控制金属焊接变形的研究进展

刘浪浪, 高金良, 任雁, 冯和永

(北京北方车辆集团有限公司,北京100072)

0 前言

航空航天、飞机船舶、军工、汽车行业、微电子行业等的制造离不开焊接技术,随着各领域的快速发展,焊接技术也得到了质的飞跃[1]。中国从传统的手工焊和示教机器人焊正向自动化、智能化焊接快速转变,通过人才培养与技术革新,逐步由焊接大国向焊接强国迈进。

目前,螺柱焊、气体保护焊、电子束焊、等离子焊、激光焊等在中国得到了广泛的应用,并取得不错的成绩[2]。如螺柱焊由于速度快、可靠、操作简便及无孔连接等优点,逐渐替代了汽车制造中的铆接、攻螺纹、钻孔等连接技术,广泛地应用在汽车车身的焊接工艺中[3];中船黄埔文冲船舶有限公司在螺柱焊接工艺调整到位后,成功完成了首制船2层甲板共2 600多颗不锈钢螺柱的安装和焊接,比使用传统焊接方法预期工期减少36天[4]。上海船舶工艺研究所与英国焊接工艺研究所合作,研究引进了A-TIG 焊的新型活性焊剂,污染小,对于厚度小于8 mm的船体钢板,在不开坡口的前提下,焊缝成形良好,各项性能指标均达到《材料与焊接规范》的要求[5]。杨薇等学者[6]采用YZGH4169材质分体锻造、电子束拼焊的工艺实现某燃气轮机后轴颈的生产,接头的各项力学性能均满足使用要求。在激光焊接领域,胡海连等学者[7]采用CO2激光-MAG复合焊接工艺对14 mm厚10Ni3CrMoV钢T形接头进行连续全熔透焊接试验,角焊缝未出现焊透、裂纹等缺陷,其焊缝质量满足船用要求。

在应用焊接技术进行金属构件接合过程中,由于焊接热影响区造成的焊缝残余应力,使金属存在变形的倾向,如果不加以控制,往往在焊后成形和装配过程存在较大的尺寸变化,使其偏离初始设计尺寸[8]。尤其当某一产品存在焊缝数量多,总长度大和焊接方式多样性等客观条件下,焊缝残余应力存在叠加现象,其焊接变形的控制难度也随之增加,对金属结构的强度产生负面影响,对于保证或提高焊接产品尺寸的精度和高质量制造是一种极大的挑战。所以,在焊接技术不断的发展中,如何有效控制焊接变形和降低焊缝残余应力,也体现着一个国家整体焊接水平的强弱。

1 影响焊接变形的因素

1.1 宏观角度分析

根据热胀冷缩原理,焊接过程中金属熔液的快速冷却,造成结晶过程中焊缝的收缩变形,焊缝的收缩率与需接合金属固体稳定性之间的差异性,在焊缝收缩作用下,接合金属会沿焊缝收缩方向变化[9]。这种由热输入和冷却过程中的循环,造成的不均匀热膨胀和收缩,造成焊接变形的产生[10]。随焊缝增加,其值增大,如果不同位置焊缝存在差异(如熔深、熔宽、余高等),焊缝收缩率不同,接合金属的跟随焊缝变形方向不一。同时随着多条多方向焊缝叠加,使金属的形变更为复杂,与原始的设计大相径庭。

1.2 微观角度分析

从微观角度看,焊接产生的瞬时高温使焊丝或结合金属熔化,尽管熔化后金属原子呈近程有序排练,与固体原子间隙差别不大,但熔化的原子获得高的能量而获得较高熵值,远距离原子趋于无序运动,产生的空位使熔液体积大于固态体积[11]。在快速冷却结晶过程中,原子有序排列至固态,原子间隙降低。在热影响区内存在温度的持续变化和梯度分布,这种金属原子状态的变化受周边未发生明显体积变化的固态金属限制,使熔池金属熔化和冷却过程中受到压缩塑性应变与拉伸塑性应变,导致固有应变的产生。同时,受热输入的影响和熔池温度的快速变化、温度不均匀使得熔池快速冷却时,微观组织的形成存在不均匀和差异性也是焊接残余应力的形成因素之一。

1.3 固有应变的影响

在焊接过程中,金属熔液在冷却结晶过程中,金属内部存在的不同类型的应变,共同影响焊后的变形。Murakawa等学者[12]认为固有应变由弹性应变、塑性应变、蠕变应变和相变的影响组成。其中,由于原子键在金属冷却结晶过程中产生的拉伸和收缩及晶格畸变会导致弹性应变,但这些原因产生的弹性应变对于整体应变的作用相对较小[13-14];当金属内部存在位错滑移、晶格缺陷等因素时,金属内部产生蠕变应变,焊接的持续热输入可作为其应变激活能;由于金属在冷却过程中的形核长大情况不同,其产生的组织不均匀而容易引起相变应力;而在焊接过程中,由于金属内部的缺陷和位错的塞积,使得塑性应变导致的焊接变形占比最大。但可将金属存在的以上几种应变之和作为对焊接变形的影响。

