控制金屬焊接變形的研究進展

劉浪浪, 高金良, 任雁, 馮和永

(北京北方車輛集團有限公司,北京100072)

0 前言

航空航天、飛機船舶、軍工、汽車行業、微電子行業等的制造離不開焊接技術,隨著各領域的快速發展,焊接技術也得到了質的飛躍[1]。中國從傳統的手工焊和示教機器人焊正向自動化、智能化焊接快速轉變,通過人才培養與技術革新,逐步由焊接大國向焊接強國邁進。

目前,螺柱焊、氣體保護焊、電子束焊、等離子焊、激光焊等在中國得到了廣泛的應用,并取得不錯的成績[2]。如螺柱焊由于速度快、可靠、操作簡便及無孔連接等優點,逐漸替代了汽車制造中的鉚接、攻螺紋、鉆孔等連接技術,廣泛地應用在汽車車身的焊接工藝中[3];中船黃埔文沖船舶有限公司在螺柱焊接工藝調整到位后,成功完成了首制船2層甲板共2 600多顆不銹鋼螺柱的安裝和焊接,比使用傳統焊接方法預期工期減少36天[4]。上海船舶工藝研究所與英國焊接工藝研究所合作,研究引進了A-TIG 焊的新型活性焊劑,污染小,對于厚度小于8 mm的船體鋼板,在不開坡口的前提下,焊縫成形良好,各項性能指標均達到《材料與焊接規范》的要求[5]。楊薇等學者[6]采用YZGH4169材質分體鍛造、電子束拼焊的工藝實現某燃氣輪機后軸頸的生產,接頭的各項力學性能均滿足使用要求。在激光焊接領域,胡海連等學者[7]采用CO2激光-MAG復合焊接工藝對14 mm厚10Ni3CrMoV鋼T形接頭進行連續全熔透焊接試驗,角焊縫未出現焊透、裂紋等缺陷,其焊縫質量滿足船用要求。

在應用焊接技術進行金屬構件接合過程中,由于焊接熱影響區造成的焊縫殘余應力,使金屬存在變形的傾向,如果不加以控制,往往在焊后成形和裝配過程存在較大的尺寸變化,使其偏離初始設計尺寸[8]。尤其當某一產品存在焊縫數量多,總長度大和焊接方式多樣性等客觀條件下,焊縫殘余應力存在疊加現象,其焊接變形的控制難度也隨之增加,對金屬結構的強度產生負面影響,對于保證或提高焊接產品尺寸的精度和高質量制造是一種極大的挑戰。所以,在焊接技術不斷的發展中,如何有效控制焊接變形和降低焊縫殘余應力,也體現著一個國家整體焊接水平的強弱。

1 影響焊接變形的因素

1.1 宏觀角度分析

根據熱脹冷縮原理,焊接過程中金屬熔液的快速冷卻,造成結晶過程中焊縫的收縮變形,焊縫的收縮率與需接合金屬固體穩定性之間的差異性,在焊縫收縮作用下,接合金屬會沿焊縫收縮方向變化[9]。這種由熱輸入和冷卻過程中的循環,造成的不均勻熱膨脹和收縮,造成焊接變形的產生[10]。隨焊縫增加,其值增大,如果不同位置焊縫存在差異(如熔深、熔寬、余高等),焊縫收縮率不同,接合金屬的跟隨焊縫變形方向不一。同時隨著多條多方向焊縫疊加,使金屬的形變更為復雜,與原始的設計大相徑庭。

1.2 微觀角度分析

從微觀角度看,焊接產生的瞬時高溫使焊絲或結合金屬熔化,盡管熔化后金屬原子呈近程有序排練,與固體原子間隙差別不大,但熔化的原子獲得高的能量而獲得較高熵值,遠距離原子趨于無序運動,產生的空位使熔液體積大于固態體積[11]。在快速冷卻結晶過程中,原子有序排列至固態,原子間隙降低。在熱影響區內存在溫度的持續變化和梯度分布,這種金屬原子狀態的變化受周邊未發生明顯體積變化的固態金屬限制,使熔池金屬熔化和冷卻過程中受到壓縮塑性應變與拉伸塑性應變,導致固有應變的產生。同時,受熱輸入的影響和熔池溫度的快速變化、溫度不均勻使得熔池快速冷卻時,微觀組織的形成存在不均勻和差異性也是焊接殘余應力的形成因素之一。

