（材料加工工程专业论文）振动对焊接接头组织与性能的影响及其工程应用.pdf

上海交通大学博士学位论文 振动对焊接接头组织与性能的影响及其工程应用 摘要 振动焊接( v i b r a t o r yw e l d i n g ，v w ) 是在焊接过程中辅以机械振 动以提高焊接接头品质的新技术。本文运用试验研究、数理统计和理 论分析的方法，探讨了振动对焊接温度、接头残余应力与变形、力学 性能的影响；探索了振动对焊接接头组织和性能的作用机制；揭示了 振动对焊接熔池金属初始动态再结晶过程的影响。应用振动焊接技术 成功解决了建筑h 型轻钢焊接变形大、高炉钢厚板电渣焊焊缝晶粒粗 大及侧弯合格率低、大直径全焊接阀体球阀须免焊后热处理等技术难 题，为振动焊接技术在大型重要钢结构中的应用奠定良好基础。 本文首先设计了3 种热输入与4 种振动加速度相匹配的q 3 4 5 b 振动埋弧焊交叉试验方案，搭建了振动焊接试验平台以及温度测量系 统。运用自行设计的以u t 6 0 e 为主的辅助测温系统对试样的焊接温 度实时监测，具有良好效果。 其次，论文详细研究了振动加速度、焊接热输入对焊接接头质量 的影响。通过研究焊接参数与振动参数对接头成形的影响，发现，当 焊接热输入较小时选用较大的振动加速度，而当热输入较大时选用较 小的振动加速度均有利于焊缝成形。施加机械振动可以降低焊接残余 应力，残余应力分布更加均匀。在较小焊接热输入( 2 2 8k j c m ) 时， 残余应力随着振动加速度的增加而减小，且趋势明显；在中等焊接热 输入( 2 6 6k j c m ) 时，残余应力在1 0m s 2 的振动加速度下残余应力 i i i 上海交通大学德学位论文 最小；而对于较大焊接热输入( 3 1 6k j c m ) 时，残余横向应力氓和 残余最大主应力戤在加速度为1 5m s 2 时有明显的下降。横向收缩 变形随着焊接热输入的增加而增加，纵向收缩变形较常规焊接下的明 显减小。对于较小的焊接热输入配合较大的振动加速度，而较大的焊 接热输入配合较小的振动加速度都可以明显减小焊接变形。振动降低 残余应力和变形的机理主要是由于在熔池凝固过程中，机械振动加速 熔池散热，使熔池的温度梯度减小，不均匀塑性变形减小，与温度梯 度相关的、作为热应力最终状态的残余应力就减小。 焊接接头粗晶区组织粗大，出现显微硬度的峰值，表现出组织与 性能之间的相关性。探讨了振动对接头冲击韧度及冲击断口形貌的影 响规律，并对冲击韧度与振动参数和热输入的相关性进行回归分析， 认为6m s 2 时冲击性能最佳。 应用动态机械分析( d m a ) 方法对不同焊接条件下焊缝金属基 于应变幅度的应变阻尼( a d i f ) 进行测量，分析了在不同振动焊接 参数工艺下位错形态与数量对动态力学性能的影响。结果表明，当振 动加速度为0n d s 2 即常规焊接时焊接熟输入越小阻尼越大，显示由于 焊接热输入不同导致晶粒尺寸的差异对振动阻尼的影响；6m s 2 时， 随着应变幅度的增加，3 1 6k j c m 的试样的阻尼明显增加，显示位错 钉扎、应变强化后特征；1 0r r d s 2 时，2 6 6k j c m 试样的阻尼随着应变 幅度的增加最先达到峰值，阻尼的这种变化与可动位错长度与位错密 度有关；1 5m s 2 时，2 2 8k j c m 的试样阻尼随应变幅度增加更快，显 示试样内位错增殖更明显，位错密度高。 i v 上海交通大学博士学位论文 论文借助金相显微镜及透射电镜系统研究了振动焊接下焊接接 头组织、微结构、位错组态等的变化规律，进而探讨振动影响焊接接 头质量的机理。对于金属材料来说，组织决定性能。研究了焊接接头 的金相组织变化与振动焊接工艺参数之间的关系。结果表明，振动可 明显改善焊缝及热影响区( h e a t a f f e c t e dz o n e ，m 屹) 的金相组织， 使焊缝组织明显细化，晶内针状铁素体细而密，组织较均匀；焊接热 影响区的宽度明显减小，魏氏组织变小，晶粒有所细化，但细化程度 随振动加速度的不同而有所不同，加速度为6 1 0m s 2 时，组织较理 想。过大的振动加速度并不会使焊缝晶粒尺寸无限地减小。 分析认为，振动焊接过程中熔池金属发生了动态再结晶。在振动 焊接所特有的热、力条件下，应变量和应变速率迅速提高，位错密度 相应急剧增加。同时，振动促进了与塑性变形有关的位错滑移与攀移， 为材料的动态再结晶提供了必要条件。从试验结果可以看出，相同焊 接热输入下，随着振动加速度的增加，焊缝区位错形态与分布发生较 大变化，位错数量明显增加，位错集中在一起形成位错墙，且有大小 不等的位错环散乱分布在晶内，晶界变形严重，增加焊接热输入，熔 池温度升高，原子扩散能力增强，晶界迁移加快。分析得出了振动焊 接条件下熔池金属发生初始动态再结晶时热变形参数的关系方程。 应用多元非线性回归分析方法建立了最高温度、残余最大主应 力、接头冲击韧度和与振动工艺参数( 振动加速度及焊接热输入) 间 的相关数学模型；检验表明，模型具有足够的精度，可以给振动焊接 的工程应用提供合理的参考。 v 最后，运用振动焊接技术解决实际工程中大构件的焊接难题。 h 型q 2 3 5 b 钢振动埋弧焊接试验表明，振动焊接后，型钢的腹 板波浪变形明显减小，保证了生产质量。 1 4 m n n b t i 高炉厚板的振动电渣焊接试验表明，振动加速度为6 m s 2 时，接头的侧弯试验合格率达1 0 0 。振动对焊缝金属组织的细 化作用明显，对热影响区粗晶区的改善也有明显效果，但对离熔合线 较远的组织的影响较弱。 