劉浪浪, 高金良, 任雁, 馮和永

(北京北方車輛集團(tuán)有限公司,北京100072)

0 前言

航空航天、飛機(jī)船舶、軍工、汽車行業(yè)、微電子行業(yè)等的制造離不開焊接技術(shù),隨著各領(lǐng)域的快速發(fā)展,焊接技術(shù)也得到了質(zhì)的飛躍[1]。中國(guó)從傳統(tǒng)的手工焊和示教機(jī)器人焊正向自動(dòng)化、智能化焊接快速轉(zhuǎn)變,通過人才培養(yǎng)與技術(shù)革新,逐步由焊接大國(guó)向焊接強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

目前,螺柱焊、氣體保護(hù)焊、電子束焊、等離子焊、激光焊等在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用,并取得不錯(cuò)的成績(jī)[2]。如螺柱焊由于速度快、可靠、操作簡(jiǎn)便及無孔連接等優(yōu)點(diǎn),逐漸替代了汽車制造中的鉚接、攻螺紋、鉆孔等連接技術(shù),廣泛地應(yīng)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(diào)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(tǒng)焊接方法預(yù)期工期減少36天[4]。上海船舶工藝研究所與英國(guó)焊接工藝研究所合作,研究引進(jìn)了A-TIG 焊的新型活性焊劑,污染小,對(duì)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(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到《材料與焊接規(guī)范》的要求[5]。楊薇等學(xué)者[6]采用YZGH4169材質(zhì)分體鍛造、電子束拼焊的工藝實(shí)現(xiàn)某燃?xì)廨啓C(jī)后軸頸的生產(chǎn),接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足使用要求。在激光焊接領(lǐng)域,胡海連等學(xué)者[7]采用CO2激光-MAG復(fù)合焊接工藝對(duì)14 mm厚10Ni3CrMoV鋼T形接頭進(jìn)行連續(xù)全熔透焊接試驗(yàn),角焊縫未出現(xiàn)焊透、裂紋等缺陷,其焊縫質(zhì)量滿足船用要求。

在應(yīng)用焊接技術(shù)進(jìn)行金屬構(gòu)件接合過程中,由于焊接熱影響區(qū)造成的焊縫殘余應(yīng)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(shè)計(jì)尺寸[8]。尤其當(dāng)某一產(chǎn)品存在焊縫數(shù)量多,總長(zhǎng)度大和焊接方式多樣性等客觀條件下,焊縫殘余應(yīng)力存在疊加現(xiàn)象,其焊接變形的控制難度也隨之增加,對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響,對(duì)于保證或提高焊接產(chǎn)品尺寸的精度和高質(zhì)量制造是一種極大的挑戰(zhàn)。所以,在焊接技術(shù)不斷的發(fā)展中,如何有效控制焊接變形和降低焊縫殘余應(yīng)力,也體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家整體焊接水平的強(qiáng)弱。

1 影響焊接變形的因素

1.1 宏觀角度分析

根據(jù)熱脹冷縮原理,焊接過程中金屬熔液的快速冷卻,造成結(jié)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(wěn)定性之間的差異性,在焊縫收縮作用下,接合金屬會(huì)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(huán),造成的不均勻熱膨脹和收縮,造成焊接變形的產(chǎn)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(shí)隨著多條多方向焊縫疊加,使金屬的形變更為復(fù)雜,與原始的設(shè)計(jì)大相徑庭。

1.2 微觀角度分析

從微觀角度看,焊接產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使焊絲或結(jié)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(yuǎn)距離原子趨于無序運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的空位使熔液體積大于固態(tài)體積[11]。在快速冷卻結(jié)晶過程中,原子有序排列至固態(tài),原子間隙降低。在熱影響區(qū)內(nèi)存在溫度的持續(xù)變化和梯度分布,這種金屬原子狀態(tài)的變化受周邊未發(fā)生明顯體積變化的固態(tài)金屬限制,使熔池金屬熔化和冷卻過程中受到壓縮塑性應(yīng)變與拉伸塑性應(yīng)變,導(dǎo)致固有應(yīng)變的產(chǎn)生。同時(shí),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(shí),微觀組織的形成存在不均勻和差異性也是焊接殘余應(yīng)力的形成因素之一。

