形模擬

2.1 有限元建模

在本模擬計(jì)算中所做的假設(shè)包括:塑性變形不引起體積改變，即材料符合體積不變定律;材料連續(xù)且各向同性，材料屈服服從Mises屈服準(zhǔn)則;初始溫度為25℃.圖3為本模擬中所建的有限元模型.工件材料為304不銹鋼，其尺寸為180 mm×100 mm×2 mm.模型厚度方向劃分為兩層，共計(jì)14400個(gè)單元.計(jì)算中設(shè)置的焊接路徑及加熱方式均與前述試驗(yàn)中相同.模型中包括4個(gè)剛性平面，其中平面1和平面2分別代表焊接夾具的壓板和底板，平面3和平面4分別代表機(jī)械擠壓夾具的底板和壓板.采用速度加載方式控制剛體的運(yùn)動(dòng).模擬過(guò)程為:首先使工件在夾具拘束狀態(tài)下完成焊接過(guò)程，并冷卻至室溫;然后使平面3和平面4向焊件的兩個(gè)端面靠近，并對(duì)其施加一定的機(jī)械壓力;最后將四個(gè)平面與工件分離.作為比較，同時(shí)模擬了常規(guī)焊件的焊接過(guò)程.與機(jī)械擠壓焊件計(jì)算模型的不同是，在常規(guī)焊件的模型中不存在平面3和平面4.

2.2 模擬結(jié)果

圖4為常規(guī)焊件和機(jī)械擠壓焊件殘余變形的模擬結(jié)果對(duì)比.可以看到，常規(guī)焊件的縱向撓度為1.36 mm，而機(jī)械擠壓焊件的縱向撓度僅為0.045 mm，后者為前者的3.3%.模擬結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)焊件施加平行于焊縫方向的機(jī)械擠壓力，幾乎能完全消除焊接失穩(wěn)變形.

圖3 有限元模型

圖4 常規(guī)焊件和機(jī)械擠壓焊件殘余變形的模擬結(jié)果對(duì)比(變形放大3倍)

3 分析和討論

試驗(yàn)和模擬結(jié)果均表明，利用與機(jī)械拉伸法施力方向相反的機(jī)械擠壓法，同樣可以達(dá)到減小焊接變形的目的.既然機(jī)械拉伸法使構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形方向與焊接時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形方向相反，那么機(jī)械擠壓法可能使構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形方向一定不與焊接時(shí)產(chǎn)生的收縮塑性變形方向相反.這樣，機(jī)械擠壓法控制焊接變形的原理就不符合文獻(xiàn)［1-2］中所持的觀點(diǎn).為了清楚地了解機(jī)械擠壓對(duì)焊件縱向塑性應(yīng)變場(chǎng)帶來(lái)的變化，提取常規(guī)焊件和機(jī)械擠壓焊件位于焊縫中段橫截面與板材中性面交線(xiàn)上的縱向殘余塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，并繪制成如圖5中所示的曲線(xiàn).模擬結(jié)果顯示:在常規(guī)焊件的焊縫區(qū)既存在壓縮塑性應(yīng)變，也存在拉伸塑性應(yīng)變，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域沒(méi)有塑性變形產(chǎn)生;經(jīng)過(guò)適度機(jī)械擠壓后，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域產(chǎn)生了縱向壓縮塑性應(yīng)變，而焊縫區(qū)由焊接過(guò)程導(dǎo)致的塑性應(yīng)變值沒(méi)有發(fā)生變化.這表明，機(jī)械擠壓法減小焊接殘余變形的機(jī)制與是否改變了焊縫區(qū)的殘余塑性應(yīng)變場(chǎng)沒(méi)有關(guān)系.文獻(xiàn)［8］中提到，薄板焊件發(fā)生失穩(wěn)變形的根本原因是在焊縫及其附近區(qū)域存在數(shù)值較高的縱向拉應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)擠壓能夠降低焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力水平，因此能夠矯正焊接失穩(wěn)變形.機(jī)械擠壓法能夠矯正焊接變形也是基于焊縫區(qū)縱向拉應(yīng)力的減小.