大直径全焊接阀体球阀制造是中国“西气东输 石油管道工程中 的国产化项目，针对焊接工艺中的主要技术难题( 残余应力、变形的 控制和焊后免热处理条件下的使用安全性) ，首次实现了振动焊接技 术在阀f - l , 笥体焊接中的成功运用。结果表明，残余最大主应力降低至 屈服强度以下，焊接变形降低4 0 左右，提高了焊接结构尺寸稳定性。 振动焊接下焊缝试样的冲击吸收功平均值比常规焊接下髂提高了 2 1 ；振动明显改善筒体焊缝和热影响区组织，焊缝组织细化，熔合 区变窄，魏氏组织减小。断裂韧度试验表明，采用振动埋弧焊的简体 接头断裂韧度达到免焊后热处理魏国际标准评估要求。 关键词：振动焊接，残余应力，力学性能，显微组织，回归分析，焊 接结构 v i 上海交通大学博士学位论文 e f f e c to fv i b r a t i o no nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fw e l d e d j o i n ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a bs t r a c t v i b r a t o r yw e l d i n g mi st h en e wt e c h n o l o g yo fv i b r a t i n gw o r k p i e c e sw i t h p e r i o d i c a lf o r c et oi m p r o v et h ew e l d e dj o i n tp r o p e r t i e s t h ee f f e c t so f v i b r a t i o no n w e l d i n gt e m p e r a t u r e ，r e s i d u a l s t r e s s ，d i s t o r t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e db yt h em e a n so fe x p e r i m e n t s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n di n i t i a ld y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s so f t h ew e l d e dj o i n t sw a sd i s c u s s e d d i f f i c u l t i e si nw e l d i n gd i s t o r t i o nc o n t r o l o fh t y p es t e e lw e l d i n g ，c o a r s eg r a i n sa n dl o ws i d eb e n dp r o p e r t i e si ns p e c i a ls t e e l t h i c kp l a t ee l e c t r o s l a gw e l d i n g ( e s w ) a n dw e l d i n go fb i gd i a m e t e rf u l lw e l d e db o d y b a l lv a l v ew i t h o u tp o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n t ( p w h t ) w e r es o l v e db yvw t h e s e p r a c t i c e sw o u l dp r o v i d eag o o df o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no fv w i ni m p o r t a n t s t e e ls t r u c t u r e sw i t hb i gd i a m e t e r f i r s t ，t h ec r o s sv i b r a t o r ys u b m e r g e d a l ew e l d i n g ( s a w ) t e s ts c h e m ew a sd e s i g n e d w i t ht h r e ek i n d so fh e a ti n p u tp a r a m e t e r sa n df o u rk i n d so fv i b r a t o r ya c c e l e r a t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a ss e tu pw i t ht e m p e r a t u r et e s t i n gs y s t e m w e l d i n g t e m p e r a t u r ew a sr e a l t i m em o n i t o r e de f f e c t i v e l yw i t ht h i st e m p e r a t u r et e s t i n gs y s t e m b a s e do nu t 6 0 e s e c o n d ，t h ee