随焊冲击碾压控制焊接应力变形防止热裂纹机理

为了解随焊冲击碾压法机理, 用数值计算方法对冲击碾压轮引起薄壁结构焊缝金属塑性流变行为和应变场变化进行了分析。前轮对处于脆性温度区间的焊缝金属施加一个横向挤压塑性应变, 减小甚至抵消致裂的拉伸应变, 防止了焊接热裂纹的产生。后轮将焊缝金属的纵、横向压缩塑性变形充分碾展, 减小了工件的残余变形和应力。实验结果证明随焊冲击碾压法能将平板薄壁试件纵向挠曲和横向收缩变形控制在常规焊接状态的1/10 和1/5, 残余应力值也明显降低; 焊缝表面没有热裂纹, 平整光滑。　　薄壁焊接结构具有比强度高、质量轻等优点, 在国防和国民经济重要部门得到广泛应用[ 1 ]。但铝合金壳体等薄壁结构在焊接时存在残余变形大, 热裂敏感性高等不足, 实际生产时通常采用先焊接后校形、焊后进行去应力热处理等手段, 成本高、效率低。　　随焊冲击碾压法是一种控制薄壁结构焊接应力变形并且防止热裂纹的新方法, 其设备简单轻便, 焊缝质量好, 成本低, 效率高, 具有广阔应用前景。本文着重分析在冲击碾压轮作用下焊缝金属塑性流变行为和焊接应变场的变化, 明确随焊冲击碾压法的作用机理, 为进一步推广应用奠定基础。　　1　焊接热裂纹和残余应力变形产生原因　　焊缝区金属在加热过程中, 因热膨胀受到限制而产生塑性挤压, 在随后的冷却过程中因热收缩受到限制又产生了塑性拉伸。一般而言, 焊缝金属在冷却阶段的拉伸塑性变形不足以抵消其在加热阶段产生的挤压塑性变形, 焊后就会有残余压缩塑性变形保留下来, 从而使焊缝金属在冷却过程中承受拉伸应变, 并且导致工件焊后出现较高的残余应力和变形[ 2, 3 ]。另外, 当焊缝金属冷却到固液共存的脆性温度区间内时, 如果其塑性储备小于拉伸应变, 则产生热裂纹[ 2, 4 ]。因此, 如果当焊缝金属冷却至脆性温度区间内时, 对其施加一定的挤压应变以抵消致裂的拉伸应变, 则可有效地防止焊接热裂纹的产生。在随后的冷却过程中, 若对焊缝金属额外施加一定的拉伸应变, 减小残余压缩变形, 就可能减小焊后残余应力和变形[ 2, 5, 6 ]。　　2　随焊冲击碾压法简介　　图1 是随焊冲击碾压装置结构图, 由图可以看出随焊冲击碾压机构主要由动力源(气锤)、冲击传力杆、冲击碾压轮后座、和两个冲击碾压轮等构成。气锤冲击活塞在压缩空气的推动下, 在气缸中上下往复运动。当活塞向下冲击时, 在行程的末端受到冲击传力杆的阻挡, 在接触的瞬间, 将能量传递给冲击传力杆; 这时气流换向, 活塞开始向上运动, 开始下一个冲击循环; 而冲击传力杆将带动冲击碾压轮后座一起向下冲击。冲击力通过冲击碾压轮后座与冲击碾压轮之间的配合曲面传递到前后冲击碾压轮,并最终作用到被焊工件上。工作时, 随焊冲击碾压机构紧紧跟随在焊接电弧后面, 并与焊枪同步运动。