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双向预置应力控制铝合金薄板焊接变形与热裂纹研究

作　者: 周广涛
导　师: 方洪渊
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 双向预置应力纵向预置拉应力横向预置压应力挠曲变形焊接热裂纹残余应力
分类号: TG404
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

基于力学角度,针对铝合金薄板焊接应力变形和热裂纹问题,提出了一种综合控制焊接变形和防止热裂纹的新方法—双向预置应力法(TDPS)。通过在平行于焊缝的方向施加纵向预置拉伸应力(LTPS),产生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挠曲变形的作用;通过在垂直于焊缝的方向施加横向预置挤压应力(TCPS),对凝固过程中处于脆性温度区间的焊缝金属产生横向压缩应变来抵消焊缝金属收缩受到的致裂拉伸应变,从而防止热裂纹的产生和扩展。该方法为解决高强铝合金薄板焊件存在变形大和热裂纹倾向严重等问题提供了一种切实可行的新工艺。文中选择重物加载方式结合螺旋副传力方式,根据控制变形和防裂的要求,研制出了适用于平直焊缝的能满足试验要求的双向预置应力装置。预拉伸工艺在控制焊接变形方面取得了明显效果,采用有限元分析方法对LTPS作用下应力场进行了数值模拟计算,量化了应力横截面上残余拉应力峰值降低量与施加的预应力之间的关系:在预置拉应力与残余应力叠加后不导致焊件发生局部屈服的前提下,LPTS工艺使残余应力峰值的降低量就等于预拉应力值。同时,残余压应力也随之降低,并与拉应力保持平衡关系,通过对LTPS条件下纵向应力的演变过程的模拟计算,以截面内应力平衡为原则,推导出完全消除铝合金薄板失稳变形的判据,可以确定消除薄板焊接失稳变形所需加载的最小预应力,为指导实际生产提供了理论依据。对于尺寸为300mm×200mm×2mm的LY12铝合金薄板焊件,当预置拉应力为0.75σs时(σs为铝合金的屈服强度),可以完全消除失稳变形,其最大纵向变形量为0.9mm,只有常规焊的10%。研究发现预拉伸对熔池后方处于脆性温度区间的焊缝金属产生额外的横向拉伸作用,增加了横向拉伸应变,使焊接热裂纹倾向增大。对于尺寸为200mm×100mm×2mm的试件,采用表面熔敷形式,当预置拉应力为0.7σs时,产生的裂纹长度为10.6mm。针对预拉伸的热裂缺点,并根据热裂纹产生的力学条件,提出了横向预置挤压应力(TCPS)控制焊接热裂纹的方法。该方法控制热裂纹的机理为:TCPS产生的预压应力对脆性温度区间金属通过应变传递方式对焊缝处金属产生横向压缩应变,减小甚至抵消BTR焊缝金属的横向拉伸应变,使之低于金属最低塑性值。TCPS能有效地控制铝合金焊接热裂纹的扩展与产生,鱼骨状试样裂纹试验结果表明,采用整体加载时,随着预置压应力的增加,裂纹长度逐渐减小,常规焊时试件热裂纹率高达45%,当TCPS为0.1σs时,能完全消除热裂纹。横向预置压应力致使试件受压缩短的同时,会产生纵向伸长,两者符合泊松比的关系,在板中心上产生的纵向应变会使得焊接残余拉应力峰值降低,降低量相当于同样数值的LPTS的(1μ-1)倍,因此会对控制变形起到一定程度的贡献,但限于TCPS的本身压曲失稳的限制,该值选定的原则是,在保证防止热裂纹所需的数值后,该值尽可能地小,否则将引起横向上挠变形,从试验结果得到验证。为了同时控制焊接变形和热裂纹,将两向预应力结合起来形成双向预置应力,通过理论、数值模拟和试验三者结合,证明了双向预应力条件下,纵、横两预应力之间存在交互作用,每个方向的预应力都会对另一个方向的应力、应变产生影响,综合作用结果是两向预应力效果的叠加,通过两者合理的配比,可以得到低应力、小变形、无裂纹的焊件。采用300mm×200mm×2mm的LY12铝合金薄板试件,进行了平直缝焊接试验,结果表明,常规焊状态下试件最大纵向挠曲变形量为9.92mm,在0.6σsLTPS和0.1σsTCPS配比下,最大挠曲变形量下降到0.9mm。构件横截面上残余压应力已经降至临界失稳应力以下,失稳变形完全消失,并且没有出现热裂纹。双向预置应力对焊缝的表面形貌没有影响,由于属于自然成型,和常规焊保持一致的外观。拉伸、弯曲等力学试验结果表明,双向预置应力接头抗拉强度提高了8%,弯曲强度提高了6%,延伸率没有降低,接头区特别是焊缝中心和焊趾部位硬度也稍有提高,说明接头软化取得到了强化。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-17
