劉浪浪 高金良 任雁 馮和永
摘要: 隨著國內焊接技術與水平的不斷提高,焊接技術已應用到多個領域,尤其在工業發展中占有重要的位置。焊接質量的高低不僅決定焊接構件的性能和可靠性,而且體現著焊接水平的成熟度。即使國內焊接水平發展到一定的高度,但進行金屬焊接時,如焊中和焊后,某一環節把握不好,容易出現焊接構件變形、應力集中、應力腐蝕開裂等問題。該文就出現焊接變形的相關問題,參考國內外相關的焊接技術發展現狀,對其原因進行分析,指出焊接變形帶來的負面影響,描述對于控制焊接變形的幾種有效手段,并結合當下焊接技術的發展,對有效控制焊接變形及優化焊接過程給出建議。對該文提出的相關的焊接變形內容進行總結,指出當下焊接發展的趨勢,并結合實際生產應用,展望未來的焊接技術發展。
關鍵詞: 金屬焊接; 殘余應力; 焊接變形; 焊接工藝
中圖分類號: TG 404
Research progress on controlling welding deformation of metal
Liu Langlang, Gao Jinliang, Ren Yan, Feng Heyong
(Beijing North Vehicle Group Co., Ltd., Beijing 100072, China)
Abstract: With continuous improvement of domestic welding technology and level, welding technology has been applied to many fields, especially occupies an important position in? industrial development. The level of welding quality not only determines performance and reliability of welding components, but also reflects maturity of welding level. Even if? domestic welding level has developed to a certain height, when metal welding is carried out, such as during welding and after welding, a certain link is not well grasped, and problems such as deformation of welded components, stress concentration, and stress corrosion cracking are easy to occur. In this paper, causes of welding deformation by referring to? current development status of welding technology at home and abroad was analyzed, negative impact of welding deformation was pointed out, several effective means to control welding deformation were described, and suggestions on effective control of welding deformation and optimization of welding process were given in combination with? development of current welding technology. The related welding deformation content in this paper was summarized,? current development trend of welding was pointed out, and? future development of welding technology combined with practical production and application was prospected.
Key words: metal welding; residual stress; welding deformation; welding technology
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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)ADDINEN.CITE.DATA[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。
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
李余江等學者[31]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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]ADDINEN.CITE
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。
參考文獻
[1] Nishikawa W. The principle and application field of stud welding [J]. Welding International, 2003, 17(9): 699-705.
[2] 李張鵬, 王鐵東, 邱海鵬. 螺柱焊工藝在全鋼結構和輕質隔墻體系建造中的應用[J]. 建筑技術, 2021, 52(7): 851-853.
[3] 張曉樂, 李峰, 陳英. 車身鋁螺柱焊質量研究與應用[J]. 汽車實用技術, 2022, 47(20): 133-138.
[4] 劉桑, 彭紅英, 許斌. 螺柱焊在船舶甲板除冰加熱電纜安裝中的應用[J]. 廣東造船, 2022, 41(5): 91-93.
[5] 上海船舶工藝所. 上海船舶工藝所“活性焊劑研制技術”項目獲獎[J]. 軍民兩用技術與產品, 2012, (4): 1.
[6] 楊薇, 康文軍. 某燃氣輪機高壓壓氣機后軸頸電子束焊接[J]. 航空制造技術, 2012(8): 64-70.
[7] 胡連海, 黃堅, 倪慧峰, 等. 10Ni3CrMoV鋼T型接頭CO2激光復合焊工藝與組織[J]. 中國激光, 2011, 38(3): 1-6.
[8] Li Liangfeng, Luo Cheng, Shen Jie, et al. Numerical prediction of welding deformation in ship block subassemblies via the inhomogeneous inherent strain method [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 80: 860-873.
[9] 羅曄, 魏麗華. 激光和TIG焊接304L奧氏體不銹鋼力學性能的比較研究[J]. 金屬加工:熱加工, 2021(11): 5-10.
[10] Deng D, Murakawa H. FEM prediction of buckling distortion induced by welding in thin plate panel structures [J]. Computational Materials Science, 2008, 43(4): 591-607.
[11] Wang Hongzhang, Chen Sen, Zhu Xiyu, et al. Phase transition science and engineering of gallium-based liquid metal [J]. Matter, 2022, 5: 2054-2085.
[12] Wang Jiangchao, Yuan Hua, Ma Ninshu, et al. Recent research on welding distortion prediction in thin plate fabrication by means of elastic FE computation [J]. Marine Structures, 2016, 47: 42-59.