f f e c t so fv i b r a t o r y a c c e l e r a t i o na n dw e l d i n gh e a ti n p u to nt h e p r o p e r t i e so fs a w w e l d e dj o i n tw e r ei n v e s t i g a t e dt h o r o u g h l y i tw a sf o u n dt h a tl e s s h e a ti n p u tw i t hl a r g e ra c c e l e r a t i o no rl a r g e rh e a ti n p u tw i t hl e s sa c c e l e r a t i o nw a s p r o p i t i o u st ow e l df o r m a t i o n t h er e s i d u a ls t r e s s w a sr e d u c e da n du n i f o r m e da f t e r v i b r a t i o n w h e nt h ew e l d i n gh e a ti n p u tw a s2 2 8k j c m ，r e s i d u a ls t r e s sw a sr e d u c e d e v i d e n t l ya st h ea c c e l e r a t i o ni n c r e a s e d r e s i d u a ls t r e s sw a sl o w e s tw h e nt h ew e l d i n g h e a ti n p u tw a s2 6 6k j c ma n da c c e l e r a t i o nw a s10n v s 2 w h i l eh e a ti n p u tw a s i n c r e a s e dt o31 6k j c m ，t h et r a n s v e r s es t r e s st r xa n dm a x i m u mm a i ns t r e s s 听n 戤 d i s t i n c t i v l yd e c r e a s e du n d e rt h e a c c e l e r a t i o no f 15m s t r a n s v e r s ec o n t r a c t i o n v 上海交透大学游学位论文 d i s t o r t i o nw a sa d d e dw i mt h ei n c r e a s eo fh e a ti n p u t 。l o n g i t u d i n a ld i s t o r t i o nw a s r e d u c e ds i g n i f i c a n t l yc o m p a r e dw i t ht h a tw i t h o u tv i b r a t o r ya c c e l e r a t i o n l e s sh e a t i n p u tw i t hl a r g e rv i b r a t o r ya c c e l e r a t i o na n dl a r g e rh e a ti n p u tw i t hl e s sa c c e l e r a t i o n f a v o r e dt h ew e l d i n gd i s t o r t i o nr e d u c t i o n t h em e c h a n i s mo fr e s i d u a ls t r e s sa n d d i s t o r t i o nd e c r e a s ea f t e rv i b r a t i o ni st h a tv i b r a t i o ns p e e d sh e a te l i m i n a t i o no ft h ew e l d p o o ld u r i n gs o l i d i f i c a t i o no f t h em o l t e np 0 0 1 a sar e s u l t ，t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to f t h ep o o la n dn o n u n i f o r mp l a s t i cd i s t o r t i o na r ed e c r e a s e d a n dt h ee v e n t u a lr e s i d u a l s t r e s sr e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sr e d u c e d t h ec o a r s em i c r o s t r u c t u r ea n dt h eh i g h e s tm i c r o h a r d n e s sb o t ha p p e a r e di nt h e c o a r s eg r a i nz o n e ，w h i c hr e p r e s e n t e dt h er e l a t i o n s h i po fs t r u c t u r ea n dp r o p e r t y 。