鋁合金焊接變形控制及預防措施

　　【中國幕墻網】鋁是地殼中分布廣泛的一種元素,其蘊藏量(7.5%)比鐵(4.2%)、鈦(0.6%)、銅(0.01%)大的多[1]。鋁及鋁合金具有良好的耐蝕性,較高的比強度, 易加工成形和無磁性、無低溫轉變導電性及導熱性好等優點,在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用[2]。特別是近年來科學技術及工業經濟的迅猛發展，對鋁合金薄壁焊接構件的需求日益增多，亦使鋁合金的焊接性研究日益深入。在鋁合金的焊接性問題中，鋁合金的焊接力學問題和鋁合金的應用是相輔相成的，鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊接技術的發展，同時焊接技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金的焊接力學問題正成為現今焊接技術研究的熱點之一。

　　1.3.1研究概況
　　在焊接過程中，焊接區經歷一個復雜的不均勻快速加熱和冷卻過程，這必然引起焊接區發生不均衡的應力應變變化，這種不均衡的應力應變是導致焊后形成殘余應力和變形的主要原因。為此，許多學者認為，通過調整薄壁結構的焊縫及近縫區熱應力-應變循環，是達到控制焊接殘余應力和變形（主要針對縱向收縮引起的縱向撓曲）的有效方法。歸納而言，主要通過以下幾種基本方式實現。一是通過減小加熱階段產生的縱向塑性壓應變，包括預拉伸法（機械拉伸、預制溫差拉伸）[3,4]、等效降低線能量法（采用各類冷卻夾具、焊縫兩側預先沉積吸熱物質、隨焊激冷和高能束焊接）和降低整個焊件上溫度梯度的均勻預熱法[5-8、20]。二是通過增大冷卻階段的縱向塑性拉應變，主要通過采用激冷等方式，在減小整個焊件上的溫度梯度的同時，還造成焊道溫度低，兩側溫度高的馬鞍形溫度場，利用溫差拉伸效應所產生的縱向塑性拉應變抵消或部分抵消先前形成的縱向壓縮塑性應變，達到降低殘余應力和變形的目的，包括動態溫差拉伸（隨焊激冷）和靜態溫差拉伸等[9-13]。另外就是通過諸如焊縫滾壓、焊后機械拉伸、機械振動、焊后錘擊焊道等方法[14-17]造成能抵消或部分抵消壓縮塑性變形的延伸塑性變形，達到控制焊后殘余應力和變形的目的。

　　關橋等提出的低應力無變形焊接技術[18、19]主要通過熱沉的作用，在焊件上形成一個畸變溫度場，使焊縫兩側受冷急劇收縮，產生很強的拉伸作用，使仍處于高溫狀態焊縫區的壓縮塑性變形量得到補償，從而實現了對薄板鋁合金焊接內應力及焊接變形的有效控制。預拉伸焊接法是通過對焊接構件施加預置應力的方式，改變焊接過程中的內應力分布，達到低應力無變形的目的。

1.3.2 傳統控制應力和變形的方法
　　1.3.2.1機械矯正法[6]
機械拉伸法一般在專用的拉伸機上進行矯正，機械拉伸法消除應力變形的原理為，通過一次加載拉伸，拉應力區在外載的作用下產生了拉伸塑性變形，它的方向與焊接時產生的壓縮塑性變形相反。因為焊接殘余應力正是由于局部壓縮塑性變形引起的，加載應力越高，壓縮塑性變形就抵消的越多，內應力也就消除的越徹底。機械拉伸法對一些焊接容器的消除內應力特別有意義。

　　1.3.2.2滾壓法消除應力和變形
文獻[7]指出：用適當的壓力滾壓焊縫或近縫區，將“造成與焊接壓縮塑性完全相等而方向相反的延伸塑性變形（圖1-1），這樣在薄板構件上就可以達到既消除應力又消除變形的目的”。文獻[8]指出：“在窄輪壓力作用下，焊縫區產生相應延伸塑性變形，用以補償焊后殘余的壓縮塑性變形（即不協調應變量）。”