圖5 常規(guī)焊件和機(jī)械擠壓焊件縱向殘余塑性應(yīng)變的分布曲線(xiàn)

圖6為常規(guī)焊件和機(jī)械擠壓焊件縱向殘余應(yīng)力的分布云圖.可以看到，相對(duì)于常規(guī)焊件，機(jī)械擠壓焊件焊縫區(qū)域的縱向殘余拉應(yīng)力水平要低得多.機(jī)械擠壓能夠降低焊縫區(qū)縱向殘余拉應(yīng)力水平的原因可以從圖5中獲得解釋.由于擠壓后在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域出現(xiàn)了縱向壓縮塑性應(yīng)變，使得該區(qū)域長(zhǎng)度變短，則焊縫和近縫區(qū)金屬中縱向拉應(yīng)力得以產(chǎn)生和存在的兩要素之一—“拘束”的作用減弱，作為結(jié)果，焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力水平必然降低.由于焊縫金屬在焊接冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生凝固收縮和熱收縮，而近縫區(qū)金屬在加熱膨脹時(shí)受阻會(huì)產(chǎn)生縱向壓縮塑性應(yīng)變，使得焊縫區(qū)域的長(zhǎng)度變短，因而機(jī)械擠壓時(shí)焊件兩端遠(yuǎn)離焊縫的部位要首先受力.隨著擠壓力的增大，焊縫兩端的整個(gè)端面積都將承受擠壓力.顯然，由于所受擠壓力大小的不同和焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)，焊件上遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域會(huì)首先產(chǎn)生縱向壓縮塑性應(yīng)變.隨著擠壓力的不斷增大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的縱向壓縮塑性應(yīng)變值將不斷增大，而焊縫區(qū)的縱向拉伸彈性應(yīng)變將逐漸變小，直至轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s彈性應(yīng)變甚至壓縮塑性應(yīng)變.在本模擬中，適當(dāng)?shù)臄D壓力雖然只使得遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域產(chǎn)生了縱向壓縮塑性變形，但也能獲得顯著的矯形效果.如果擠壓力很大，使焊縫部位也產(chǎn)生了縱向壓縮塑性變形，此時(shí)焊縫區(qū)縱向殘余拉應(yīng)力的減小則可歸于兩方面原因:一是遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域金屬對(duì)焊縫區(qū)金屬?gòu)椥允湛s的拘束作用的減弱，二是使焊縫區(qū)金屬產(chǎn)生塑性變形會(huì)釋放出其中的全部或部分焊接殘余應(yīng)力.此種情況下，外力使焊接構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形方向與焊縫區(qū)金屬的塑性變形方向是相同的.

圖6 常規(guī)焊件和機(jī)械擠壓焊件縱向殘余應(yīng)力的分布云圖

機(jī)械擠壓矯正焊接變形的模擬結(jié)果表明，是否減小或抵消掉焊縫區(qū)的壓縮塑性應(yīng)變并非控制薄板焊件失穩(wěn)變形的機(jī)制所在.對(duì)于面外變形為失穩(wěn)形式的薄壁焊接構(gòu)件，無(wú)論是采用力學(xué)加載還是熱學(xué)調(diào)控的方式，焊縫區(qū)縱向殘余拉應(yīng)力水平的降低才是焊接變形被減小或消除的根本原因.

4 結(jié)論

1)對(duì)焊件施加平行于焊縫方向的機(jī)械擠壓力能夠矯正薄板焊件的失穩(wěn)變形.

2)機(jī)械擠壓法能夠降低薄板焊件焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力水平是其能矯正焊接失穩(wěn)變形的原因.

3)機(jī)械擠壓法可使薄板焊件遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域產(chǎn)生縱向壓縮塑性應(yīng)變，減弱該區(qū)域金屬對(duì)焊縫區(qū)金屬?gòu)椥允湛s的拘束作用，因此可以降低焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力水平.

4)是否減小或抵消掉焊縫區(qū)的壓縮塑性變形并非控制焊接變形的機(jī)制所在.

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