基于以上分析,焊接变形归结为由温度场的变化在焊缝处形成的热影响区,致使焊接过程中焊缝存在内应力,焊接结束后,内应力变成残余应力。如果焊接时的内应力或焊后残余应力达到金属的屈服点,将会出现焊接变形。

2 焊接残余应力的影响

虽然焊接可以实现金属间的快速连接,应用广泛,但焊后残余应力带来的负面影响同样不容忽视。由焊接带来的残余应力,不仅可以导致焊接变形,且影响整体结构的力学性能。残余应力的不确定性引起的焊接变形及性能的非线性变化,使得金属结构的焊接成本增加,尤其是大型金属构件的焊接。

2.1 焊接残余应力对金属结构的性能影响

大型焊接金属结构,如船体架构、大型管道、复杂性钢结构等,需要接合的金属焊缝不仅数量大,还存在焊缝宽、厚度大等特点。焊接周期长,焊接过程复杂多变,控制和降低焊接带来的残余应力非常困难,且应力去除的工作量大,使得残余应力不仅长期存在于金属内部,如果残余应力过于集中或焊接结构在服役期间出现的应力集中,都将降低结构的力学性能,影响焊接结构的服役年限[15]。

残余应力在平面焊缝主要有纵向和横向分布,而曲面焊缝主要有径向、切向和轴向分布。同一金属结构中,不同位置的焊缝引起的残余应力产生的叠加效应,使其焊接制造过程中,出现的应力集中越来越来严重,如果不采取有效措施,容易产生脆性断裂、应力腐蚀开裂、屈服值降低等现象[16-17]。

2.2 焊接残余应力对装配精度的影响

以简单金属板材的焊接为例,焊接残余应力引发的塑性变形的类型有纵向收缩、横向收缩、纵向弯曲、横向弯曲、旋转变形和屈曲变形等,如图1所示。即使焊接过程中采用加强筋或筋板控制变形,一旦焊接结构复杂,焊缝数量和种类多(如立焊缝、角焊缝、平焊缝、仰焊缝等)[18-20],最终焊接成形可能出现比较严重的焊接变形,结构的成形尺寸和设计尺寸产生较大偏差,对于后期的部件装配带来一定的挑战。

图1 薄板对接焊接接头焊接变形的基本类型[21]

如大型船体和特种车辆,其制造过程多采用焊接的形式进行内外部承重结构的制造,前期的焊接精度极大影响后期零部件的焊接和装配。这类焊接往往面对的板材厚度较高、焊接所需的坡口形式不一和焊接对象的多样性,常常需要人工焊接和自动焊接相配合,焊缝的焊接质量不一。过程中采用的防变形控制(如:加强筋、筋板、定位工装等)可以有效控制焊接过程中的塑性变形,但结构复杂化,多焊缝在船身或车体纵横交错,其自身产生的应力集中,极易导致焊后的变形,即使某处产生轻微变形,局部放大后,将影响各种部件的装配精度,或将导致返工返修,增加生产周期和制造成本。

3 控制焊接变形的方式

为了更好提高焊缝质量,稳定焊接结构的尺寸,优化焊接工艺,国内外对于焊接变形的控制方法主要有刚性固定法、反变形法、锤击焊缝法、调整焊接顺序、优化焊接方式等[22-23]。

3.1 刚性固定法

目前,应用较为广泛的是采用刚性固定法抑制焊接变形。在进行不同形状和不同类型焊接时,以刚性工装(如槽钢点焊、筋板焊、夹具固定、多孔平台等)辅助增加焊接金属的刚度,使其在焊接应力下保持固定不变。彭昌永等学者[24]对调质态30CrMnSiA支架进行等强度的焊接时,通过工装固定,有效控制了焊接变形。刚性固定法应用广泛,在焊接时,其固定位置多通过经验进行固定金属控制变形。如果焊接工件体积大,不易控制,或者焊接空间狭小时,以经验为准的刚性固定法含有一定的盲目性,容易忽略应力集中点,或者控制过渡,不利于焊接工作的开展。而程珂等学者[25]结合有限元分析,根据模拟变形的最佳位置,对其进行刚性固定焊接,将焊接产生的塑性变形控制在较小的范围。

3.2 反变形法

反变形法是通过模拟或经验,预算焊接变形的方向和大小,然后在焊接前对焊接件进行反方向的变形并控制大小,已获得焊接变形的补偿。张凯等学者[26]在热弹塑性有限元分析的基础上,对焊接过程的应力变化进行数值模拟以预测焊接变形量,采用反变形法预制了焊接变形的补偿量,获得了平整度较好的焊接构件。刘雨生等学者[27]在热-机耦合热弹塑性有限元理论基础上,利用MARC有限元对连接杆的焊接变形进行数值模拟,并依据模拟数值设计反变形工装,成功将焊接变形量降低82.4%。周振雷[28]则根据固有应变和平板焊接变形能之间的关系,引入修正系数,推导出的变形关系式,以SYSWELD软件模拟了T形接头构件在反变形量施加前后的焊接变形模拟数值,结果表明:按反变形量的模拟值进行实际控制,可以有效降低焊接变形。

