預(yù)拉伸對鋁合金焊接殘余應(yīng)力和變形的影響分析

馬玉剛

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林 長春 130000

焊接工程界及學(xué)術(shù)界對鋁合金的研究都集中在鋁合金焊接應(yīng)力和變形。經(jīng)過多少年的發(fā)展及實踐,加快了焊接殘余應(yīng)力和變形的理論發(fā)展,盡管它的理論體系還不完善,但是隨著各種焊接法的發(fā)展,能積極控制鋁合金件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,保證鋁合金的品質(zhì)和質(zhì)量。

一、鋁合金焊接概述

對鋁合金進(jìn)進(jìn)行焊接時,由于焊接區(qū)在冷熱變換過程中出現(xiàn)不協(xié)調(diào)應(yīng)變現(xiàn)象,從而導(dǎo)致鋁合金出現(xiàn)變形和焊接殘余應(yīng)力問題,為了解決鋁合金在焊接過程中出現(xiàn)變形和焊接殘余應(yīng)力,研究人員提出了多種措施,但是許多方法都傾重于焊后處理。而隨著焊接理念的改變,越來越多焊接技術(shù)注重于控制焊接過程中的冷熱變換的不均衡應(yīng)力的處理,實現(xiàn)焊接的低應(yīng)力無形變。因此,越來越多的焊接技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步,更傾向?qū)崿F(xiàn)鋁合金低應(yīng)力無變形的焊接。如預(yù)拉伸焊接法和瞬態(tài)熱拉伸焊接法等焊接技術(shù)[1]。

由于鋁合金結(jié)構(gòu)件內(nèi)部存在應(yīng)力--應(yīng)變場,在對其進(jìn)行焊接時,焊接區(qū)的溫度會產(chǎn)生變化,存在一定的溫度分布差。鋁合金焊接區(qū)具有溫度差變化的特點,倘若可以適當(dāng)?shù)馗淖兤錅囟葓?促使構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生溫度場的分布演變,可以實現(xiàn)鋁合金焊接區(qū)的不協(xié)調(diào)應(yīng)發(fā),確保其發(fā)生降低或逆轉(zhuǎn)。瞬態(tài)熱拉伸焊接法和低應(yīng)力無變形焊接法就是充分利用鋁合性的特點,先預(yù)置好溫度場,通過溫度差來實現(xiàn)拉伸效應(yīng)。實現(xiàn)定量實時控制熱應(yīng)力應(yīng)變,以此來最大限制約束焊接殘余應(yīng)力和變形。

改變鋁合金件內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變場,還有一種方法,就是利用外加應(yīng)力場。通過這種方法來減少或控制焊接殘余應(yīng)力和變形,現(xiàn)今外加應(yīng)力場的應(yīng)用方向多是焊后方面的處理,輔助焊接后變形的矯正工作。如利用滾壓法、、爆炸法、機械拉伸法和錘擊法。通過以上的方法對鋁合金施加外力,對其進(jìn)行拉伸應(yīng)變、彈性拉伸,從而達(dá)到消除和降低焊接殘余應(yīng)力和變形。

二、預(yù)加應(yīng)力與鋁合金焊接的關(guān)系

在對鋁合金焊接時,對鋁合金構(gòu)件施加預(yù)加應(yīng)力,隨著不斷增大預(yù)加應(yīng)力,焊接后的縱向殘余應(yīng)力會發(fā)生變化,但是增大的幅度變大,縱向殘余應(yīng)力曲線的總體變化越傾向于平緩,其平均幅值限制在一個區(qū)間范圍內(nèi),尤其是預(yù)拉伸應(yīng)力到達(dá)某個數(shù)值后,鋁合金構(gòu)件的中心位置兩側(cè)壓應(yīng)值和拉應(yīng)力,其數(shù)據(jù)保持在一個較低區(qū)間。曲線也傾向于平衡[2]。

對鋁合金構(gòu)件施加預(yù)制拉伸應(yīng)力可以設(shè)置焊接區(qū)在冷熱變換過程中的應(yīng)力應(yīng)變,對鋁合金進(jìn)行加熱時,鋁合金的焊縫區(qū)和近縫區(qū)會受熱,進(jìn)而出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象,但受周邊冷金屬的熱傳遞的作用,壓縮應(yīng)力會出現(xiàn)焊接區(qū)。通過預(yù)加拉應(yīng)力,可以實現(xiàn)抵消部分的壓縮應(yīng)力。通過控制焊接區(qū)的殘余壓縮塑性,降低其變形量,以此來達(dá)到構(gòu)件的穩(wěn)定。

