预拉伸对铝合金焊接残余应力和变形的影响分析

马玉刚

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林 长春 130000

焊接工程界及学术界对铝合金的研究都集中在铝合金焊接应力和变形。经过多少年的发展及实践,加快了焊接残余应力和变形的理论发展,尽管它的理论体系还不完善,但是随着各种焊接法的发展,能积极控制铝合金件的结构稳定,保证铝合金的品质和质量。

一、铝合金焊接概述

对铝合金进进行焊接时,由于焊接区在冷热变换过程中出现不协调应变现象,从而导致铝合金出现变形和焊接残余应力问题,为了解决铝合金在焊接过程中出现变形和焊接残余应力,研究人员提出了多种措施,但是许多方法都倾重于焊后处理。而随着焊接理念的改变,越来越多焊接技术注重于控制焊接过程中的冷热变换的不均衡应力的处理,实现焊接的低应力无形变。因此,越来越多的焊接技术不断发展进步,更倾向实现铝合金低应力无变形的焊接。如预拉伸焊接法和瞬态热拉伸焊接法等焊接技术[1]。

由于铝合金结构件内部存在应力--应变场,在对其进行焊接时,焊接区的温度会产生变化,存在一定的温度分布差。铝合金焊接区具有温度差变化的特点,倘若可以适当地改变其温度场,促使构件内部发生温度场的分布演变,可以实现铝合金焊接区的不协调应发,确保其发生降低或逆转。瞬态热拉伸焊接法和低应力无变形焊接法就是充分利用铝合性的特点,先预置好温度场,通过温度差来实现拉伸效应。实现定量实时控制热应力应变,以此来最大限制约束焊接残余应力和变形。

改变铝合金件内部的应力-应变场,还有一种方法,就是利用外加应力场。通过这种方法来减少或控制焊接残余应力和变形,现今外加应力场的应用方向多是焊后方面的处理,辅助焊接后变形的矫正工作。如利用滚压法、、爆炸法、机械拉伸法和锤击法。通过以上的方法对铝合金施加外力,对其进行拉伸应变、弹性拉伸,从而达到消除和降低焊接残余应力和变形。

二、预加应力与铝合金焊接的关系

在对铝合金焊接时,对铝合金构件施加预加应力,随着不断增大预加应力,焊接后的纵向残余应力会发生变化,但是增大的幅度变大,纵向残余应力曲线的总体变化越倾向于平缓,其平均幅值限制在一个区间范围内,尤其是预拉伸应力到达某个数值后,铝合金构件的中心位置两侧压应值和拉应力,其数据保持在一个较低区间。曲线也倾向于平衡[2]。

对铝合金构件施加预制拉伸应力可以设置焊接区在冷热变换过程中的应力应变,对铝合金进行加热时,铝合金的焊缝区和近缝区会受热,进而出现膨胀的现象,但受周边冷金属的热传递的作用,压缩应力会出现焊接区。通过预加拉应力,可以实现抵消部分的压缩应力。通过控制焊接区的残余压缩塑性,降低其变形量,以此来达到构件的稳定。

同理,对铝合金进行冷却时,冷却区的收缩应力相应也发现变化,其收缩应力会减小,焊接区的残余拉应力也随之降低,通过采用预加应力焊接法,即可以实现焊接区在冷热变换时的压应力,减小其峰值,还能实现压应力区向变窄方向发展,保证压应力区向拉应力区的方向转变,而且在两力的共同下,即收缩拉应力和预制拉应力。能使焊接区两侧的残余拉应力降低。按照内应力自相平衡的条件要求,这种情况势必会造成远离焊接区的拉应力变化,引发拉应力的受力分布改变。改变残余压应力幅值。将其降低到相对较低的水平。以此来将铝合金翘曲失稳变形控制在可控范围之内。实现铝合金件的低应力无变形焊接,以确保铝合金件的结构稳定[3]。

三、预加应力与焊接变形的关系

(一)预拉伸应力的影响作用。在不同预拉伸力的影响下,会造成铝合金焊接区的变形,其规律为预拉伸应力越大,焊接区的纵向挠曲变形量就越小,两者之间存在递减相关。

铝合金在加热过程中,压缩应力会导致焊接区的挠曲变形。根据奥凯尔勃洛姆的理论讲述,在铝合金焊接加热时,焊接区会因加热而产生压缩应力,当其临界失稳应力小于焊接区的压缩应力时,铝合金构件会失去其直线平衡力,而演变成曲线平衡状态,最终导致挠曲变形的出现。要实现抵消焊接区附近的压应力,就要增加预加拉应力。控制焊接区的纵向纤维的压应力。降低其压应力值。在高温的过程中,能有效减小焊接区的压缩塑性变形量,故此,铝合金焊接后,其纵向挠曲变形会更倾向于平缓趋势。从而保证铝合金件不出现挠曲变形。

(二)预拉伸应力与铝合金平面变形的关系。在开展焊接工作中,压缩塑性变量与铝合金平面失稳变形存在相关关系。这个也是有效保证平面失稳变形的关键点。在进行铝合金焊接时,通过加热,将压缩塑性变量值降低到合理的状态,减小残余压应力的绝对值,以此达到防止平面失稳变形的发生。

四、结语

在现代工程技术材料应用中,铝合金具有不可轻视的地位,在工程材料的世界年产量中,铝合金位居第二位,在有色金属的应用中,它则是第一位。由此可见,铝合金构件的焊接是非常重要的一项工作。通过预拉伸焊接法,控制铝合金构件的纵向残余应力及其分布,以达到低应力无变形白效果。同时在预拉伸应力的影响下,能有效降低铝合金构件的平面变形和纵向挠曲变形,保证铝合金构件内部稳定。确保其符合质量标准。