3.3 锤击焊接法

锤击焊接法是一种相对传统且简单有效的缓解应力的方法。焊接板材时,对焊缝锤击产生的塑性变形补焊接中产生的收缩变形,采用锤击焊缝法还可以有效降低残余应力,可以达到控制焊接变形的目的。核电站大型钢结构的拼接过程产生的应力,由于无法通过热处理去除,常会采用锤击法进行应力消除[29]。

3.4 调整焊接顺序

不同的焊接顺序对焊接残余和变形有着极大影响。在进行装配焊时,焊接部件有薄有厚,焊缝有宽有窄,焊接形式有平焊、角焊、立焊、纵焊、横焊。如果焊接顺序随意而紊乱,必然导致后期的一系列问题,如:残余应力过大、变形严重、焊接干涉导致无法进一步焊接、零部件装配焊误差极大,甚至直接导致开裂等问题[30]。所以,在进行焊接前,应合理设计焊接顺序,优化焊接工艺,以求焊接结构的合理性,追求焊接残余应力最小化。

李余江等学者[31]研究了动车组转向架侧梁组焊接变形的控制,如图2所示,将组焊工装、反变形控制、热输入和焊接顺和方向等五个方面进行综合控制,不仅降低焊接变形量,且有效降低焊接残余应力,提升转向架的抗疲劳性能。宋坤林等学者[32]采用3D高斯+双椭球热源模型预测某高速列车8 m侧墙部件的焊接,结果表明:优化焊接顺序可以将侧墙厚方向的焊接变形降低约13%,并与实测值之间的误差小于1 mm。Fu等学者[33]基于ABAQUSDE三维数值模拟对T形接头进行研究,将模拟结果与调整的焊接顺序进行比对分析,结果表明:双面焊接和渐近焊接对焊接变形和应力集中的影响最小。

图2 侧梁端部结构[31]

3.5 优化焊接方式

随着焊接学科的不断发展,焊接方法逐渐多样化,如常见的焊条电弧焊、熔化极/非熔化极气体保护焊、等离子焊、摩擦焊、激光焊、电子束焊等。不同的焊接方式由于热输入的差异,使得不仅焊接残余应力不同,且力学性能、微观组织也有很大区别。邵玲等学者[34]分别用脉冲TIG,A-TIG和超音频脉冲TIG焊接Ti-22Al-25Nb合金,结果显示:采用不同焊接方法对Ti-22Al-25Nb合金进行焊接后,其接头的缺陷、抗拉强度和显微硬度都有明显差异。再如不同的焊接方法(扩散焊、搅拌摩擦焊、激光焊、电子束焊)焊接高熵合金后,原子扩散方式、晶粒大小、硬度和抗拉强度等都存在明显差异[35]。

焊接方式主要根据所需构件的力学性能及可达性进行选取,为降低焊接变形量,常使用活性助焊剂(金属氧化物、氟化物、氯化物等[36])以减小焊缝熔透宽度,或提高焊接热输入的能量密度,降低热影响区宽度,或通过不同焊接方式相结合的形式(如激光-电弧复合焊),进行复合焊接,以达到高质量、低残余应力的目的。

相比于焊接变形控制方法,优化焊接方式依然存在很大研究和发展空间,其多维度的控制,不断有利于对焊接变形和焊接残余应力进行调控,根据实际需要实施有效的焊接,且有利于在焊接领域的技术开拓,实现进一步的焊接发展。

4 结束语

(1)焊接过程中持续的热输入导致接合处的熔化金属在冷却结晶过程中产生的缺陷及过冷度持续变化造成的晶格畸变,导致接合处的金属内部位错增殖、塞积,致使热影响区出现焊后残余应力,使焊接金属构件存在变形倾向。

(2)当金属焊接构件中的焊缝数量较大且分布复杂时,焊后残余应力的累积或叠加易导致局部的应力集中,影响金属构件的焊缝力学性能,降低产品服役年限。

(3)焊后残余应力影响着焊后构件的尺寸精度,焊接变形不仅降低装配焊接精度,不利于后续焊接构件零部件的装配,且容易导致产品整体返修,增加生产周期和制造成本。

(4)为有效控制焊接变形,从焊前、焊中和焊后三个阶段及焊接需求进行考量,应当结合数值模拟,从单一方面的控制逐渐向焊接过程的多因素相结合,对焊接过程进行综合控制,有效降低焊接变形量,焊接质量明显提高。

(5)在国内各个领域中,很大比例的生产、制造和研发与焊接技术相交互。例如,在面对复杂构件(如大型车体、船体、飞机机身等)上,为实现性能的持续优化和突破,常常需要结构设计的合理化与高质量焊接技术相配合。焊接作为生产制造的必备手段,要紧跟其步伐,不断追寻新的突破。对于焊接技术涉及的多种影响因素,还需进一步深入研究,充分利用数值模拟和科学分析,在现有焊接技术的基础上,实现对焊接过程的综合管控,提升焊接质量。在发展中,通过不断的努力探索和研究,打造一个焊接强国。