t h e i n f l u e n c eo fv i b r a t i o no ni m p a c tt o u g h n e s sa n di m p a c tf r a c t o g r a p hw a sd i s c u s s e d t h e r e l a t i o n s h i po fi m p a c tt o u g h n e s sa n dv i b r a t o r yp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e db yr e g r e s s i o n m e t h o d t h ea m p l i t u d e d e p e n d e n ti n t e m a lf r i c t i o n ( a d i f ) w a st e s t e dw i t hd y n a m i c m e c h a n i c a la n a l y z e r ( d m a ) t h ei n f l u e n c e so ft h es h a p ea n dq u a l i t yo ft h e d i s l o c a t i o no nt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t yu n d e rd i f f e r e n tv wc o n d i t i o n sh a d b e e na n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n t e m a lf r i c t i o ni n c r e a s e dt h eh e a ti n p u t r e d u c t i o nw i t h o u tt h ev i 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a t i o ns h a p ea n dd i s t r i b u t i o ni nt h ew e l dc h a n g e dg r e a t l yw i t h t h ei n c r e a s i n gv i b r a t o r ya c c e l e r a t i o n t h eq u a n t i t yo fd i s l o c a t i o n sw a si m p r o v e d t h e d i s l o c a t i o n sw e r ec o l l e c t e dt of o r mad i s l o c a t i o nw a l l 。i tw a sa l s of o u n dt h a t d i s l o c a t i o nr i n g so fd i f f e r e n ts i z e sw e r es c a t t e r e di nt h eg r a i n s t h eg r a i nb o u n d a r i e s w e r ed i s t o r t e ds e r i o u s l y t h ew e l d i n gp o o lt e m p e r a t u r ew a sr a i s e d ，t h ec a p a c i t yo f a t o m sd i f f u s i o n w a sb u i l tu pa n dm o v e m e n to fg r a i nb o u n d a r i e sw a sq u i c k e n e dw i t h h e a ti n p u ti n c r e a s i n g 。t h ee q u a t i o no ft h e r m a ld i s t o r t i o ni ni n i t i a l d y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o nw a ss e tu p t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ec l 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o u g h n e s sb e t w e e ne a c hp a r to ft h ej o i n tw e r ew e a k e n e d 。t h ef r a c t u r e t o u g h n e s st e s ts h o w e dt h a tt h ew e l d e dj o i n tu n d e rv w c o n d i t i o nm e tt h ei n t e r n a t i o n a l r e q u i r e m e n t sa n dt h ew e l d e dv a l v e c o u l db eu s e ds a f e l yw i t h o u tp 、v h t 。 