1.3 固有應變的影響

在焊接過程中,金屬熔液在冷卻結晶過程中,金屬內部存在的不同類型的應變,共同影響焊后的變形。Murakawa等學者[12]認為固有應變由彈性應變、塑性應變、蠕變應變和相變的影響組成。其中,由于原子鍵在金屬冷卻結晶過程中產生的拉伸和收縮及晶格畸變會導致彈性應變,但這些原因產生的彈性應變對于整體應變的作用相對較小[13-14];當金屬內部存在位錯滑移、晶格缺陷等因素時,金屬內部產生蠕變應變,焊接的持續熱輸入可作為其應變激活能;由于金屬在冷卻過程中的形核長大情況不同,其產生的組織不均勻而容易引起相變應力;而在焊接過程中,由于金屬內部的缺陷和位錯的塞積,使得塑性應變導致的焊接變形占比最大。但可將金屬存在的以上幾種應變之和作為對焊接變形的影響。

基于以上分析,焊接變形歸結為由溫度場的變化在焊縫處形成的熱影響區,致使焊接過程中焊縫存在內應力,焊接結束后,內應力變成殘余應力。如果焊接時的內應力或焊后殘余應力達到金屬的屈服點,將會出現焊接變形。

2 焊接殘余應力的影響

雖然焊接可以實現金屬間的快速連接,應用廣泛,但焊后殘余應力帶來的負面影響同樣不容忽視。由焊接帶來的殘余應力,不僅可以導致焊接變形,且影響整體結構的力學性能。殘余應力的不確定性引起的焊接變形及性能的非線性變化,使得金屬結構的焊接成本增加,尤其是大型金屬構件的焊接。

2.1 焊接殘余應力對金屬結構的性能影響

大型焊接金屬結構,如船體架構、大型管道、復雜性鋼結構等,需要接合的金屬焊縫不僅數量大,還存在焊縫寬、厚度大等特點。焊接周期長,焊接過程復雜多變,控制和降低焊接帶來的殘余應力非常困難,且應力去除的工作量大,使得殘余應力不僅長期存在于金屬內部,如果殘余應力過于集中或焊接結構在服役期間出現的應力集中,都將降低結構的力學性能,影響焊接結構的服役年限[15]。

殘余應力在平面焊縫主要有縱向和橫向分布,而曲面焊縫主要有徑向、切向和軸向分布。同一金屬結構中,不同位置的焊縫引起的殘余應力產生的疊加效應,使其焊接制造過程中,出現的應力集中越來越來嚴重,如果不采取有效措施,容易產生脆性斷裂、應力腐蝕開裂、屈服值降低等現象[16-17]。

2.2 焊接殘余應力對裝配精度的影響

以簡單金屬板材的焊接為例,焊接殘余應力引發的塑性變形的類型有縱向收縮、橫向收縮、縱向彎曲、橫向彎曲、旋轉變形和屈曲變形等,如圖1所示。即使焊接過程中采用加強筋或筋板控制變形,一旦焊接結構復雜,焊縫數量和種類多(如立焊縫、角焊縫、平焊縫、仰焊縫等)[18-20],最終焊接成形可能出現比較嚴重的焊接變形,結構的成形尺寸和設計尺寸產生較大偏差,對于后期的部件裝配帶來一定的挑戰。

圖1 薄板對接焊接接頭焊接變形的基本類型[21]

