蘇文韜，姚 愷，方 圓，馬春偉

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

試驗(yàn)結(jié)果表明，手工電弧焊在焊接區(qū)垂直焊接方向的殘余應(yīng)力最大值為387 MPa，在焊縫兩側(cè)為壓應(yīng)力，距離焊縫兩側(cè)12mm 處，壓應(yīng)力最大；平行焊接方向上的殘余應(yīng)力在中間位置為拉應(yīng)力，在工件兩邊為壓應(yīng)力，靠近邊緣壓應(yīng)力增大。針對(duì)低碳鋼的摩擦焊研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明，整個(gè)焊接過(guò)程中摩擦面靠近工件內(nèi)圓處軸向壓應(yīng)力更大，焊接大部分時(shí)間內(nèi)摩擦面上溫度分布均勻。對(duì)工藝參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，摩擦面能量輸入密度對(duì)焊接過(guò)程影響極大。在240MPa 摩擦壓力，600rpm 轉(zhuǎn)速，105J/mm2能量輸入密度下得到的工件時(shí)效熱處理后常溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1358MPa 高溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到了1144MPa。

隨著材料、航空、宇航、核能工程和海洋開發(fā)等高科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，世界各國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生質(zhì)的變化，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)停滯不前或逐漸萎縮和改組，新興產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展，有力地促進(jìn)了現(xiàn)代固態(tài)焊接等新焊接方法的發(fā)展。以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，縮短研制生產(chǎn)周期，不斷提升自身在國(guó)際分工中的地位為目的，摩擦焊接作為一種優(yōu)質(zhì)、精密、高效、節(jié)能的固態(tài)焊接技術(shù)，越來(lái)越受到各國(guó)的重視，并已發(fā)展成為諸如高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之類的重要部件最可靠和最可信賴的標(biāo)準(zhǔn)焊接方法[1-4]。

摩擦焊接是一種壓焊方法，它是在外力作用下利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量，使接觸面及其近區(qū)金屬達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，通過(guò)兩側(cè)材料的相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而完成焊接的。在摩擦焊焊接過(guò)程中，工件摩擦其處于高溫塑性狀態(tài)，冷卻后易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，會(huì)降低構(gòu)件的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)度、抗斷裂能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。因此，對(duì)摩擦焊殘余應(yīng)力的研究是非常重要的[5-7]。

傳統(tǒng)手工電弧焊焊接時(shí)，局部高溫加熱造成焊接溫度場(chǎng)分布不均勻，在工件的內(nèi)部產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力和變形，焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破壞的原因，有資料表明，拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低疲勞強(qiáng)度和腐蝕應(yīng)力。壓縮的殘余應(yīng)力減小構(gòu)件的穩(wěn)定性。此外，焊接殘余應(yīng)力變形使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以滿足技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)制造的質(zhì)量和性能。

本研究通過(guò)試驗(yàn)方法，分別測(cè)量手工電弧焊和摩擦焊接4mm 金屬板時(shí)的殘余應(yīng)力，對(duì)比分析二者在橫向和縱向殘余應(yīng)力的分布大小及變形規(guī)律，為工程實(shí)踐提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于控制和調(diào)整焊接變形。

1 電弧焊與摩擦焊試驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選用的母材是GH4169，該材料化學(xué)成分組成見表1。

表1 GH4169 合金化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 手工電弧焊實(shí)驗(yàn)

采用手工電弧焊對(duì)平板進(jìn)行對(duì)接焊。單塊鋼板尺寸300mm×195mm×4mm，坡口為I 形，裝配時(shí)在起弧和收弧處分別焊接固定塊，焊縫底部焊接引弧板，采用輔助板固定焊接板的兩側(cè)，避免焊接過(guò)程中過(guò)度彎曲變形。采用與母材性能匹配的焊條和焊絲。手工電弧焊機(jī)型號(hào)為KEMPPI（MLS3500）。手工電弧焊的電弧電壓為28V，焊接電流100A，焊接速度0.43cm/s,焊縫熱輸入6.462kJ/cm。

1.3 摩擦焊的實(shí)驗(yàn)