　　其實質為在碾壓力的作用下，碾壓輪下金屬在平面內產生延展變形，而使兩碾壓輪之間的焊縫和HAZ金屬受到橫向變形。同時，焊接時存在的橫向溫度剃度可大大加強這種橫向擠壓作用，焊縫兩側碾壓所產生的金屬橫向流動幾乎全部指向溫度較高的焊縫金屬一側，從而使焊縫金屬中產生了較大的橫向壓縮應變，這種橫向壓縮應變的存在有利于降低板內的殘余應力水平，從而達到控制焊接變形的目的。劉偉平、田錫唐[10]等人對采用碾壓法改善焊縫接頭性能方面做了大量研究，對該項技術的推廣有重要意義。但是采用碾壓來消除焊接變形時，需要體積龐大的碾壓設備，操作復雜，實施時受焊縫形式的影響較大。

　　1.3.2.3振動消除殘余應力
　　文獻[10、11]研究表明：其原理為在正常焊接過程中給焊接施加周期性的外力，使焊件振動，從而達到降低焊接殘余應力，提高焊接質量的一種新型焊接工藝。振動消除應力在實際中通常用于降低殘余應力以保證后續機械加工中構件尺寸與形狀的穩定性。處理時，將焊后已冷卻下來（有時仍熱）的構件置于振蕩臺上，或借助附著式振蕩器，以接近于構件固有頻率的較高頻率（10～100cps）作5～20分鐘的低幅振蕩，并用振動器的功率消耗量來測定構件阻尼的下降。其機理可解釋為在機械振動焊接時，由于振動能量的輸人，加速了熔池中原子的熱運動，相當于加強了對熔池的攪拌作用，此外振動還改善熔池金屬與其周圍固態金屬的接觸，加劇熔池與周圍金屬的熱傳遞，所以振動有利于熔池散熱，使焊件繞周圍的溫度分布與未振動焊接的溫度分布有較大改變，即各部分的溫度梯度減小，從而可以達到降低振動焊接降低殘余應力目的。目前，國內采用振動法對焊縫的疲勞壽命影響[14]、振動焊接在控制變形方面的作用[13]、振動焊接對焊接殘余應力的影響等[10]。經過這些年來對振動焊接的研究，使人們認識到該項新型技術不僅能夠降低焊接殘余應力，而且能夠大大改善焊接質量，提高焊縫的機械性能，同時，由于應力釋放是在焊接過程中進行的，因而省去了焊后消除應力的工序，從而大大縮短了生產周期，降低了生產成本。但是對于復雜的構件，當對其消除應力前后的殘余應力場不了解且未作檢查的情況下，整體振動法并不能確保得到預期的效果。但是在實際生產中，借助于實際經驗，可得到一定的應用。

　　焊接過程控制焊接變形比焊前預防和焊后矯正較有相當積極的意義，其中重要的預防焊接變形的方法就是溫差拉伸法。總的來說，溫差法可以可理解為：用外部冷卻源和熱源來調節焊接溫度場，造成與常規焊接不同的溫度分布（畸變溫度場）使焊接區的應變不協調關系得以改變，達到控制焊接殘余應力和變形的關系[14、15].溫差法中最重要的參數就是畸變溫度場中的最高溫度和最低溫度的差值，即溫差。通過調節溫差就可以調節殘余應力和變形的大小。溫差法的優勢在于，它不僅具備減小應力和變形的雙重作用，而且可以很方便地通過數值模擬技術在計算機上進行溫度場、殘余應力渡河變形的模擬。溫差法經過半個多世紀的發展，也有了許多形式。

