機(jī)械擠壓矯正焊接變形的模擬與試驗(yàn)研究

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)由于受到周圍金屬的拉伸而產(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)延展焊縫及其周圍的壓縮塑性變形區(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TIG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.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

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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