采用賽福斯特摩擦焊設(shè)備，選取300mm×195 mm×4mm 的低碳鋼板（圖1），采用錐形帶螺紋攪拌頭，攪拌針長(zhǎng)度7.5mm，軸肩直徑20mm，在不同焊接參數(shù)下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，如圖2 所示。采用不同的焊接參數(shù)，探討不同的焊接效果。

圖1 焊件

圖2 摩擦焊實(shí)驗(yàn)圖

2 殘余應(yīng)力的測(cè)量

殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可分為物理方法和機(jī)械方法。物理方法包括x 射線法和超聲波法等,其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生破壞而機(jī)械測(cè)試方法如鉆孔法(盲孔法),簡(jiǎn)潔明確,但會(huì)對(duì)構(gòu)件造成破壞性損傷焊接殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，本次實(shí)驗(yàn)采用盲孔法，因?yàn)槊た追ㄊ且环N成熟且精確度高的測(cè)試應(yīng)力的方法，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用在工程領(lǐng)域，用于測(cè)量各種焊接結(jié)構(gòu)，為焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是破壞性小，測(cè)量的數(shù)據(jù)精度和靈敏度高。因此本試驗(yàn)采用盲孔法測(cè)量焊接殘余應(yīng)力（圖3）。采用鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x（TJ120-1.5-準(zhǔn)1.5）。

圖3 盲孔法測(cè)量圖

測(cè)量手工電弧焊對(duì)接殘余應(yīng)力的分布曲線，測(cè)量路徑（圖4）。在垂直于焊縫中心的位置粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片之間距離為15mm，記為路徑一；在平行于焊縫方向，距離焊縫9.4mm 位置處粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片之間的距離為17.2mm。應(yīng)變片之間的距離按照設(shè)備技術(shù)要求選擇鉆孔測(cè)量。處理路徑一數(shù)據(jù)時(shí)，在焊縫左邊板寬記為負(fù)值，右邊記為正值；路徑二處理時(shí)，從下往上沿寬度方向依次記為0～300mm。

圖4 盲孔法測(cè)量路徑圖

在應(yīng)力場(chǎng)中鉆小孔，應(yīng)力的平衡被破壞，鉆孔引起應(yīng)力的釋放，通過(guò)粘貼的應(yīng)變片連接到測(cè)量?jī)x上，測(cè)量出釋放的應(yīng)變。盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力的原理是采用特制的箔式應(yīng)變花粘貼在被測(cè)工件的表面，應(yīng)變花和參考軸方向，在應(yīng)變花的中心鉆一個(gè)小孔。通?？讖綖?.5～3.0mm，孔深為1.5～3mm，本試驗(yàn)孔徑為1.5mm，孔深為2.0mm。通過(guò)公式可以算出孔深范圍內(nèi)平均殘余應(yīng)力大小和方向。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及比較

3.1 手工電弧焊殘余應(yīng)力分布規(guī)律

手工電弧焊采用電弧加熱，將工件局部加熱到融化狀態(tài)形成熔池，填充焊接金屬，端部在電弧的加熱作用下不斷被融化，形成熔滴過(guò)渡到熔池，隨著電弧的移動(dòng)，熔池金屬的逐步冷卻結(jié)晶，形成焊縫。由于不均勻的溫度場(chǎng)所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，局部發(fā)生塑性變形，溫度恢復(fù)原始的均勻狀態(tài)后，就會(huì)產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，即殘余應(yīng)力。焊接時(shí)，二者均產(chǎn)生焊接變形。手工電弧焊的熱流密度小，熱輸入大。氬弧焊的焊接熱流密度大，焊接熱輸入集中。本研究通過(guò)控制焊接熱輸入，采用相同的電流參數(shù)，試驗(yàn)選用4 mm 薄板，厚度方向上的殘余應(yīng)力很小，可忽略，簡(jiǎn)化為二維進(jìn)行分析。用盲孔法測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)并繪制應(yīng)力-位置分布圖，對(duì)比分析二者的變形。如圖5、6 所示。