[13] Landau L D, Lifshitz E M. Theory of elasticity [M]. Oxford, UK: Pergamon Press, 1959.
[14] Xiao F, Fukuda T, Kakeshita T. Critical point of martensitic transformation under stress in an Fe-31.2Pd (at.%) shape memory alloy [J]. Philosophical Magazine, 2015, 95(12): 1390-1398.
[15] Mcgregor R J, Rogge R B. Residual stress characterization of a fabrication weld from the VICTORIA-class submarine pressure hull: revealing the Unseen Special issue on Neutron Scattering in Canada [J]. Canadian Journal of Physics, 2010, 88(10): 759-770.
[16] 馮俊. 基于試驗的海工用大型復雜焊接結構殘余應力數值模擬[D]. 江蘇 鎮江: 江蘇科技大學, 2015.
[17] 劉振華, 陳章蘭, 高博. 焊接殘余應力對船體結構疲勞強度的影響分析[J]. 焊接, 2015(9): 25-29.
[18] Uemura T, Gotoh K, Uchino I. Expansion of laser-arc hybrid welding to horizontal and vertical-up welding [J]. Welding in the World, 2022, 66(3): 495-506.
[19] Tian Limin, Li Muhan, Li Lei, et al. Novel joint for improving the collapse resistance of steel frame structures in column-loss scenarios [J]. Thin-Walled Structures, 2023, 182: 110219.
[20] Sejani D, Li W, Patel V. Stationary shoulder friction stir welding-low heat input joining technique: a review in comparison with conventional FSW and bobbin tool FSW [J]. Critical Reviews in Solid State Materials Sciences, 2022, 47(6): 865-914.
[21] Wang J, Rashed S, Murakawa H. Mechanism investigation of welding induced buckling using inherent deformation method [J]. Thin-Walled Structures, 2014, 80: 103-119.
[22] 張洪哲, 田輝鵬. 焊接應力和變形的控制方法[J]. 企業科技與發展, 2009(2): 47-48.
[23] Yang Y. Recent advances in the prediction of weld residual stress and distortion—Part 2 [J]. Welding Journal, 2021, 100(6): 193s-205s.
[24] 彭昌永, 范如源, 郭鵬. 調質態30CrMnSiA支架的等強度焊接及變形控制研究[J]. 機械, 2013, 40(3): 52-55.
[25] 程珂, 李軍, 王聰. 剛性固定法焊接工字形鋼梁的焊接變形控制[J]. 青島理工大學學報, 2022, 43(2): 37-43.
[26] 張凱, 李培勇, 畢洪坤, 等. 基于塑性反變形法的角焊縫焊接變形控制研究[J]. 江蘇船舶, 2017, 34(3): 8-21.
[27] 劉雨生, 李萍, 田健, 等. 基于彈性反變形法的連接桿焊接變形控制 [J]. 焊接學報, 2015, 36(12): 17-22.
[28] 周振雷. T形構件焊接反變形控制量的研究 [D]. 河北 秦皇島: 燕山大學, 2015.
[29] 楊偉光, 劉奇威. 核電站大型鋼結構焊縫錘擊法消應力[J]. 電焊機, 2013, 43(12): 73-75.
[30] 段宏艷, 金鈺. 探討焊接工藝順序對車身質量的影響 [J]. 百科論壇電子雜志, 2019(13): 436.
[31] 李余江, 周治軍, 王明峰, 等. 動車組轉向架側梁組焊變形控制方法[J]. 焊接技術, 2022, 51(8): 147-150.
[32] 宋坤林, 展旭和, 徐良, 等. 基于固有應變法的激光復合焊車體側墻焊接變形數值模擬[J]. 焊接, 2021(12): 42-48.
[33] Fu G, Loureno M I, Duan M, et al. Influence of the welding sequence on residual stress and distortion of fillet welded structures [J]. Marine Structures, 2016, 46: 30-55.
[34] 邵玲, 崔恩紅. 不同焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金[J]. 中國材料進展, 2019, 38(3): 286-290.
[35] Zhang Yali, Jiang Xiaosong, Fang Yan, et al. Research and development of welding methods and welding mechanism of high-entropy alloys: a review [J]. Materials Today Communications, 2021, 28: 102503.
[36] Howse D, Lucas W. Investigation into arc constriction by active fluxes for tungsten inert gas welding [J]. Science Technology of welding joining, 2000, 5(3): 189-193.