熔化焊和摩擦焊殘余應力分布規律分析

蘇文韜，姚 愷，方 圓，馬春偉

（上海工程技術大學，上海 201620）

0 引言

試驗結果表明，手工電弧焊在焊接區垂直焊接方向的殘余應力最大值為387 MPa，在焊縫兩側為壓應力，距離焊縫兩側12mm 處，壓應力最大；平行焊接方向上的殘余應力在中間位置為拉應力，在工件兩邊為壓應力，靠近邊緣壓應力增大。針對低碳鋼的摩擦焊研究，數值模擬結果表明，整個焊接過程中摩擦面靠近工件內圓處軸向壓應力更大，焊接大部分時間內摩擦面上溫度分布均勻。對工藝參數研究發現，摩擦面能量輸入密度對焊接過程影響極大。在240MPa 摩擦壓力，600rpm 轉速，105J/mm2能量輸入密度下得到的工件時效熱處理后常溫拉伸強度達到了1358MPa 高溫拉伸強度達到了1144MPa。

隨著材料、航空、宇航、核能工程和海洋開發等高科技產業的迅速發展，世界各國的產業結構正在發生質的變化，傳統產業停滯不前或逐漸萎縮和改組，新興產業正在迅速發展，有力地促進了現代固態焊接等新焊接方法的發展。以提高產品質量，降低產品成本，縮短研制生產周期，不斷提升自身在國際分工中的地位為目的，摩擦焊接作為一種優質、精密、高效、節能的固態焊接技術，越來越受到各國的重視，并已發展成為諸如高性能航空發動機轉子之類的重要部件最可靠和最可信賴的標準焊接方法[1-4]。

摩擦焊接是一種壓焊方法，它是在外力作用下利用焊件接觸面之間的相對摩擦運動和塑性流動所產生的熱量，使接觸面及其近區金屬達到粘塑性狀態并產生適當的宏觀塑性變形，通過兩側材料的相互擴散和動態再結晶而完成焊接的。在摩擦焊焊接過程中，工件摩擦其處于高溫塑性狀態，冷卻后易產生殘余應力，會降低構件的剛性和尺寸穩定性，而且在溫度和介質的共同作用下，還會嚴重影響結構和焊接接頭的疲勞強度、抗斷裂能力、抵抗應力腐蝕開裂的能力。因此，對摩擦焊殘余應力的研究是非常重要的[5-7]。

傳統手工電弧焊焊接時，局部高溫加熱造成焊接溫度場分布不均勻，在工件的內部產生了焊接殘余應力和變形，焊接殘余應力是導致脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂和失穩破壞的原因，有資料表明，拉伸殘余應力會降低疲勞強度和腐蝕應力。壓縮的殘余應力減小構件的穩定性。此外，焊接殘余應力變形使結構的形狀和尺寸精度難以滿足技術要求，直接影響結構制造的質量和性能。

本研究通過試驗方法，分別測量手工電弧焊和摩擦焊接4mm 金屬板時的殘余應力，對比分析二者在橫向和縱向殘余應力的分布大小及變形規律，為工程實踐提供試驗數據，用于控制和調整焊接變形。

1 電弧焊與摩擦焊試驗材料及方法

1.1 實驗材料

試驗所選用的母材是GH4169，該材料化學成分組成見表1。

表1 GH4169 合金化學成分表（質量分數/%）

1.2 手工電弧焊實驗

采用手工電弧焊對平板進行對接焊。單塊鋼板尺寸300mm×195mm×4mm，坡口為I 形，裝配時在起弧和收弧處分別焊接固定塊，焊縫底部焊接引弧板，采用輔助板固定焊接板的兩側，避免焊接過程中過度彎曲變形。采用與母材性能匹配的焊條和焊絲。手工電弧焊機型號為KEMPPI（MLS3500）。手工電弧焊的電弧電壓為28V，焊接電流100A，焊接速度0.43cm/s,焊縫熱輸入6.462kJ/cm。

1.3 摩擦焊的實驗

采用賽福斯特摩擦焊設備，選取300mm×195 mm×4mm 的低碳鋼板（圖1），采用錐形帶螺紋攪拌頭，攪拌針長度7.5mm，軸肩直徑20mm，在不同焊接參數下進行焊接試驗，如圖2 所示。采用不同的焊接參數，探討不同的焊接效果。

圖1 焊件

圖2 摩擦焊實驗圖

2 殘余應力的測量

殘余應力的測量方法可分為物理方法和機械方法。物理方法包括x 射線法和超聲波法等,其優點是不會對構件產生破壞而機械測試方法如鉆孔法(盲孔法),簡潔明確,但會對構件造成破壞性損傷焊接殘余應力測試點，本次實驗采用盲孔法，因為盲孔法是一種成熟且精確度高的測試應力的方法，目前已經普遍應用在工程領域，用于測量各種焊接結構，為焊接結構的設計提供可靠的試驗數據。其優點是破壞性小，測量的數據精度和靈敏度高。因此本試驗采用盲孔法測量焊接殘余應力（圖3）。采用鄭州機械研究所生產的YC-Ⅲ型應力測量儀（TJ120-1.5-準1.5）。