第1章绪论  17-35
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  17-18
  1.2 控制焊接应力和焊接变形的研究现状  18-21
    1.2.1 国内外对焊接残余应力及变形的研究概述  18-20
    1.2.2 薄板结构的焊接残余应力及变形研究  20-21
  1.3 焊接应力和变形的有限元数值模拟研究现状  21-23
    1.3.1 焊接温度场数值模拟的发展和研究现状  21-22
    1.3.2 焊接应力场数值模拟的发展和研究现状  22-23
  1.4 控制焊接应力和焊接变形的方法研究  23-30
    1.4.1 常规控制焊接应力和变形的方法  23-25
    1.4.2 现代控制焊接应力和变形的方法  25-30
  1.5 焊接热裂纹产生与控制研究  30-33
    1.5.1 焊接热裂纹产生的理论及目前研究现状  30-31
    1.5.2 从冶金角度控制焊接热裂纹  31
    1.5.3 从力学角度控制焊接热裂纹  31-33
  1.6 关于预拉伸的研究  33
  1.7 本课题的出发点  33-34
  1.8 本课题的主要研究内容  34-35
第2章双向预置应力试验装置设计  35-51
  2.1 双向预置应力装置的设计思路与原则  35-36
  2.2 双向预置应力试验设备总体设计  36
  2.3 双向预置应力装置的设计  36-46
    2.3.1 预置应力机构加载方式的确定  36-38
    2.3.2 应力传递方式的确定  38-39
    2.3.3 纵向预置应力部分的设计  39-43
    2.3.4 横向预置应力部分的设计  43-44
    2.3.5 防鱼骨状试样热裂纹横向挤压装置设计  44
    2.3.6 双向预置应力整体机构设计  44-46
  2.4 焊接夹具的设计  46-49
    2.4.1 适用于单独纵向预置应力部分的夹具  46-47
    2.4.2 适于双向预置应力装置的夹具  47-48
    2.4.3 平台的成型槽  48
    2.4.4 外载保持机构  48-49
  2.5 双向预置应力工作过程和特点  49
  2.6 本章小结  49-51
第3章纵向预置拉应力对薄板焊接变形和热裂纹倾向的研究  51-88
  3.1 引言  51
  3.2 LTPS模型  51-52
  3.3 LTPS控制焊接残余应力的有限元数值模拟  52-61
    3.3.1 LTPS下静态预拉应力场数值模拟  52-55
    3.3.2 铝合金薄板常规焊焊接温度场数值模拟  55-57
    3.3.3 铝合金薄板焊接应力和应变的数值模拟  57-60
    3.3.4 LPTS控制铝合金薄板焊接应力的数值模拟  60-61
  3.4 LTPS完全消除薄板焊后压曲失稳变形的判据  61-66
    3.4.1 最大应力横截面上拉-压应力区  61-62
    3.4.2 LTPS降低残余应力过程的数值模拟  62-64
    3.4.3 LTPS完全消除焊后压曲失稳变形的判据  64-66
  3.5 LPTS对铝合金薄板残余变形的控制机理  66-72
    3.5.1 临界失稳应力的确定  67-68
    3.5.2 薄板焊后变形的挠度组成  68-70
    3.5.3 LPTS控制残余压缩应变的模拟  70-72
  3.6 预拉伸增大焊接热裂纹倾向的分析  72-78
    3.6.1 拉伸载荷对焊缝凝固金属的横向拉伸作用  72-77
    3.6.2 额外横向拉伸应力对热裂纹产生的力学条件的影响  77-78