圖5 橫向應(yīng)力

圖6 縱向應(yīng)力

3.2 摩擦焊殘余應(yīng)力分布規(guī)律

采用不同的焊接參數(shù)，出現(xiàn)了以下不同的焊接效果。當(dāng)攪拌頭的轉(zhuǎn)速低于500r/min，焊接速度在100mm/min 時(shí)，焊縫直觀效果較好，無(wú)飛邊與毛刺現(xiàn)象，如圖7a 所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于600r/min 時(shí)，熱量輸出較大，易產(chǎn)生毛刺，如圖7b 所示；當(dāng)焊接速度低于100mm/min 同時(shí)轉(zhuǎn)速高于400r/min 時(shí)，有明顯的飛邊，如圖7c 所示；當(dāng)焊接速度過(guò)高或轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，出現(xiàn)了攪拌頭斷裂現(xiàn)象，如圖7d 所示。

圖7 摩擦焊效果圖

出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因?yàn)檗D(zhuǎn)速直接影響熱輸出量，也就是直接影響讓材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的能力，而焊接速度直接影響攪拌頭行進(jìn)過(guò)程中的阻力以及熱輸出量傳遞的速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高且焊接速度較低時(shí)，與攪拌頭接觸部位會(huì)迅速軟化進(jìn)入塑性狀態(tài)，而過(guò)高的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致攪拌頭對(duì)焊接材料的摩擦力過(guò)大，因而易出現(xiàn)表面毛刺現(xiàn)象，而較低的焊接速度導(dǎo)致攪拌頭長(zhǎng)時(shí)間在已進(jìn)入塑性狀態(tài)的材料內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致飛邊出現(xiàn);當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)低或焊接速度過(guò)高時(shí)，一方面較低的轉(zhuǎn)速帶來(lái)較小的熱輸出量，導(dǎo)致材料無(wú)法吸收足夠的熱量進(jìn)入塑性狀態(tài)，攪拌頭承受過(guò)大的剪應(yīng)力導(dǎo)致斷裂;另一方面焊接速度過(guò)高時(shí)，材料沒(méi)有足夠的時(shí)間吸收熱量以進(jìn)入塑性狀態(tài)，攪拌頭受到過(guò)大的橫向阻力，導(dǎo)致攪拌頭斷裂。

4 結(jié)論

手工電弧焊在焊接區(qū)垂直焊接方向的殘余應(yīng)力最大值為387MPa，在焊縫兩側(cè)為壓應(yīng)力，距離焊縫兩側(cè)12mm 處，壓應(yīng)力最大。平行焊接方向上的殘余應(yīng)力在中間位置為拉應(yīng)力，在工件兩邊為壓應(yīng)力，靠近邊緣壓應(yīng)力增大。

焊接參數(shù)即轉(zhuǎn)速與焊速在一定范圍內(nèi)，才能獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度過(guò)低或焊 接速度過(guò)高，焊接能量較小，會(huì)導(dǎo)致熱量不足，材料塑性流動(dòng)不充分，造成攪拌頭受到的阻力過(guò)大而出現(xiàn)斷裂情況;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度過(guò)高或焊接速度過(guò)低時(shí)，熱輸入量過(guò)大，焊接區(qū)金屬過(guò)熱而導(dǎo)致焊縫成形不佳，甚至出現(xiàn)毛刺、飛邊等現(xiàn)象；攪拌摩擦焊接頭各方向殘余應(yīng)力均有雙峰特征，且縱向殘余應(yīng)力S22 遠(yuǎn)大于其他2 個(gè)方向的。殘余應(yīng)力在焊縫區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且在焊縫邊緣達(dá)到最大，在母材區(qū)域表現(xiàn)為壓應(yīng)力，母材區(qū)域殘余壓應(yīng)力一般小于焊縫處殘余拉應(yīng)力;焊接速度提高時(shí)，焊縫處的殘余應(yīng)有所增大，但幅度較小。轉(zhuǎn)速提高時(shí)，焊縫處的殘余應(yīng)力顯著增大，且母材區(qū)域的殘余應(yīng)力也有所增大。對(duì)于8mm 厚2024鋁合金板，控制焊接轉(zhuǎn)速在200～600r/min，焊接速度在100～160mm/min 之間可獲得較好的焊接效果。