關(guān)于機(jī)械振動(dòng)焊接對(duì)焊接質(zhì)量的影響

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【摘 要】本文通過(guò)采用機(jī)械振動(dòng)焊接和埋弧自動(dòng)焊接鋼板的對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法，分析了機(jī)械振動(dòng)焊接對(duì)焊接質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械振動(dòng)焊接可有效提高焊縫以及熱影響區(qū)試樣的沖擊功。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械振動(dòng)焊接 沖擊功 焊接質(zhì)量 影響

機(jī)械振動(dòng)焊接是在焊接工件過(guò)程中給焊接工件施加周期性的激振力，使焊接的工件發(fā)生振動(dòng)，降低焊接殘余應(yīng)力的一種新型焊接工藝。目前，該種焊接工藝在工程實(shí)踐中得到了廣泛的推廣及應(yīng)用。機(jī)械振動(dòng)焊接工藝除了能夠有效降低焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，還能夠?qū)缚p組織細(xì)化，提高焊縫的機(jī)械性能及焊接質(zhì)量。該種焊接所用的工時(shí)比傳統(tǒng)的焊接工藝縮短了很多，有效提高了焊接生產(chǎn)效率。下文筆者通過(guò)機(jī)械振動(dòng)焊接和埋弧自動(dòng)焊接鋼板對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法，探討機(jī)械振動(dòng)焊接對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

一、實(shí)驗(yàn)的方法

實(shí)驗(yàn)采用規(guī)格為500mm×150mm×16mm16MnR的兩塊鋼板對(duì)接；經(jīng)過(guò)組對(duì)后截面為N型坡口，坡口角度為70度，鈍邊為5mm。如圖1所示：

圖1 樣板簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)將其中的一組試板采用埋弧自動(dòng)焊接，其他各組采用機(jī)械振動(dòng)焊接。機(jī)械振動(dòng)焊接前，應(yīng)將振動(dòng)設(shè)備振動(dòng)頻率檔位歸零，在確定試塊固有頻率后將振動(dòng)設(shè)備的偏心塊旋轉(zhuǎn)固定在二檔，在固有頻率周邊選取四組頻率實(shí)施機(jī)械振動(dòng)焊接。然后再將機(jī)械振動(dòng)設(shè)備的頻率規(guī)定在固有頻率，并依次將機(jī)械振動(dòng)設(shè)備激振力選在其他檔實(shí)施振動(dòng)焊接，采用多個(gè)頻率進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)焊接試驗(yàn)，通過(guò)擺錘沖斷試樣后的回升高度和原先提升高度差，計(jì)算出破壞期間能量，也就是說(shuō)實(shí)驗(yàn)變形所消耗的功，該種功我們通常稱其為沖擊功。固定激振力在二檔，在改變振動(dòng)設(shè)備振動(dòng)頻率后，對(duì)試樣的平行焊縫分別去焊縫、熱影響區(qū)式樣。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在不同參數(shù)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不相同的，同時(shí)，在規(guī)定激振力改變振動(dòng)頻率的振動(dòng)焊接條件下的試樣沖擊功所提高的百分率也是不一樣的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)的沖擊功會(huì)隨著振動(dòng)頻率提高而增加，頻率越低，沖擊功提高的百分率越小，頻率越高，沖擊功提高的百分率越大。此外，在固定振動(dòng)頻率，改變激振力振動(dòng)焊接條件下，試樣沖擊功會(huì)隨著激振力增大而增加，激振力越小，沖擊功提高的百分率也越小。激振力越大，沖擊功提高的百分率也越大。從上述中我們可歸納總結(jié)出：試樣沖擊功同振動(dòng)頻率、激振力（振幅）有密切關(guān)系。就本實(shí)驗(yàn)條件而言，振動(dòng)頻率越低，激振力越小，沖擊功提升的百分率也就越低。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論