1.3 固有應(yīng)變的影響

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

基于以上分析,焊接變形歸結(jié)為由溫度場(chǎng)的變化在焊縫處形成的熱影響區(qū),致使焊接過程中焊縫存在內(nèi)應(yīng)力,焊接結(jié)束后,內(nèi)應(yīng)力變成殘余應(yīng)力。如果焊接時(shí)的內(nèi)應(yīng)力或焊后殘余應(yīng)力達(dá)到金屬的屈服點(diǎn),將會(huì)出現(xiàn)焊接變形。

2 焊接殘余應(yīng)力的影響

雖然焊接可以實(shí)現(xiàn)金屬間的快速連接,應(yīng)用廣泛,但焊后殘余應(yīng)力帶來的負(fù)面影響同樣不容忽視。由焊接帶來的殘余應(yīng)力,不僅可以導(dǎo)致焊接變形,且影響整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)的焊接成本增加,尤其是大型金屬構(gòu)件的焊接。

2.1 焊接殘余應(yīng)力對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的性能影響

大型焊接金屬結(jié)構(gòu),如船體架構(gòu)、大型管道、復(fù)雜性鋼結(jié)構(gòu)等,需要接合的金屬焊縫不僅數(shù)量大,還存在焊縫寬、厚度大等特點(diǎn)。焊接周期長(zhǎng),焊接過程復(fù)雜多變,控制和降低焊接帶來的殘余應(yīng)力非常困難,且應(yīng)力去除的工作量大,使得殘余應(yīng)力不僅長(zhǎng)期存在于金屬內(nèi)部,如果殘余應(yīng)力過于集中或焊接結(jié)構(gòu)在服役期間出現(xiàn)的應(yīng)力集中,都將降低結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,影響焊接結(jié)構(gòu)的服役年限[15]。

殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)中,不同位置的焊縫引起的殘余應(yīng)力產(chǎn)生的疊加效應(yīng),使其焊接制造過程中,出現(xiàn)的應(yīng)力集中越來越來嚴(yán)重,如果不采取有效措施,容易產(chǎn)生脆性斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂、屈服值降低等現(xiàn)象[16-17]。

2.2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)裝配精度的影響

以簡(jiǎn)單金屬板材的焊接為例,焊接殘余應(yīng)力引發(fā)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(zhuǎn)變形和屈曲變形等,如圖1所示。即使焊接過程中采用加強(qiáng)筋或筋板控制變形,一旦焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜,焊縫數(shù)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(xiàn)比較嚴(yán)重的焊接變形,結(jié)構(gòu)的成形尺寸和設(shè)計(jì)尺寸產(chǎn)生較大偏差,對(duì)于后期的部件裝配帶來一定的挑戰(zhàn)。

圖1 薄板對(duì)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(jìn)行內(nèi)外部承重結(jié)構(gòu)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(duì)的板材厚度較高、焊接所需的坡口形式不一和焊接對(duì)象的多樣性,常常需要人工焊接和自動(dòng)焊接相配合,焊縫的焊接質(zhì)量不一。過程中采用的防變形控制(如:加強(qiáng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜化,多焊縫在船身或車體縱橫交錯(cuò),其自身產(chǎn)生的應(yīng)力集中,極易導(dǎo)致焊后的變形,即使某處產(chǎn)生輕微變形,局部放大后,將影響各種部件的裝配精度,或?qū)?dǎo)致返工返修,增加生產(chǎn)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(zhì)量,穩(wěn)定焊接結(jié)構(gòu)的尺寸,優(yōu)化焊接工藝,國(guó)內(nèi)外對(duì)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(diào)整焊接順序、優(yōu)化焊接方式等[22-23]。