k e y w o r d s ：v i b r a t o r yw e l d i n g ，r e s i d u a ls t r e s s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , m i c r o s t r u c t u r e ，r e g r e s s i o na n a l y s i s ，w e l d i n gs t r u c t u r e x 上海交通大学博士学位论文 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本入授权上海交通大学，可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：卢庆华 日期：2 0 0 8 年0 5 月2 7 日 i i 指导教师签名：陈立功 日期：2 0 0 8 年0 5 月2 8 日 上海交通大学博士学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：卢庆华 日期：2 0 0 8 年0 5 月2 7 日 上海交通大学博士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 焊接是一个不均匀的局部加热、冷却过程。焊接熔池温度高，高温的熔池和 冷态的母材之间存在巨大温差，不可避免地产生温度梯度，进而产生焊接残余应 力和变形；同时，由于焊接接头各部分经受了的不同热循环和热塑性应变循环， 冷却后接头的显微组织差别明显，组织差异将直接影响到接头的力学性能，对结 构的正常、安全运行产生不利影响【1 1 。因此，在重要焊接钢结构制造中改善焊接 过程、优化焊接结构性能，提高尺寸精度及运行稳定性、保证构件整体质量和安 全性是当前经济建设的当务之急，也是本研究课题的出发点。 焊后热处理( p o s t w ，e l dh e a tt r e a t m e n t ，p w h t ) 是在焊接结构中最常用的 改善残余应力状态、降低变形、保证和提高接头综合性能的时效方法。在许多场 合下，由于工件体积庞大，难以实施热处理，例如，超导托卡马克h t 一7 u 核聚 变试验装置结构外壳由底板、桶体、顶盖三段焊接组合而成，该装置直径达7 6m ， 总高7m ，需要消除焊接残余应力、防止变形，即使分段热处理也需很大的处理 炉，且要氮气保护，实施热处理工艺所需的费用极其高昂；又如，宝钢炼钢转炉 在采用焊接方法修复后要消除残余应力，而转炉体积庞大，很难进行整体热处理， 局部热处理的方法有可能产生新的残余应力。在一些特殊构件上甚至明确提出不 可采用焊后热处理，例如，用于上海磁浮轨道交通线的3m 长箱型轨道梁，制造 过程中对焊接变形和残余应力的控制要求非常严格，同时，在钢材表面采用喷铝 保护以防止构件在服役过程中被腐蚀，由于不允许破坏被焊结构表面的喷铝保护 层，因而不能采用焊后热处理来降低残余应力；又如，用于中国“西气东输 工 程中的全焊接阀体球阀，为了保证阀体内置橡胶密封圈的正常工作，明确提出应 采用免焊后热处理工艺。因此，在特定的条件下，传统的热处理工艺将受到限制。 对于有抗氧化要求、有低温相变的材料以及超大型、易产生热处理变形的焊 接构件，振动时效( v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e f , v s r ) 比热处理具有一定的优势。但 振动时效是焊后冷态时效工艺，无法改善焊接接头的金相组织及焊接变形。 振动焊接作为一种在焊接过程中向构件输入机械振动的工艺，具有热处理和 上海交逶l 丈学缮圭学垃论文 振动时效无法比拟的优势。它利用振动与焊接热过程的复合作用来提高焊接接头 的综合质量，不仅能降低材料的残余应力，而且能细化焊缝晶粒、优化接头组织、 提高材料的力学性能、显著改善接头品质，并且缩短生产周期、降低生产成本、 低噪声、无污染。 当前振动焊接技术还未被广泛地使用，其优势尚未得到很好地发挥。其中固 然有依赖传统热处理工艺思想的影响，但对于振动焊接理论和应用的研究，也有 使得思考积开拓的空间，即在工艺上和理论上需要有进一步完善和突破。 振动焊接是在焊接过程中对焊件施加周期性外力，使熔池处于稳定的振动状 态，从丽达到细化晶粒、降低焊接残余应力，优化接头性能的焊接工艺。在焊接 过程中施加一定振幅范围内的轻微振动，势必对焊接熔池有一定的影响【2 】： ( 1 ) 对焊缝和热影响区组织的影响 焊接时，选取合适的机械振动参数可使焊缝及热影响区产生附加的新晶核， 并使正在成长的树枝晶及魏氏组织破碎，晶粒大小均匀，晶粒细化f 引。 ( 2 ) 对焊缝质量的影响 振动焊接时，熔涟中的气体和夹杂物蔓易于溢出焊缝表露 4 1 ，减少焊缝内部 的缺陷，减小微裂纹源；加上振动有降低焊接残余应力、细化晶粒的效应，有利 于延缓裂纹萌生，提高焊缝质量。 ( 3 ) 对残余纵向应力以( 平行于焊缝方向) 的影响 振动对残余纵南应力的影响不显著，应力水平与屈服应力楣当，但对拉应力 的分布宽度有一定影响。合适的振动可以减小拉应力的分布面积，减弱残余应力 对构件的不利影响。图1 1 为1 6 m n r 钢板在不同振动参数( 振动频率) 下的残余 纵向应力对比试验结果，可以看出振动焊接后拉应力的分布面积明显缩小。 ( 4 ) 对残余横向应力圆( 垂直于焊缝方向) 豹影响 残余横向应力一般垂壶于平面状焊接缺陷( 如裂纹、未焊透) 及热影响区， 故其不利作用要远大