振动对焊接接头组织与性能的影响及其工程应用

论文摘要

振动焊接（Vibratory Welding,VW）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Q345B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UT60E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（22.8 kJ/cm）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（26.6 kJ/cm）时,残余应力在10 m/s2的振动加速度下残余应力最小;而对于较大焊接热输入（31.6 kJ/cm）时,残余横向应力σx和残余最大主应力σmax在加速度为15 m/s2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6 m/s2时冲击性能最佳。应用动态机械分析（DMA）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（ADIF）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0 m/s2即常规焊接时焊接热输入越小阻尼越大,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;6 m/s2时,随着应变幅度的增加,31.6 kJ/cm的试样的阻尼明显增加,显示位错钉扎、应变强化后特征;10 m/s2时,26.6 kJ/cm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;15 m/s2时,22.8 kJ/cm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。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（Heat-Affected Zone,HAZ）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6～10 m/s2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。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Q235B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。14MnNbTi高炉厚板的振动电渣焊接试验表明,振动加速度为6 m/s2时,接头的侧弯试验合格率达100%。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门筒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40 %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的提高了21%;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,采用振动埋弧焊的筒体接头断裂韧度达到免焊后热处理的国际标准评估要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 振动的应用
• 1.2.1 振动凝固
• 1.2.1.1 振动凝固对铸件的影响
• 1.2.1.2 振动凝固的国内外研究状况
• 1.2.2 振动时效
• 1.2.2.1 振动时效工艺
• 1.2.2.2 振动时效的国内外研究状况
• 1.2.3 振动焊接
• 1.2.3.1 振动焊接的产生
• 1.2.3.2 振动焊接的国内外研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 振动对焊接温度与焊缝成形的影响
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验系统与工艺
• 2.3.1 试验系统
• 2.3.2 振动焊接设备
• 2.3.3 振动焊接工艺
• 2.4 振动对焊接温度的影响
• 2.4.1 温度测量系统
• 2.4.2 温度测量结果及分析
• 2.4.3 最高温度预测模型
• 2.5 振动对焊缝成形的影响
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 振动对焊接残余应力与变形的影响
• 3.1 引言
• 3.2 焊接残余应力
• 3.2.1 残余应力的测量
• 3.2.2 振动对残余应力的影响
• 3.3 焊接残余变形
• 3.3.1 焊接变形的测量
• 3.3.2 振动对焊接变形的影响
• 3.4 机理与讨论
• 3.4.1 宏观作用
• 3.4.2 微观作用
• 3.5 残余最大主应力与振动焊接参数的相关性分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 振动对焊接接头力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 振动对接头拉伸性能的影响
• 4.3 振动对接头显微硬度的影响
• 4.4 振动对接头冲击性能的影响
• 4.4.1 冲击试验及结果分析
• 4.4.2 冲击断口分析
• 4.4.3 冲击韧度与振动焊接参数的相关性分析
• 4.5 振动对焊缝动态力学性能的影响
• 4.5.1 内耗
• 4.5.2 金属材料振动阻尼机理
• 4.5.3 振动阻尼测量原理与设备
• 4.5.4 阻尼测量试验设计
• 4.5.5 试验结果分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 振动改善焊接接头质量的机理
• 5.1 引言
• 5.2 振动对焊接接头金相组织的影响
• 5.2.1 振动对焊缝金相组织的影响
• 5.2.2 振动对热影响区金相组织的影响
• 5.2.3 振动对晶体形核与长大的影响
• 5.2.3.1 振动对晶体形核的影响
• 5.2.3.2 振动对晶体长大的影响
• 5.3 焊接接头透射电镜显微组织分析
• 5.3.1 焊缝的透射电镜显微组织分析
• 5.3.2 热影响区的透射电镜显微组织分析
• 5.4 振动焊接条件下的动态再结晶机制分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 振动焊接的大构件试验与工程应用
• 6.1 引言
• 6.2 振动在建筑H 型轻钢焊接中的应用研究
• 6.2.1 H 型钢振动焊接工艺
• 6.2.2 试验结果分析
• 6.3 振动在高炉厚板电渣焊中的应用研究
• 6.3.1 振动对厚板电渣焊接接头拉伸性能的影响
• 6.3.2 振动对厚板电渣焊接接头侧弯性能的影响
• 6.3.3 振动对厚板电渣焊接头组织的影响
• 6.4 振动在阀体筒体焊接中的应用研究
• 6.4.1 筒体振动焊接工艺参数的确定
• 6.4.2 振动对筒体对接多道焊残余应力和变形的影响
• 6.4.2.1 振动对筒体焊接残余应力的影响
• 6.4.2.2 振动对筒体焊接变形的影响
• 6.4.3 振动对筒体焊接接头拉伸性能的影响
• 6.4.4 振动对筒体焊接接头冲击性能的影响
• 6.4.5 振动对筒体焊接接头侧弯性能的影响
• 6.4.6 振动对筒体焊接接头断裂韧度的影响
• 6.4.7 振动对筒体焊接接头金相组织的影响
• 6.4.8 分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 创新点
• 附录A 金相照片
• 附录B 透射电镜照片
• 攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况说明
• 致谢