異種鋼焊接接頭脈沖放電強(qiáng)化與力學(xué)性能分析

鄭麗娟 向 龍 劉會(huì)瑩 李 輝 付宇明

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

0 引言

焊接已經(jīng)成為制造業(yè)中非常重要的共性工藝技術(shù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有不可替代的重要作用。焊接接頭質(zhì)量直接影響焊接件的可靠性和壽命。焊接裂紋是焊接接頭中常存在的主要缺陷，它具有尖銳的缺口和大的長(zhǎng)寬比特征，是焊接結(jié)構(gòu)件最嚴(yán)重的安全隱患。焊接時(shí)焊縫易出現(xiàn)焊接缺陷，這是由于焊縫金屬在冷卻時(shí)收縮應(yīng)力大。同時(shí)，對(duì)于異種材料焊接，由于其物理性能參數(shù)相差較大，焊接接頭中更容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量［1－4］。

電磁熱效應(yīng)止裂強(qiáng)化是指向帶有裂紋或者損傷的金屬構(gòu)件中通入強(qiáng)脈沖電流，利用歐姆效應(yīng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，實(shí)施裂紋止裂或者結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)的一種技術(shù)［5－10］。將該技術(shù)應(yīng)用到焊接領(lǐng)域，可以改善焊接接頭內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)焊接接頭熱影響區(qū)組織的細(xì)化及裂紋的鈍化，進(jìn)而提高其力學(xué)性能。該項(xiàng)研究屬于熱磁彈性力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)新分支。本文首先從數(shù)值模擬角度分析電磁熱止裂強(qiáng)化技術(shù)對(duì)焊接接頭中裂紋的強(qiáng)化作用，然后進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析脈沖放電對(duì)異種鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，數(shù)值分析和試驗(yàn)研究結(jié)果可為工程實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值分析

1.1 異種材料焊接模型

采用通用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，模型尺寸為50mm×15mm×10mm，如圖1所示。V 形坡口為45°，材料采用 Q235和1Cr18Ni9，選用的焊條為奧307。常溫下Q235材料物理屬性和1Cr18Ni9材料物理屬性如表1所示，奧307焊條元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示，劃分單元后的模型如圖2所示。

表1 Q235和1Cr18Ni9材料物理屬性

表2 奧307焊條元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

圖1 實(shí)物尺寸圖

圖2 模型建立

1.2 焊接結(jié)果分析

采用焊條電弧焊，焊接電壓U＝30V，電流I＝140A，效率η＝0.70，采用高斯熱源，其移動(dòng)速度v＝0.001m／s。

圖3 焊接完成瞬時(shí)溫度場(chǎng)

圖4 沿Z軸焊接熱應(yīng)力

圖3所示為焊接完成瞬時(shí)整個(gè)焊接工件的溫度場(chǎng)，可以看出，焊接完成瞬時(shí)熔池附近溫度梯度較大。圖4所示為沿Z軸方向焊接接頭內(nèi)部的熱應(yīng)力曲線，其坐標(biāo)零點(diǎn)位于焊接接頭的焊趾部位。從圖4可以看出，熔池附近的熱膨脹受到了周圍材料的剛性約束，表現(xiàn)為熱壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離熔池處表現(xiàn)為熱拉應(yīng)力。圖5為焊接工件冷卻到常溫（20℃）時(shí)沿Z軸方向焊接接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力曲線，其坐標(biāo)零點(diǎn)位于焊接接頭的焊趾部位，從圖5可以看出，焊后的拉伸殘余應(yīng)力很大，其中X、Y、Z 方 向 最 大 值 分 別 約 為 300.6MPa、270.4MPa、210MPa。這是由于焊縫冷卻收縮而產(chǎn)生了拉應(yīng)力，焊縫附近區(qū)域被急速加熱到高溫狀態(tài)使焊縫區(qū)急速熱膨脹，熱膨脹受到周圍金屬的約束，同時(shí)變形將產(chǎn)生很大的壓縮，當(dāng)焊接工件冷卻時(shí)，焊縫區(qū)金屬冷卻收縮，冷卻收縮同樣受到周圍金屬的約束，因此冷卻后焊縫區(qū)金屬將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，而這種拉應(yīng)力甚至經(jīng)常超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，易使焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生裂紋等缺陷。

圖5 沿X軸焊接殘余應(yīng)力

由上述分析可知，焊接時(shí)較大的溫度梯度和冷卻過(guò)程中的溫度不均，很容易使焊接接頭內(nèi)部產(chǎn)生焊接熱裂紋，焊接殘余拉應(yīng)力加劇了外載荷作用下焊接接頭的破壞，因此，有必要對(duì)焊接接頭內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行改善。焊接接頭中存在大裂紋缺陷時(shí)，利用脈沖放電可進(jìn)行止裂，若焊接接頭中只存在微小裂紋或夾雜，則可利用脈沖放電時(shí)缺陷夾雜處的電流密度繞流積聚進(jìn)行強(qiáng)化。

1.3 焊接裂紋的止裂分析

圖6 帶有橢圓型埋藏裂紋模型

圖7 放電瞬間裂紋前緣溫度場(chǎng)