埋弧自動(dòng)焊接法下的焊縫中存在表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)三個(gè)不同晶體形態(tài)的區(qū)域。采用埋弧自動(dòng)焊接法對(duì)工件進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中輸入大量的熱，使柱狀晶區(qū)域變大，枝晶也變得越來(lái)越發(fā)達(dá)。這些都需等到焊接熱處理之后消除對(duì)柱狀晶區(qū)的影響。所以，在焊接過(guò)程中，如果能夠控制柱狀晶的形成和生長(zhǎng)，只需細(xì)化焊縫組織就可有效提高焊接縫的韌度和強(qiáng)度，并且不需要對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理，對(duì)縮短工期，降低工程成本投入意義重大。從凝固理論角度分析，金屬在凝固時(shí)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量同生長(zhǎng)速度和形核率兩個(gè)因素相關(guān)。所以，我們這里說(shuō)的細(xì)化焊縫組織，也就是控制生長(zhǎng)速度和形核率。就埋弧自動(dòng)焊接而言，一般是通過(guò)增加過(guò)冷度來(lái)提高其生長(zhǎng)速度。

采用機(jī)械振動(dòng)焊接時(shí)，基于振動(dòng)對(duì)熔池具有一定的攪拌作用，使得熔池散熱加快，從而有效提高焊縫金屬凝固時(shí)的冷卻速度和生長(zhǎng)速度，對(duì)細(xì)化焊縫組織有利。振動(dòng)焊接細(xì)化晶粒的主要方式是增加形核率。機(jī)械振動(dòng)加速結(jié)晶過(guò)程中液體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提高形核率，即動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化。金屬材料中含有的非金屬夾雜物等第二相質(zhì)點(diǎn)的存在對(duì)焊接縫的脆性有巨大影響，影響程度同第二相質(zhì)點(diǎn)的大小、分布有關(guān)。不管是第二相分布于晶界上，還是獨(dú)立在基體中，其夾雜物尺寸越大，材料的韌性越差，沖擊功越小。如能減少焊縫中夾雜物的數(shù)量和夾雜物尺寸，可有效提高機(jī)械振動(dòng)沖擊功。通常情況下，夾雜在焊縫中的非金屬物質(zhì)都是在焊接后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的。這些物質(zhì)基本上都是氧化物，氧化物形核后，不斷生長(zhǎng)。熔池金屬施加機(jī)械振動(dòng)后，使熔池金屬對(duì)流速度加快，使較大夾雜物碰撞吞噬較小的夾雜物，進(jìn)而形成較大夾雜物概率增加。由于夾雜物的密度低于液態(tài)金屬密度，夾雜物會(huì)上浮到液態(tài)金屬表面，成為熔渣被去除掉。對(duì)于夾雜物，其半徑越大，上浮的速度也越快，半徑越小，上浮速度越慢。夾雜物的上浮同夾雜物半徑有直接性聯(lián)系。此外，機(jī)械振動(dòng)作用于熔池，在攪拌作用下使焊縫金屬粘度系數(shù)減小，同樣也有利于比較大的夾雜物上浮除掉。

從上述分析我們可以得知，機(jī)械振動(dòng)使氧化物夾雜的形核率增加，加劇了較大的夾雜物吞噬較小的夾雜物，成為較大夾雜物，提高了其浮到熔渣中的概率。此外，機(jī)械振動(dòng)焊接不僅具有消除柱狀晶、細(xì)化等軸晶、減少夾雜物數(shù)量和縮小尺寸功能性，還能有效避免或者減少偏析，利于氣體排出，對(duì)提高焊接接頭金屬性能有著重要影響。

四、結(jié)語(yǔ)

機(jī)械振動(dòng)焊接工藝除了能夠有效降低焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，并且還能夠?qū)缚p組織細(xì)化，提高焊縫的機(jī)械性能及焊接質(zhì)量。該種焊接所用的工時(shí)比傳統(tǒng)的焊接工藝縮短了很多，有效提高了焊接生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張德芬， 宋天民，陳孝文，等.機(jī)械振動(dòng)焊接對(duì)殘余應(yīng)力的影響及機(jī)理分析[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21（01）：53-56.