如大型船體和特種車輛,其制造過程多采用焊接的形式進行內外部承重結構的制造,前期的焊接精度極大影響后期零部件的焊接和裝配。這類焊接往往面對的板材厚度較高、焊接所需的坡口形式不一和焊接對象的多樣性,常常需要人工焊接和自動焊接相配合,焊縫的焊接質量不一。過程中采用的防變形控制(如:加強筋、筋板、定位工裝等)可以有效控制焊接過程中的塑性變形,但結構復雜化,多焊縫在船身或車體縱橫交錯,其自身產生的應力集中,極易導致焊后的變形,即使某處產生輕微變形,局部放大后,將影響各種部件的裝配精度,或將導致返工返修,增加生產周期和制造成本。

3 控制焊接變形的方式

為了更好提高焊縫質量,穩定焊接結構的尺寸,優化焊接工藝,國內外對于焊接變形的控制方法主要有剛性固定法、反變形法、錘擊焊縫法、調整焊接順序、優化焊接方式等[22-23]。

3.1 剛性固定法

目前,應用較為廣泛的是采用剛性固定法抑制焊接變形。在進行不同形狀和不同類型焊接時,以剛性工裝(如槽鋼點焊、筋板焊、夾具固定、多孔平臺等)輔助增加焊接金屬的剛度,使其在焊接應力下保持固定不變。彭昌永等學者[24]對調質態30CrMnSiA支架進行等強度的焊接時,通過工裝固定,有效控制了焊接變形。剛性固定法應用廣泛,在焊接時,其固定位置多通過經驗進行固定金屬控制變形。如果焊接工件體積大,不易控制,或者焊接空間狹小時,以經驗為準的剛性固定法含有一定的盲目性,容易忽略應力集中點,或者控制過渡,不利于焊接工作的開展。而程珂等學者[25]結合有限元分析,根據模擬變形的最佳位置,對其進行剛性固定焊接,將焊接產生的塑性變形控制在較小的范圍。

3.2 反變形法

反變形法是通過模擬或經驗,預算焊接變形的方向和大小,然后在焊接前對焊接件進行反方向的變形并控制大小,已獲得焊接變形的補償。張凱等學者[26]在熱彈塑性有限元分析的基礎上,對焊接過程的應力變化進行數值模擬以預測焊接變形量,采用反變形法預制了焊接變形的補償量,獲得了平整度較好的焊接構件。劉雨生等學者[27]在熱-機耦合熱彈塑性有限元理論基礎上,利用MARC有限元對連接桿的焊接變形進行數值模擬,并依據模擬數值設計反變形工裝,成功將焊接變形量降低82.4%。周振雷[28]則根據固有應變和平板焊接變形能之間的關系,引入修正系數,推導出的變形關系式,以SYSWELD軟件模擬了T形接頭構件在反變形量施加前后的焊接變形模擬數值,結果表明:按反變形量的模擬值進行實際控制,可以有效降低焊接變形。

3.3 錘擊焊接法

錘擊焊接法是一種相對傳統且簡單有效的緩解應力的方法。焊接板材時,對焊縫錘擊產生的塑性變形補焊接中產生的收縮變形,采用錘擊焊縫法還可以有效降低殘余應力,可以達到控制焊接變形的目的。核電站大型鋼結構的拼接過程產生的應力,由于無法通過熱處理去除,常會采用錘擊法進行應力消除[29]。

3.4 調整焊接順序

不同的焊接順序對焊接殘余和變形有著極大影響。在進行裝配焊時,焊接部件有薄有厚,焊縫有寬有窄,焊接形式有平焊、角焊、立焊、縱焊、橫焊。如果焊接順序隨意而紊亂,必然導致后期的一系列問題,如:殘余應力過大、變形嚴重、焊接干涉導致無法進一步焊接、零部件裝配焊誤差極大,甚至直接導致開裂等問題[30]。所以,在進行焊接前,應合理設計焊接順序,優化焊接工藝,以求焊接結構的合理性,追求焊接殘余應力最小化。