3.1 剛性固定法

目前,應(yīng)用較為廣泛的是采用剛性固定法抑制焊接變形。在進(jìn)行不同形狀和不同類型焊接時(shí),以剛性工裝(如槽鋼點(diǎn)焊、筋板焊、夾具固定、多孔平臺(tái)等)輔助增加焊接金屬的剛度,使其在焊接應(yīng)力下保持固定不變。彭昌永等學(xué)者[24]對(duì)調(diào)質(zhì)態(tài)30CrMnSiA支架進(jìn)行等強(qiáng)度的焊接時(shí),通過工裝固定,有效控制了焊接變形。剛性固定法應(yīng)用廣泛,在焊接時(shí),其固定位置多通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(shí),以經(jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)的剛性固定法含有一定的盲目性,容易忽略應(yīng)力集中點(diǎn),或者控制過渡,不利于焊接工作的開展。而程珂等學(xué)者[25]結(jié)合有限元分析,根據(jù)模擬變形的最佳位置,對(duì)其進(jìn)行剛性固定焊接,將焊接產(chǎn)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(jīng)驗(yàn),預(yù)算焊接變形的方向和大小,然后在焊接前對(duì)焊接件進(jìn)行反方向的變形并控制大小,已獲得焊接變形的補(bǔ)償。張凱等學(xué)者[26]在熱彈塑性有限元分析的基礎(chǔ)上,對(duì)焊接過程的應(yīng)力變化進(jìn)行數(shù)值模擬以預(yù)測(cè)焊接變形量,采用反變形法預(yù)制了焊接變形的補(bǔ)償量,獲得了平整度較好的焊接構(gòu)件。劉雨生等學(xué)者[27]在熱-機(jī)耦合熱彈塑性有限元理論基礎(chǔ)上,利用MARC有限元對(duì)連接桿的焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬,并依據(jù)模擬數(shù)值設(shè)計(jì)反變形工裝,成功將焊接變形量降低82.4%。周振雷[28]則根據(jù)固有應(yīng)變和平板焊接變形能之間的關(guān)系,引入修正系數(shù),推導(dǎo)出的變形關(guān)系式,以SYSWELD軟件模擬了T形接頭構(gòu)件在反變形量施加前后的焊接變形模擬數(shù)值,結(jié)果表明:按反變形量的模擬值進(jìn)行實(shí)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(duì)傳統(tǒng)且簡(jiǎn)單有效的緩解應(yīng)力的方法。焊接板材時(shí),對(duì)焊縫錘擊產(chǎn)生的塑性變形補(bǔ)焊接中產(chǎn)生的收縮變形,采用錘擊焊縫法還可以有效降低殘余應(yīng)力,可以達(dá)到控制焊接變形的目的。核電站大型鋼結(jié)構(gòu)的拼接過程產(chǎn)生的應(yīng)力,由于無法通過熱處理去除,常會(huì)采用錘擊法進(jìn)行應(yīng)力消除[29]。

3.4 調(diào)整焊接順序

不同的焊接順序?qū)附託堄嗪妥冃斡兄鴺O大影響。在進(jìn)行裝配焊時(shí),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(dǎo)致后期的一系列問題,如:殘余應(yīng)力過大、變形嚴(yán)重、焊接干涉導(dǎo)致無法進(jìn)一步焊接、零部件裝配焊誤差極大,甚至直接導(dǎo)致開裂等問題[30]。所以,在進(jìn)行焊接前,應(yīng)合理設(shè)計(jì)焊接順序,優(yōu)化焊接工藝,以求焊接結(jié)構(gòu)的合理性,追求焊接殘余應(yīng)力最小化。

李余江等學(xué)者[31]研究了動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架側(cè)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(gè)方面進(jìn)行綜合控制,不僅降低焊接變形量,且有效降低焊接殘余應(yīng)力,提升轉(zhuǎn)向架的抗疲勞性能。宋坤林等學(xué)者[32]采用3D高斯+雙橢球熱源模型預(yù)測(cè)某高速列車8 m側(cè)墻部件的焊接,結(jié)果表明:優(yōu)化焊接順序可以將側(cè)墻厚方向的焊接變形降低約13%,并與實(shí)測(cè)值之間的誤差小于1 mm。Fu等學(xué)者[33]基于ABAQUSDE三維數(shù)值模擬對(duì)T形接頭進(jìn)行研究,將模擬結(jié)果與調(diào)整的焊接順序進(jìn)行比對(duì)分析,結(jié)果表明:雙面焊接和漸近焊接對(duì)焊接變形和應(yīng)力集中的影響最小。