  3.7 LPTS控制铝合金薄板焊接残余应力和变形试验研究  78-84
    3.7.1 试验方法  78-79
    3.7.2 预置纵向拉应力对焊接残余应力的影响  79-81
    3.7.3 预置纵向拉应力对纵向挠曲变形的影响  81-83
    3.7.4 预置纵向拉应力对焊缝两侧横向位移的影响  83-84
  3.8 预拉伸载荷导致焊接热裂纹试验研究  84-87
  3.9 本章小结  87-88
第4章预置横向挤压应力控制焊接热裂纹的研究  88-122
  4.1 引言  88
  4.2 焊接热裂纹产生的条件  88-89
  4.3 TCPS控制焊接热裂纹的原理  89-91
  4.4 TCPS控制焊接热裂纹数值模拟  91-110
    4.4.1 TCPS产生的横向预应力场模拟  91-93
    4.4.2 脆性温度区间的确定  93-96
    4.4.3 脆性温度区间金属的最小延性确定  96-97
    4.4.4 横向预置压应力对BTR金属的挤压应变传递效应  97-104
    4.4.5 横向预置压应力控制焊接热裂纹判据原则  104-106
    4.4.6 TCPS对裂纹扩展的影响  106-110
  4.5 横向预置压应力对控制焊接变形的贡献  110-114
    4.5.1 TCPS对纵向应力场的影响  110-112
    4.5.2 TCPS对降低焊接残余应力的贡献  112-113
    4.5.3 TCPS临界值的确定  113-114
  4.6 横向预置压应力法控制焊接热裂纹和变形的试验研究  114-121
    4.6.1 防止热裂纹焊接试验和评定指标  114-116
    4.6.2 横向预置压应力对裂纹的控制效果  116-118
    4.6.3 横向预置压应力对焊接挠曲变形的影响试验  118-121
  4.7 本章小结  121-122
第5章双向预置应力综合控制焊接变形和热裂纹  122-138
  5.1 引言  122
  5.2 双向预置应力模型  122-123
  5.3 双向预置应力下静应力场的交互作用  123-126
    5.3.1 TDPS下纵向应力/应变场的数值模拟  123-125
    5.3.2 TDPS下横向预压应力/应变场的模拟  125-126
  5.4 双向预置应力控制焊接残余应力和热裂纹的匹配关系  126-128
    5.4.1 双向预置应力在控制焊接残余应力中的耦合匹配关系  126-128
    5.4.2 双向预置应力对挠曲变形的模拟  128
    5.4.3 双向预置应力在控制焊接热裂纹时的配比  128
  5.5 双向预置应力对主作用区的影响  128-131
  5.6 双向预置应力控制焊接残余应力和热裂纹的试验研究  131-137
    5.6.1 试验方法和装置  131-132
    5.6.2 双向预置应力综合控制挠曲变形和裂纹试验  132-135
    5.6.3 双向预应力控制热裂纹试验  135-136
    5.6.4 双向预置应力对焊接外观质量的综合效果试验  136-137
  5.7 本章小结  137-138
第6章双向预置应力对焊接接头的组织和力学性能的影响  138-147
  6.1 引言  138
  6.2 双向预置应力对LY12 焊接接头力学性能的影响  138-143
    6.2.1 焊接接头显微硬度测定  138-139
    6.2.2 拉伸性能分析  139-141
    6.2.3 焊接接头的弯曲试验  141-143
  6.3 双向预置应力对LY12 焊接接头力学性能的影响  143-146
  6.4 本章小结  146-147
结论  147-149
参考文献  149-158
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果  158-161
致谢  161-162
个人简历  162

双向预置应力控制铝合金薄板焊接变形与热裂纹研究

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