随焊旋转挤压工艺控制应力变形的研究

论文摘要

本文提出了随焊旋转挤压控制焊接应力与变形的新方法,通过位于焊枪后方一定距离的挤压杆对焊后尚处于较高温度的焊缝及近缝区金属进行旋转挤压处理,将焊缝金属纵向和横向压缩塑性应变充分延展,从而降低残余应力控制变形。自行设计研制了一整套随焊旋转挤压装置,其中包括施焊部分和旋转挤压部分。旋转挤压部分通过机械装置提供挤压力,通过电动机和减速箱提供旋转动力。旋转挤压杆的材料经强度校核后选用W9Mo3Cr4V。对相关控制参数进行了试验后发现当挤压杆端部直径为14mm,挤压力为3000N-3750N,杆枪距为90mm-120mm时变形控制效果比较理想。为了揭示随焊旋转挤压减小焊接残余应力、控制焊接变形的机理,利用有限元软件对随焊旋转挤压过程进行了分析,并通过实验验证了模拟结果的正确性。研究发现随焊旋转挤压作用于焊缝金属,迫使焊缝金属向焊接方向和两侧方向延展,抵消了焊接产生的残余压缩塑性应变,从而改善了焊接残余应力分布,焊缝及近缝区的拉应力明显减少,焊缝中心部位表现为压应力状态。通过研究发现随焊旋转挤压对焊接熔池起到振动搅拌作用,有效地细化焊缝晶粒,打乱晶粒生长位相,减少接头气孔。另外在对较高温度的焊缝金属进行旋转挤压时有类似于“热加工”的作用:焊合气孔和缩孔,打碎枝晶,同时在焊缝及近缝区的上表面形成了一层纤维组织,其中弥散分布有粒状或短条状的第二相质点。另外随焊旋转挤压也很大程度地提高了接头的性能,有效提高接头的强度和硬度,其中抗拉强度提高10%以上。此外随焊旋转挤压也可以改善焊缝表面质量消除焊趾处的应力集中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 焊接残余应力与变形机理的研究现状
• 1.2.1 焊接残余应力与变形产生机理的讨论
• 1.2.2 薄壁结构焊接变形
• 1.3 焊接应力与变形控制方法的研究现状
• 1.3.1 焊接应力与变形的焊前预防方法
• 1.3.2 残余应力与变形的焊后控制措施
• 1.3.3 残余应力与变形的焊中控制方法
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 随焊旋转挤压装置及构件的设计与改进
• 2.1 引言
• 2.2 随焊旋转挤压设备的总体设计
• 2.3 旋转挤压装置的设计与改进
• 2.3.1 早期旋转挤压装置
• 2.3.2 改进的旋转挤压装置
• 2.4 旋转挤压杆的设计及强度校核
• 2.5 夹具的设计
• 2.6 随焊旋转挤压整套装置
• 2.7 本章小结
• 第3章 随焊旋转挤压试验与参数的优化
• 3.1 引言
• 3.2 挤压杆端部直径对变形控制的影响
• 3.3 挤压力对变形控制的影响
• 3.4 杆枪距对变形控制的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 随焊旋转挤压控制焊接应力变形的机理分析
• 4.1 引言
• 4.2 薄壁结构焊接应力与变形产生的机理分析
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 焊接温度场的分析
• 4.2.3 焊接过程对金属塑性应变与应力的影响
• 4.3 随焊旋转挤压控制焊接残余应力变形机理的有限元分析
• 4.3.1 有限元模型的建立
• 4.3.2 随焊旋转挤压对金属流动的影响
• 4.3.3 随焊旋转挤压对塑性应变和应力的影响
• 4.4 随焊旋转挤压控制焊接残余应力与变形机理的实验研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 随焊旋转挤压对接头组织和性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 随焊旋转挤压对接头组织的影响
• 5.3 随焊旋转挤压对焊缝表面质量的影响
• 5.4 随焊旋转挤压对接头力学性能的影响
• 5.4.1 随焊旋转挤压对接头硬度的影响
• 5.4.2 随焊旋转挤压对接头拉伸性能的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间申请的发明专利
• 致谢