圖3 盲孔法測量圖

測量手工電弧焊對接殘余應力的分布曲線，測量路徑（圖4）。在垂直于焊縫中心的位置粘貼應變片，應變片之間距離為15mm，記為路徑一；在平行于焊縫方向，距離焊縫9.4mm 位置處粘貼應變片，應變片之間的距離為17.2mm。應變片之間的距離按照設備技術要求選擇鉆孔測量。處理路徑一數據時，在焊縫左邊板寬記為負值，右邊記為正值；路徑二處理時，從下往上沿寬度方向依次記為0～300mm。

圖4 盲孔法測量路徑圖

在應力場中鉆小孔，應力的平衡被破壞，鉆孔引起應力的釋放，通過粘貼的應變片連接到測量儀上，測量出釋放的應變。盲孔法測量殘余應力的原理是采用特制的箔式應變花粘貼在被測工件的表面，應變花和參考軸方向，在應變花的中心鉆一個小孔。通常孔徑為1.5～3.0mm，孔深為1.5～3mm，本試驗孔徑為1.5mm，孔深為2.0mm。通過公式可以算出孔深范圍內平均殘余應力大小和方向。

3 實驗結果及比較

3.1 手工電弧焊殘余應力分布規律

手工電弧焊采用電弧加熱，將工件局部加熱到融化狀態形成熔池，填充焊接金屬，端部在電弧的加熱作用下不斷被融化，形成熔滴過渡到熔池，隨著電弧的移動，熔池金屬的逐步冷卻結晶，形成焊縫。由于不均勻的溫度場所造成的內應力達到材料的屈服極限，局部發生塑性變形，溫度恢復原始的均勻狀態后，就會產生新的內應力，即殘余應力。焊接時，二者均產生焊接變形。手工電弧焊的熱流密度小，熱輸入大。氬弧焊的焊接熱流密度大，焊接熱輸入集中。本研究通過控制焊接熱輸入，采用相同的電流參數，試驗選用4 mm 薄板，厚度方向上的殘余應力很小，可忽略，簡化為二維進行分析。用盲孔法測量試驗數據，整理數據并繪制應力-位置分布圖，對比分析二者的變形。如圖5、6 所示。

圖5 橫向應力

圖6 縱向應力

3.2 摩擦焊殘余應力分布規律

采用不同的焊接參數，出現了以下不同的焊接效果。當攪拌頭的轉速低于500r/min，焊接速度在100mm/min 時，焊縫直觀效果較好，無飛邊與毛刺現象，如圖7a 所示；當轉速高于600r/min 時，熱量輸出較大，易產生毛刺，如圖7b 所示；當焊接速度低于100mm/min 同時轉速高于400r/min 時，有明顯的飛邊，如圖7c 所示；當焊接速度過高或轉速過低時，出現了攪拌頭斷裂現象，如圖7d 所示。

圖7 摩擦焊效果圖

出現以上現象是因為轉速直接影響熱輸出量，也就是直接影響讓材料進入塑性狀態的能力，而焊接速度直接影響攪拌頭行進過程中的阻力以及熱輸出量傳遞的速度。當轉速過高且焊接速度較低時，與攪拌頭接觸部位會迅速軟化進入塑性狀態，而過高的轉速導致攪拌頭對焊接材料的摩擦力過大，因而易出現表面毛刺現象，而較低的焊接速度導致攪拌頭長時間在已進入塑性狀態的材料內高速旋轉，導致飛邊出現;當轉速過低或焊接速度過高時，一方面較低的轉速帶來較小的熱輸出量，導致材料無法吸收足夠的熱量進入塑性狀態，攪拌頭承受過大的剪應力導致斷裂;另一方面焊接速度過高時，材料沒有足夠的時間吸收熱量以進入塑性狀態，攪拌頭受到過大的橫向阻力，導致攪拌頭斷裂。

4 結論

手工電弧焊在焊接區垂直焊接方向的殘余應力最大值為387MPa，在焊縫兩側為壓應力，距離焊縫兩側12mm 處，壓應力最大。平行焊接方向上的殘余應力在中間位置為拉應力，在工件兩邊為壓應力，靠近邊緣壓應力增大。

焊接參數即轉速與焊速在一定范圍內，才能獲得質量良好的焊接接頭。當旋轉速度過低或焊 接速度過高，焊接能量較小，會導致熱量不足，材料塑性流動不充分，造成攪拌頭受到的阻力過大而出現斷裂情況;當旋轉速度過高或焊接速度過低時，熱輸入量過大，焊接區金屬過熱而導致焊縫成形不佳，甚至出現毛刺、飛邊等現象；攪拌摩擦焊接頭各方向殘余應力均有雙峰特征，且縱向殘余應力S22 遠大于其他2 個方向的。殘余應力在焊縫區域表現為拉應力，且在焊縫邊緣達到最大，在母材區域表現為壓應力，母材區域殘余壓應力一般小于焊縫處殘余拉應力;焊接速度提高時，焊縫處的殘余應有所增大，但幅度較小。轉速提高時，焊縫處的殘余應力顯著增大，且母材區域的殘余應力也有所增大。對于8mm 厚2024鋁合金板，控制焊接轉速在200～600r/min，焊接速度在100～160mm/min 之間可獲得較好的焊接效果。