同理,對鋁合金進(jìn)行冷卻時,冷卻區(qū)的收縮應(yīng)力相應(yīng)也發(fā)現(xiàn)變化,其收縮應(yīng)力會減小,焊接區(qū)的殘余拉應(yīng)力也隨之降低,通過采用預(yù)加應(yīng)力焊接法,即可以實現(xiàn)焊接區(qū)在冷熱變換時的壓應(yīng)力,減小其峰值,還能實現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)向變窄方向發(fā)展,保證壓應(yīng)力區(qū)向拉應(yīng)力區(qū)的方向轉(zhuǎn)變,而且在兩力的共同下,即收縮拉應(yīng)力和預(yù)制拉應(yīng)力。能使焊接區(qū)兩側(cè)的殘余拉應(yīng)力降低。按照內(nèi)應(yīng)力自相平衡的條件要求,這種情況勢必會造成遠(yuǎn)離焊接區(qū)的拉應(yīng)力變化,引發(fā)拉應(yīng)力的受力分布改變。改變殘余壓應(yīng)力幅值。將其降低到相對較低的水平。以此來將鋁合金翹曲失穩(wěn)變形控制在可控范圍之內(nèi)。實現(xiàn)鋁合金件的低應(yīng)力無變形焊接,以確保鋁合金件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]。

三、預(yù)加應(yīng)力與焊接變形的關(guān)系

(一)預(yù)拉伸應(yīng)力的影響作用。在不同預(yù)拉伸力的影響下,會造成鋁合金焊接區(qū)的變形,其規(guī)律為預(yù)拉伸應(yīng)力越大,焊接區(qū)的縱向撓曲變形量就越小,兩者之間存在遞減相關(guān)。

鋁合金在加熱過程中,壓縮應(yīng)力會導(dǎo)致焊接區(qū)的撓曲變形。根據(jù)奧凱爾勃洛姆的理論講述,在鋁合金焊接加熱時,焊接區(qū)會因加熱而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,當(dāng)其臨界失穩(wěn)應(yīng)力小于焊接區(qū)的壓縮應(yīng)力時,鋁合金構(gòu)件會失去其直線平衡力,而演變成曲線平衡狀態(tài),最終導(dǎo)致?lián)锨冃蔚某霈F(xiàn)。要實現(xiàn)抵消焊接區(qū)附近的壓應(yīng)力,就要增加預(yù)加拉應(yīng)力?？刂坪附訁^(qū)的縱向纖維的壓應(yīng)力。降低其壓應(yīng)力值。在高溫的過程中,能有效減小焊接區(qū)的壓縮塑性變形量,故此,鋁合金焊接后,其縱向撓曲變形會更傾向于平緩趨勢。從而保證鋁合金件不出現(xiàn)撓曲變形。

(二)預(yù)拉伸應(yīng)力與鋁合金平面變形的關(guān)系。在開展焊接工作中,壓縮塑性變量與鋁合金平面失穩(wěn)變形存在相關(guān)關(guān)系。這個也是有效保證平面失穩(wěn)變形的關(guān)鍵點。在進(jìn)行鋁合金焊接時,通過加熱,將壓縮塑性變量值降低到合理的狀態(tài),減小殘余壓應(yīng)力的絕對值,以此達(dá)到防止平面失穩(wěn)變形的發(fā)生。

四、結(jié)語

在現(xiàn)代工程技術(shù)材料應(yīng)用中,鋁合金具有不可輕視的地位,在工程材料的世界年產(chǎn)量中,鋁合金位居第二位,在有色金屬的應(yīng)用中,它則是第一位。由此可見,鋁合金構(gòu)件的焊接是非常重要的一項工作。通過預(yù)拉伸焊接法,控制鋁合金構(gòu)件的縱向殘余應(yīng)力及其分布,以達(dá)到低應(yīng)力無變形白效果。同時在預(yù)拉伸應(yīng)力的影響下,能有效降低鋁合金構(gòu)件的平面變形和縱向撓曲變形,保證鋁合金構(gòu)件內(nèi)部穩(wěn)定。確保其符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。