随焊旋转挤压控制铝合金薄板焊接应力变形及防热裂研究

论文摘要

本文首次提出了随焊旋转挤压(WTRE)控制铝合金薄板焊件残余应力变形及防止热裂纹新方法。通过一特定形状的挤压头对电弧后方的焊缝区金属进行旋转挤压,其所产生的塑性延展能够降低焊缝区的纵向残余拉应力水平,从而起到减小甚至消除焊接残余变形的作用。该方法还能有效抑制铝合金焊接热裂纹的产生和扩展,从而为解决高强铝合金薄板焊件的大变形和高热裂问题提供了一种行之有效的新工艺。根据随焊旋转挤压工作原理,搭建了WTRE装置设计框图,并研制出能很好满足试验要求的WTRE装置。采用三维弹塑性有限元法对2A12T4铝合金薄板常规焊件和WTRE焊件的焊接应力和变形进行了模拟,并揭示了随焊旋转挤压控制焊接残余变形的机理:挤压头对焊缝区金属的塑性延展能够减小该区域中的纵向残余拉应力,根据内应力平衡原则,WTRE焊件的纵向平均压应力值也被降低,当其低于板件的临界失稳应力时,就能消除焊接失稳变形。对于尺寸为270mm×130mm×2mm的2A12T4铝合金薄板焊件,采用适当的随焊旋转挤压工艺能够将其最大纵向挠度降至0.3mm以下,只有常规焊状态的4%。挤压头与焊枪的距离、挤压头对焊件的垂直压力、挤压头的直径、挤压头的转速和其在焊件上的作用位置是影响焊接变形控制效果的重要参数。挤压头与焊枪距离的确定原则为:在保证焊件挤压后冷却过程中不产生会导致失稳变形的残余压应力的前提下,挤压头与焊枪的距离应尽可能小。旋转挤压过程产生的摩擦热从两个相反的方面影响焊接变形的控制效果,少量的摩擦热能够提高挤压头下方金属的塑性,因而有利于焊接变形的控制,但过多的摩擦热会带来不期望的应力应变场,从而不利于焊接变形的控制。保持其它工艺参数不变,挤压头对焊件的垂直压力有一个最佳范围,在此范围内焊接变形的控制效果较好,过大或过小的垂直压力均不利于焊接变形的控制。旋转挤压对焊接变形的有效控制区域是焊缝和近缝区,当焊缝和近缝区金属均能被挤压头充分延展时,才能获得理想的变形控制效果。根据BTR区间焊缝金属横向应变的产生机制,提出了横向拘束控制焊接热裂纹的方法。该方法控制焊接热裂纹的机理主要包括两个方面,一是通过限制焊件回转变形来减小BTR区间焊缝金属的横向拉伸应变,二是通过增加熔池两侧受热压缩区金属横向不均匀膨胀程度来增大BTR区间焊缝金属的横向压缩应变。随焊旋转挤压能够有效抑制铝合金焊接热裂纹的产生和扩展,其机理基于对起弧端热裂纹的压合和对焊件回转变形的拘束作用。试验结果表明,挤压头对焊件的垂直压力和杆枪距是决定焊接热裂纹控制效果的两个重要参数,在合适的参数规范下,可获得无热裂纹的2A12T4铝合金焊件。随焊旋转挤压对铝合金焊缝的表面形貌影响很大,常规焊缝表面比较粗糙,在焊趾部位存在明显应力集中,而随焊旋转挤压焊缝表面由均匀细密排列的圆环纹组成,表面较为平整光滑,降低了几何缺口效应的影响。拉伸和疲劳试验结果表明,2A12T4铝合金WTRE接头的抗拉强度比常规焊接头平均提高了约40MPa,前者的疲劳寿命也明显高于后者。金相组织和拉伸断口形貌观察表明,随焊旋转挤压能够细化晶粒,减少气孔等焊接缺陷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 焊接应力和变形的研究现状
• 1.2.1 焊接应力和变形的产生及控制机理研究
• 1.2.2 焊接应力和变形的数值模拟研究进展
• 1.2.3 焊接应力和变形的控制及其研究现状
• 1.3 焊接热裂纹的研究现状
• 1.3.1 焊接热裂纹的产生机理及影响因素研究
• 1.3.2 焊接热裂纹的控制
• 1.4 前人工作存在的不足
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 随焊旋转挤压试验装置及构件设计
• 2.1 引言
• 2.2 随焊旋转挤压设备总体设计
• 2.3 随焊旋转挤压装置的设计
• 2.3.1 动力源的选择
• 2.3.2 气动加压随焊旋转挤压装置
• 2.3.3 机械加压随焊旋转挤压装置
• 2.3.4 挤压头的设计
• 2.3.5 焊接夹具的设计
• 2.4 随焊旋转挤压工作特点
• 2.5 随焊旋转挤压工作过程
• 2.6 本章小结
• 第3章 随焊旋转挤压控制焊接应力变形的机理分析
• 3.1 引言
• 3.2 铝合金薄板的焊接应力和变形
• 3.2.1 薄板焊件残余变形的产生机制
• 3.2.2 铝合金薄板焊接应力变形的有限元模拟
• 3.3 随焊旋转挤压控制焊接应力变形的有限元模拟
• 3.3.1 有限元建模
• 3.3.2 焊接温度场的模拟
• 3.3.3 残余变形的模拟
• 3.3.4 焊接应力应变场的模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 随焊旋转挤压控制焊接应力变形试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验方法
• 4.3 随焊旋转挤压对焊接应力的影响
• 4.4 随焊旋转挤压对焊件横向收缩的影响
• 4.5 随焊旋转挤压控制焊接变形工艺试验
• 4.5.1 焊接变形的控制效果
• 4.5.2 杆枪距对焊接变形的影响
• 4.5.3 垂直压力对焊接变形的影响
• 4.5.4 摩擦热对焊接变形的影响
• 4.5.5 挤压头直径对焊接变形的影响
• 4.5.6 挤压头作用位置对焊接变形的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 控制焊接热裂纹理论与试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 横向拘束控制焊接热裂纹
• 5.2.1 普洛霍洛夫焊接热裂纹理论
• 5.2.2 BTR 区间焊缝金属的横向应变
• 5.2.3 横向拘束对焊接热裂倾向影响的数值模拟
• 5.3 随焊旋转挤压控制焊接热裂纹试验研究
• 5.3.1 试验研究方法
• 5.3.2 杆枪距对焊接热裂纹的影响
• 5.3.3 垂直压力对焊接热裂纹的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 随焊旋转挤压对焊接接头组织和力学性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 试验方法
• 6.3 随焊旋转挤压对焊缝表面质量的影响
• 6.4 随焊旋转挤压对焊接接头组织的影响
• 6.5 随焊旋转挤压对焊接接头静态力学性能的影响
• 6.5.1 焊接接头的显微硬度
• 6.5.2 焊接接头的拉伸性能
• 6.6 随焊旋转挤压对焊接接头疲劳性能的影响
• 6.6.1 试验研究方法
• 6.6.2 试验结果及分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历