　　1.3.2.4火焰消除殘余應力
火焰噴水法消除殘余應力大約在1950年出現于美國，其原理圖1-2[16－18]。

　　兩個相距120～270mm的并列氣體火焰噴管沿焊縫兩側縱向移動，將焊縫兩邊寬100～150mm的帶狀區加熱至150～200℃,由于熱量的散失，板的背面溫度要低20～30℃。在噴管之后150～200mm處設一個橫向水冷噴嘴，用以將板子冷卻至室溫。火焰噴管和水冷噴嘴以每秒1～10mm的速度同向移動。由于火焰加熱與噴水冷卻配合進行，因而在焊縫兩邊形成有邊界加熱區。加熱區的膨脹使焊縫區產生縱向拉伸與橫向壓縮（板子需要足夠的橫向約束）。在此過程中，焊縫區發生屈服，焊縫發生塑性拉伸變形，冷卻后殘余應力得以降低。由于火焰噴水法是利用板內沿焊縫方向的膨脹拉伸作用實現降低殘余應力的目的，這種方法只對消除縱向應力及由其引起的橫向殘余應力有作用。這就是橫向殘余應力降低程度明顯小于縱向殘余應力的原因。

　　1.3.2.5吸熱膠法
　　文獻[19]中也論述了前蘇聯的研究成果。他們研究了一種吸熱膠用于焊接過程中對焊縫進行冷卻，見圖1-3[4]。其原理是利用吸熱膠中的水分蒸發和無機鹽化學反應吸收焊縫中的熱量，從而等效降低線能量，促使其快速冷卻形成畸變溫度場，在焊縫及近縫區形成縱向塑性拉伸，達到降低殘余應力的目的。此方法不受材料和焊接位置及形狀的限制，其有很大的靈活性。

　　1.3.3 現代控制焊后殘余應力和變形的方法
　　應該說自美國首先提出采用溫差法降低焊接殘余應力以來，溫差法的確促進了焊接技術的發展，一直到現在溫差法仍是控制焊接變形的簡便而有效的方法，只到現在，國內徐文立、郭紹慶等人[21-23]還對隨焊激冷法、動態溫差拉伸法及隨焊錘擊的控制變形的作用機理等進行深入的分析，應當說這些方法對促進焊接工業的發展仍有重要的意義。但是上述方法雖然可以減小變形或在一定程度上降低殘余應力水平，但很難做到消除變形甚至定量地控制殘余應力水平，近年來隨著工業的迅猛發展，人們已不滿足于對結構的簡單變形控制，而更傾向于對焊接構件的定量、穩定的控制。因此國內外一些學者相繼提出了一些主動、定量控制變形的方法，如低應力無變形焊接法、瞬態熱拉伸焊接法和預拉伸焊接法等 [24-29]。

　　1.3.3.1低應力無變形焊接法
　　為滿足航空、航天薄殼焊接結構在制造過程中對幾何型面的嚴格技術要求，研究開發了低應力無變形的焊接技術，如圖1-4所示。其原理認為[24-27]：對于薄壁結構，常發生殘余壓應力超過構件失穩的臨界應力，而產生失穩壓曲變形。為此在電弧后適當部位，設置一個能對焊縫局部產生急冷作用的熱沉，與焊接電弧構成一個多源（熱源－熱沉）系統，形成一個畸變的溫度場，在這種情況下，雖然焊縫一開始同常規焊一樣在焊縫區兩側產生壓縮塑性變形，一方面使高溫焊縫的熱量向后部熱沉傳導，減少了向兩側傳導的熱量，使高溫區變窄，控制了壓縮塑性變形區的擴展；另一方面，熱沉部位的焊縫受冷急劇收縮，產生很強的拉伸作用，使仍處于高溫狀態焊縫區兩側的壓縮塑性變形量得到補償。從而在焊接完成后，殘余拉應力區和殘余拉應力幅值都得到控制，甚至在焊縫兩側的殘余壓應力也降到很低的水平，控制了薄壁構件的翹曲失穩變形，特別是跟隨熱源移動的熱沉在焊縫高溫區的激冷作用，在熱源與熱沉之間形成很大的溫度剃度，可達到定量地控制焊接過程中的不協調應變達到低應力無變形的焊接效果。