焊縫在冷卻過(guò)程中，由于其熱應(yīng)力很大且整體溫度不均，故容易產(chǎn)生三維的空間熱裂紋，這些裂紋可以簡(jiǎn)化為橢圓形空間裂紋［11－12］，其三維模型如圖6所示，橢圓型裂紋長(zhǎng)軸為2mm，沿X軸方向，短軸為1mm，沿Y軸方向。如圖7所示，脈沖放電后裂紋的兩個(gè)尖端在放電瞬間溫度達(dá)到了1951℃，超過(guò)了材料熔點(diǎn)，使裂紋尖端產(chǎn)生鈍化。圖8所示為放電瞬間沿橢圓X軸方向熱壓應(yīng)力變化情況，圖9所示為冷卻至常溫（20℃）時(shí)，沿橢圓X軸方向殘余壓應(yīng)力變化情況。從圖8、圖9可以看出，放電后橢圓形裂紋長(zhǎng)軸的兩個(gè)尖端表現(xiàn)為壓應(yīng)力，其值在X、Y、Z 方向分別約為1200MPa、900MPa、2378MPa，其值之所以非常大是由于在電磁熱止裂模型中沒(méi)有考慮裂紋受到壓應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生閉合效應(yīng)而使得其周圍壓應(yīng)力減小的影響。

圖8 沿橢圓形裂紋X軸方向熱應(yīng)力變化

圖9 沿橢圓形裂紋X軸方向殘余應(yīng)力變化

由以上分析得出，對(duì)含有空間橢圓形埋藏裂紋的焊接接頭進(jìn)行脈沖放電，可以使接頭中裂紋的尖端熔化，與焊接后接頭中的殘余拉應(yīng)力相比產(chǎn)生了有利于阻止裂紋繼續(xù)開(kāi)裂的壓應(yīng)力，繼而使整個(gè)埋藏裂紋在這種壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生閉合的趨勢(shì)，使焊接接頭的力學(xué)性能得到提高。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案與設(shè)備

試驗(yàn)采用熔化極氬弧焊。將Q235和1Cr18Ni9不銹鋼材料采用線切割加工成所需試樣，如圖10所示，焊接方式采用對(duì)接焊。采用TZ－2H型數(shù)字化超聲波探傷儀對(duì)焊后的試件進(jìn)行探傷，并挑選20個(gè)含有裂紋的試件，其超聲波探傷儀輸出圖形如圖11所示，然后將這20個(gè)試件均分為A組和B組。A組試件進(jìn)行電磁熱強(qiáng)化試驗(yàn)，B組試件不進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。進(jìn)行強(qiáng)化的試件采用一次脈沖放電，放電電壓為9000V。試驗(yàn)是在自制ZL－2型超強(qiáng)脈沖電流發(fā)生裝置（圖12）上完成的。試驗(yàn)設(shè)備的最小放電周期為250μs，最大輸出放電電流為140kA。脈沖放電曲線如圖13所示。

圖10 試件

圖11 超聲波探傷儀輸出波形

圖12 試驗(yàn)設(shè)備

圖13 脈沖放電曲線

2.2 力學(xué)性能對(duì)比分析

未放電強(qiáng)化的試件和強(qiáng)化后的試件采用相同的試驗(yàn)條件，從A組和B組中各選取5個(gè)試件進(jìn)行拉伸性能對(duì)比測(cè)試，A組和B組另外的各5個(gè)試件進(jìn)行沖擊性能對(duì)比測(cè)試。采用 WDW3100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，沖擊性能試驗(yàn)在JBS－300金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果平均值對(duì)比如表3所示。

表3 拉伸和沖擊性能對(duì)比分析

從拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，未進(jìn)行電磁熱強(qiáng)化的試件拉伸時(shí)承受的最大力為26 275N，進(jìn)行放電強(qiáng)化的試件拉伸時(shí)承受的最大力的均值為31 393N，放電強(qiáng)化后的試件拉伸時(shí)所能承受的最大力得到了大幅度提高，抗拉強(qiáng)度提高19.4%。沖擊性能測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，未放電強(qiáng)化試件的沖擊能量為69.61J，放電強(qiáng)化后試件的沖擊能量為78.01J，提高12.07%。這個(gè)兩個(gè)試驗(yàn)反映了焊接接頭電磁熱強(qiáng)化的效果，說(shuō)明放電強(qiáng)化后，焊接構(gòu)件金屬的抗拉強(qiáng)度和韌性都得到了提高。

3 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬表明，異種鋼焊接接頭經(jīng)過(guò)脈沖放電強(qiáng)化處理后，接頭內(nèi)部的拉應(yīng)力變成了阻止焊接接頭內(nèi)部裂紋開(kāi)裂的壓應(yīng)力，且裂紋在尖端處鈍化，雙重強(qiáng)化作用使得焊接接頭的力學(xué)性能得到改善。

（2）試驗(yàn)研究表明，經(jīng)過(guò)脈沖放電強(qiáng)化后的異種鋼焊接接頭力學(xué)性能明顯提高，抗拉強(qiáng)度提高19.4%，沖擊韌性提高12.07%。

（3）數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究證明了電磁熱止裂對(duì)異種鋼焊接接頭強(qiáng)化的可行性和有效性，為工程中焊接接頭強(qiáng)化和力學(xué)性能改善提供參考。

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