李余江等學者[31]研究了動車組轉向架側梁組焊接變形的控制,如圖2所示,將組焊工裝、反變形控制、熱輸入和焊接順和方向等五個方面進行綜合控制,不僅降低焊接變形量,且有效降低焊接殘余應力,提升轉向架的抗疲勞性能。宋坤林等學者[32]采用3D高斯+雙橢球熱源模型預測某高速列車8 m側墻部件的焊接,結果表明:優化焊接順序可以將側墻厚方向的焊接變形降低約13%,并與實測值之間的誤差小于1 mm。Fu等學者[33]基于ABAQUSDE三維數值模擬對T形接頭進行研究,將模擬結果與調整的焊接順序進行比對分析,結果表明:雙面焊接和漸近焊接對焊接變形和應力集中的影響最小。

圖2 側梁端部結構[31]

3.5 優化焊接方式

隨著焊接學科的不斷發展,焊接方法逐漸多樣化,如常見的焊條電弧焊、熔化極/非熔化極氣體保護焊、等離子焊、摩擦焊、激光焊、電子束焊等。不同的焊接方式由于熱輸入的差異,使得不僅焊接殘余應力不同,且力學性能、微觀組織也有很大區別。邵玲等學者[34]分別用脈沖TIG,A-TIG和超音頻脈沖TIG焊接Ti-22Al-25Nb合金,結果顯示:采用不同焊接方法對Ti-22Al-25Nb合金進行焊接后,其接頭的缺陷、抗拉強度和顯微硬度都有明顯差異。再如不同的焊接方法(擴散焊、攪拌摩擦焊、激光焊、電子束焊)焊接高熵合金后,原子擴散方式、晶粒大小、硬度和抗拉強度等都存在明顯差異[35]。

焊接方式主要根據所需構件的力學性能及可達性進行選取,為降低焊接變形量,常使用活性助焊劑(金屬氧化物、氟化物、氯化物等[36])以減小焊縫熔透寬度,或提高焊接熱輸入的能量密度,降低熱影響區寬度,或通過不同焊接方式相結合的形式(如激光-電弧復合焊),進行復合焊接,以達到高質量、低殘余應力的目的。

相比于焊接變形控制方法,優化焊接方式依然存在很大研究和發展空間,其多維度的控制,不斷有利于對焊接變形和焊接殘余應力進行調控,根據實際需要實施有效的焊接,且有利于在焊接領域的技術開拓,實現進一步的焊接發展。

4 結束語

(1)焊接過程中持續的熱輸入導致接合處的熔化金屬在冷卻結晶過程中產生的缺陷及過冷度持續變化造成的晶格畸變,導致接合處的金屬內部位錯增殖、塞積,致使熱影響區出現焊后殘余應力,使焊接金屬構件存在變形傾向。

(2)當金屬焊接構件中的焊縫數量較大且分布復雜時,焊后殘余應力的累積或疊加易導致局部的應力集中,影響金屬構件的焊縫力學性能,降低產品服役年限。

(3)焊后殘余應力影響著焊后構件的尺寸精度,焊接變形不僅降低裝配焊接精度,不利于后續焊接構件零部件的裝配,且容易導致產品整體返修,增加生產周期和制造成本。

(4)為有效控制焊接變形,從焊前、焊中和焊后三個階段及焊接需求進行考量,應當結合數值模擬,從單一方面的控制逐漸向焊接過程的多因素相結合,對焊接過程進行綜合控制,有效降低焊接變形量,焊接質量明顯提高。

(5)在國內各個領域中,很大比例的生產、制造和研發與焊接技術相交互。例如,在面對復雜構件(如大型車體、船體、飛機機身等)上,為實現性能的持續優化和突破,常常需要結構設計的合理化與高質量焊接技術相配合。焊接作為生產制造的必備手段,要緊跟其步伐,不斷追尋新的突破。對于焊接技術涉及的多種影響因素,還需進一步深入研究,充分利用數值模擬和科學分析,在現有焊接技術的基礎上,實現對焊接過程的綜合管控,提升焊接質量。在發展中,通過不斷的努力探索和研究,打造一個焊接強國。