　　1.3.3.2瞬態熱拉伸焊接法
　　文獻[27-28]研究表明，由于在船舶、航空航天上廣泛應用薄板構件，為了控制因焊接而引起的結構彎曲失穩變形，從而能夠提高工件裝配質量。為此特別在對薄板上焊接加強肋時，采用在肋板的兩側加一個對稱的加熱系統（加熱帶），將工件的局部區域加熱到一定值（200℃）同時在焊接時將薄板的四周固定，然后進行焊接。采用瞬態熱拉伸焊接法可降低焊接變形，其原理為通過加熱待焊區域附近使其產生熱膨脹，形成一定的壓縮塑性應力，由于焊縫的溫度較高，在焊縫區產生很大的收縮應力，兩相應力發生部分抵消而降低了收縮應力水平，從而降低了殘余應力水平達到控制焊接變形的目的。

　　如圖1-5所示，采用瞬態熱拉伸焊接法可有效控制焊接變形，在去掉加緊裝置后可得到規則的焊接構件。在該方法中使用加熱帶主要是控制彎曲變形而四周固定則控制了構件的角變形，同時控制彎曲變形的同時也部分降低了角變形并且證明使用長加熱帶可有效降低焊接殘余應力。正因為該方法關鍵的部分是如何優化加熱帶尺寸等參數包括加熱帶的大小、加熱帶與焊縫間的距離大小、加熱強度等能顯著影響控制變形的效果物理參量。只有找到最優的加熱帶設計才能最有效的控制焊接變形，然而在焊接每個工件時其面板尺寸、幾何形狀、工件材質也不同，因此就必須找到其最優的加熱帶參數，這給使用帶來了一定的困難同時該文只研究了在焊接小而窄的面板時，使用該方法效果明顯但對于大而寬、厚的面板焊接變形還未進行相關研究，因此還不知該工藝方法是否十分有效，有待進一步研究證明。

　　1.3.3.3預拉伸焊接法
預拉伸焊接技術是控制薄鋼板焊接變形與焊接應力的一種有效的工藝手段，它是根據金屬材料的熱脹冷縮性質和金屬焊接變形原理而發展起來的新工藝。為了解決對薄板焊接的變形問題，特別是在一次焊接成型條件下的變形問題，烏克蘭巴東焊接研究所于1994年左右推薦采用預加應力焊接法[19]。文獻[30]指出：“要解決如何減輕焊接殘余應力和變形的問題，應當記住預防比矯正好。在焊接前和焊接過程中對母材施加一個達到50％以上屈服強度的彈性張力，可以減少瞬態應力和殘余應力。” Nikolaey、Prokhorov和Shiganov已經用鋼的平板堆焊焊縫對這個課題做了深入的研究[31-32]。其基本方法為在焊接試件前，先使用特殊拉力裝置將薄板進行拉伸使之伸長，然后在對其進行焊接。焊后去除預拉伸，使薄板進行初步回復，這樣經過一系列的復雜的應力－應變變化，是焊接結構內應力幅值趨向減小，這樣就控制了焊后的殘余應力水平達到主動、定量控制焊接變形的目的各種焊接變形的成因及影響因素
　　1、 收縮變形 焊接收縮變形是最基本的焊接變形。焊接殘余應力和其他各種焊接變形都是焊接收縮變形不自由或不均勻造成的。因為焊接加熱過程不均勻，要受周圍冷金屬的擠壓，難免產生壓縮塑性變形，所以，焊后冷卻過程中，產生焊接收縮變形趨勢是難免的。 影響焊接收縮變形量的因素有兩個：

