預拉伸對鋁合金焊接殘余應力和變形的影響分析

馬玉剛

中車長春軌道客車股份有限公司 吉林 長春 130000

焊接工程界及學術界對鋁合金的研究都集中在鋁合金焊接應力和變形。經過多少年的發展及實踐,加快了焊接殘余應力和變形的理論發展,盡管它的理論體系還不完善,但是隨著各種焊接法的發展,能積極控制鋁合金件的結構穩定,保證鋁合金的品質和質量。

一、鋁合金焊接概述

對鋁合金進進行焊接時,由于焊接區在冷熱變換過程中出現不協調應變現象,從而導致鋁合金出現變形和焊接殘余應力問題,為了解決鋁合金在焊接過程中出現變形和焊接殘余應力,研究人員提出了多種措施,但是許多方法都傾重于焊后處理。而隨著焊接理念的改變,越來越多焊接技術注重于控制焊接過程中的冷熱變換的不均衡應力的處理,實現焊接的低應力無形變。因此,越來越多的焊接技術不斷發展進步,更傾向實現鋁合金低應力無變形的焊接。如預拉伸焊接法和瞬態熱拉伸焊接法等焊接技術[1]。

由于鋁合金結構件內部存在應力--應變場,在對其進行焊接時,焊接區的溫度會產生變化,存在一定的溫度分布差。鋁合金焊接區具有溫度差變化的特點,倘若可以適當地改變其溫度場,促使構件內部發生溫度場的分布演變,可以實現鋁合金焊接區的不協調應發,確保其發生降低或逆轉。瞬態熱拉伸焊接法和低應力無變形焊接法就是充分利用鋁合性的特點,先預置好溫度場,通過溫度差來實現拉伸效應。實現定量實時控制熱應力應變,以此來最大限制約束焊接殘余應力和變形。

改變鋁合金件內部的應力-應變場,還有一種方法,就是利用外加應力場。通過這種方法來減少或控制焊接殘余應力和變形,現今外加應力場的應用方向多是焊后方面的處理,輔助焊接后變形的矯正工作。如利用滾壓法、、爆炸法、機械拉伸法和錘擊法。通過以上的方法對鋁合金施加外力,對其進行拉伸應變、彈性拉伸,從而達到消除和降低焊接殘余應力和變形。

二、預加應力與鋁合金焊接的關系

在對鋁合金焊接時,對鋁合金構件施加預加應力,隨著不斷增大預加應力,焊接后的縱向殘余應力會發生變化,但是增大的幅度變大,縱向殘余應力曲線的總體變化越傾向于平緩,其平均幅值限制在一個區間范圍內,尤其是預拉伸應力到達某個數值后,鋁合金構件的中心位置兩側壓應值和拉應力,其數據保持在一個較低區間。曲線也傾向于平衡[2]。

對鋁合金構件施加預制拉伸應力可以設置焊接區在冷熱變換過程中的應力應變,對鋁合金進行加熱時,鋁合金的焊縫區和近縫區會受熱,進而出現膨脹的現象,但受周邊冷金屬的熱傳遞的作用,壓縮應力會出現焊接區。通過預加拉應力,可以實現抵消部分的壓縮應力。通過控制焊接區的殘余壓縮塑性,降低其變形量,以此來達到構件的穩定。

同理,對鋁合金進行冷卻時,冷卻區的收縮應力相應也發現變化,其收縮應力會減小,焊接區的殘余拉應力也隨之降低,通過采用預加應力焊接法,即可以實現焊接區在冷熱變換時的壓應力,減小其峰值,還能實現壓應力區向變窄方向發展,保證壓應力區向拉應力區的方向轉變,而且在兩力的共同下,即收縮拉應力和預制拉應力。能使焊接區兩側的殘余拉應力降低。按照內應力自相平衡的條件要求,這種情況勢必會造成遠離焊接區的拉應力變化,引發拉應力的受力分布改變。改變殘余壓應力幅值。將其降低到相對較低的水平。以此來將鋁合金翹曲失穩變形控制在可控范圍之內。實現鋁合金件的低應力無變形焊接,以確保鋁合金件的結構穩定[3]。

三、預加應力與焊接變形的關系

(一)預拉伸應力的影響作用。在不同預拉伸力的影響下,會造成鋁合金焊接區的變形,其規律為預拉伸應力越大,焊接區的縱向撓曲變形量就越小,兩者之間存在遞減相關。

鋁合金在加熱過程中,壓縮應力會導致焊接區的撓曲變形。根據奧凱爾勃洛姆的理論講述,在鋁合金焊接加熱時,焊接區會因加熱而產生壓縮應力,當其臨界失穩應力小于焊接區的壓縮應力時,鋁合金構件會失去其直線平衡力,而演變成曲線平衡狀態,最終導致撓曲變形的出現。要實現抵消焊接區附近的壓應力,就要增加預加拉應力。控制焊接區的縱向纖維的壓應力。降低其壓應力值。在高溫的過程中,能有效減小焊接區的壓縮塑性變形量,故此,鋁合金焊接后,其縱向撓曲變形會更傾向于平緩趨勢。從而保證鋁合金件不出現撓曲變形。

(二)預拉伸應力與鋁合金平面變形的關系。在開展焊接工作中,壓縮塑性變量與鋁合金平面失穩變形存在相關關系。這個也是有效保證平面失穩變形的關鍵點。在進行鋁合金焊接時,通過加熱,將壓縮塑性變量值降低到合理的狀態,減小殘余壓應力的絕對值,以此達到防止平面失穩變形的發生。

四、結語

在現代工程技術材料應用中,鋁合金具有不可輕視的地位,在工程材料的世界年產量中,鋁合金位居第二位,在有色金屬的應用中,它則是第一位。由此可見,鋁合金構件的焊接是非常重要的一項工作。通過預拉伸焊接法,控制鋁合金構件的縱向殘余應力及其分布,以達到低應力無變形白效果。同時在預拉伸應力的影響下,能有效降低鋁合金構件的平面變形和縱向撓曲變形,保證鋁合金構件內部穩定。確保其符合質量標準。