圖2 側(cè)梁端部結(jié)構(gòu)[31]

3.5 優(yōu)化焊接方式

隨著焊接學(xué)科的不斷發(fā)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(hù)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(yīng)力不同,且力學(xué)性能、微觀組織也有很大區(qū)別。邵玲等學(xué)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(jié)果顯示:采用不同焊接方法對(duì)Ti-22Al-25Nb合金進(jìn)行焊接后,其接頭的缺陷、抗拉強(qiáng)度和顯微硬度都有明顯差異。再如不同的焊接方法(擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、激光焊、電子束焊)焊接高熵合金后,原子擴(kuò)散方式、晶粒大小、硬度和抗拉強(qiáng)度等都存在明顯差異[35]。

焊接方式主要根據(jù)所需構(gòu)件的力學(xué)性能及可達(dá)性進(jìn)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(qū)寬度,或通過不同焊接方式相結(jié)合的形式(如激光-電弧復(fù)合焊),進(jìn)行復(fù)合焊接,以達(dá)到高質(zhì)量、低殘余應(yīng)力的目的。

相比于焊接變形控制方法,優(yōu)化焊接方式依然存在很大研究和發(fā)展空間,其多維度的控制,不斷有利于對(duì)焊接變形和焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控,根據(jù)實(shí)際需要實(shí)施有效的焊接,且有利于在焊接領(lǐng)域的技術(shù)開拓,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的焊接發(fā)展。

4 結(jié)束語

(1)焊接過程中持續(xù)的熱輸入導(dǎo)致接合處的熔化金屬在冷卻結(jié)晶過程中產(chǎn)生的缺陷及過冷度持續(xù)變化造成的晶格畸變,導(dǎo)致接合處的金屬內(nèi)部位錯(cuò)增殖、塞積,致使熱影響區(qū)出現(xiàn)焊后殘余應(yīng)力,使焊接金屬構(gòu)件存在變形傾向。

(2)當(dāng)金屬焊接構(gòu)件中的焊縫數(shù)量較大且分布復(fù)雜時(shí),焊后殘余應(yīng)力的累積或疊加易導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中,影響金屬構(gòu)件的焊縫力學(xué)性能,降低產(chǎn)品服役年限。

(3)焊后殘余應(yīng)力影響著焊后構(gòu)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(xù)焊接構(gòu)件零部件的裝配,且容易導(dǎo)致產(chǎn)品整體返修,增加生產(chǎn)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(gè)階段及焊接需求進(jìn)行考量,應(yīng)當(dāng)結(jié)合數(shù)值模擬,從單一方面的控制逐漸向焊接過程的多因素相結(jié)合,對(duì)焊接過程進(jìn)行綜合控制,有效降低焊接變形量,焊接質(zhì)量明顯提高。

(5)在國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域中,很大比例的生產(chǎn)、制造和研發(fā)與焊接技術(shù)相交互。例如,在面對(duì)復(fù)雜構(gòu)件(如大型車體、船體、飛機(jī)機(jī)身等)上,為實(shí)現(xiàn)性能的持續(xù)優(yōu)化和突破,常常需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化與高質(zhì)量焊接技術(shù)相配合。焊接作為生產(chǎn)制造的必備手段,要緊跟其步伐,不斷追尋新的突破。對(duì)于焊接技術(shù)涉及的多種影響因素,還需進(jìn)一步深入研究,充分利用數(shù)值模擬和科學(xué)分析,在現(xiàn)有焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的綜合管控,提升焊接質(zhì)量。在發(fā)展中,通過不斷的努力探索和研究,打造一個(gè)焊接強(qiáng)國(guó)。