　　①焊接輸入量或焊縫截面尺寸的大小，它是產生焊接收縮變形的根源的動力；

　　②整個工件截面或焊接結構剛度的大小，它是焊接收縮變形的阻力和條件。

　　（1） 縱向收縮變形 沿焊縫方向的收縮變形，稱為縱向收縮變形，用△L 表示。影響縱向收縮變形△L 的因素，若與上述①、②兩個因素相對應，則是：

　　1） △L 隨著焊縫長度L 和焊接熱輸入量或焊縫截面尺寸FH 的增大而增大。

　　2） △L 隨著垂直焊縫的整個工件橫截面積或結構剛度的增大而減小。因為，一般情況下，工件橫截面積或結構剛度遠比焊縫截面 FH 大的多，使焊縫的縱向收縮變形受到很大限制，所以，它一般都很小。與之相應的是，焊縫區域的縱向焊接殘余內應力非常大。

　　（2） 橫向收縮變形 垂直焊縫方向的收縮變形，稱為橫向收縮變形，用△B 表示。影響橫向收縮變形△B 的因素，若與上述①、② 兩個因素相對應，則是：

1） △B 隨著焊接熱輸入量或焊縫截面尺寸FH 和對接焊縫預留間隙的增大而增大；△B 還隨著焊縫層數、焊接次數、道數的增大而增大。 2） △B 隨著工件剛度或夾持、定位的剛度增大而減小。

　　（3） 焊縫收縮量的估計 如上所述，焊接以后的結構件要產生收縮變形，一般在長度和寬度上（即縱向和橫向上）要發生縮短。在實際生產中有時要求補償焊后尺寸的縮短，為此在下料時就需要預先留出收縮余量給予補償。采用計算方法確定收縮余量較困難，而且不夠準確。在工程中往往是憑實踐經驗或從長期積累下的變形資料中進行估計。在成批生產條件下，一般都是結合本廠的具體條件，在試制過程中對結構焊后變形進行實際測量，找出規律，作為確定收縮余量和制定工藝措施的依據。下面提供一些焊接結構件在電弧焊中所積累的各種焊縫收縮量的基本關系和一些近似數值，供概略估計焊后變形量時參考。

　　1） 線膨脹系數大的材料，焊后焊縫收縮量也大。不銹鋼和鋁的線膨脹系數比碳大，所以焊接變形也比碳鋼大。

　　2） 焊縫的縱向收縮隨著焊縫長度的增加而增加，所以工程中粗略估計縱向收縮量都以每米焊縫長度收縮多少毫米來計算。此外，隨著焊縫截面積增加縱向收縮變形量也增加，而隨著垂直焊縫的整個焊件橫截面積的增加而減少。 同樣截面的焊縫一次焊成引起的縱向收縮比分成幾層焊接時大。也就是說，多層焊所引起的縱向收縮量比單層焊小。分的層數越多，每層所用線能越小，變形也就越少。 在多層焊時，第一層引起的收縮量最大，第二層增加的收縮量大約為第一層收縮量的 20%。第三層大約增加5%～10%。最后幾層增加更小。

　　3） 焊縫的橫向收縮沿焊縫分布并不均勻，但在工程中粗略估計時可看成均勻收縮，而且是以每一條焊縫橫向收縮多少毫米來計算的。多層焊時，各層焊縫引起的橫向收縮量也和縱向收縮相類似，以第一層引起的收 縮量為最大，以后逐層遞減。

　　4） 角焊縫的橫向收縮比對接焊縫小；斷續焊縫比連續焊縫的收縮量小。

　　5） 焊縫橫向收縮量相當于2～4m 長的同樣一條焊縫的縱向收縮量。所以，當焊縫不長時，焊縫的橫向收縮是主要的。

　　6） 在夾具固定條件下焊接的收縮量比沒有夾具固定條件下焊接收縮量小40%～70%。但焊后（指夾具沒有松開時）結構內部引起較大的拘束應力。 表5-1 和表5-2 列出了結構在自由狀態下焊條電弧焊時，焊縫縱向和橫向收縮量的近似值。  

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