異種鋼焊接接頭脈沖放電強化與力學(xué)性能分析

鄭麗娟 向 龍 劉會瑩 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)，在國民經(jīng)濟建設(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寬比特征，是焊接結(jié)構(gòu)件最嚴(yán)重的安全隱患。焊接時焊縫易出現(xiàn)焊接缺陷，這是由于焊縫金屬在冷卻時收縮應(yīng)力大。同時，對于異種材料焊接，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)止裂強化是指向帶有裂紋或者損傷的金屬構(gòu)件中通入強脈沖電流，利用歐姆效應(yīng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，實施裂紋止裂或者結(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)，實現(xiàn)焊接接頭熱影響區(qū)組織的細化及裂紋的鈍化，進而提高其力學(xué)性能。該項研究屬于熱磁彈性力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個新分支。本文首先從數(shù)值模擬角度分析電磁熱止裂強化技術(shù)對焊接接頭中裂紋的強化作用，然后進行試驗研究，對比分析脈沖放電對異種鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響，數(shù)值分析和試驗研究結(jié)果可為工程實際應(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，其移動速度v＝0.001m／s。

圖3 焊接完成瞬時溫度場

圖4 沿Z軸焊接熱應(yīng)力

圖3所示為焊接完成瞬時整個焊接工件的溫度場，可以看出，焊接完成瞬時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，同時變形將產(chǎn)生很大的壓縮，當(dāng)焊接工件冷卻時，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，焊接時較大的溫度梯度和冷卻過程中的溫度不均，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，有必要對焊接接頭內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)進行改善。焊接接頭中存在大裂紋缺陷時，利用脈沖放電可進行止裂，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缺陷夾雜處的電流密度繞流積聚進行強化。

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

焊縫在冷卻過程中，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尖端在放電瞬間溫度達到了1951℃，超過了材料熔點，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，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軸的兩個尖端表現(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有考慮裂紋受到壓應(yīng)力時產(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，對含有空間橢圓形埋藏裂紋的焊接接頭進行脈沖放電，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)開裂的壓應(yīng)力，繼而使整個埋藏裂紋在這種壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生閉合的趨勢，使焊接接頭的力學(xué)性能得到提高。

2 試驗研究

2.1 試驗方案與設(shè)備

試驗采用熔化極氬弧焊。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，焊接方式采用對接焊。采用TZ－2H型數(shù)字化超聲波探傷儀對焊后的試件進行探傷，并挑選20個含有裂紋的試件，其超聲波探傷儀輸出圖形如圖11所示，然后將這20個試件均分為A組和B組。A組試件進行電磁熱強化試驗，B組試件不進行強化試驗。進行強化的試件采用一次脈沖放電，放電電壓為9000V。試驗是在自制ZL－2型超強脈沖電流發(fā)生裝置（圖12）上完成的。試驗設(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 試驗設(shè)備

圖13 脈沖放電曲線

2.2 力學(xué)性能對比分析

未放電強化的試件和強化后的試件采用相同的試驗條件，從A組和B組中各選取5個試件進行拉伸性能對比測試，A組和B組另外的各5個試件進行沖擊性能對比測試。采用 WDW3100微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗，沖擊性能試驗在JBS－300金屬擺錘沖擊試驗機上進行，試驗結(jié)果平均值對比如表3所示。

表3 拉伸和沖擊性能對比分析

從拉伸試驗數(shù)據(jù)可以看出，未進行電磁熱強化的試件拉伸時承受的最大力為26 275N，進行放電強化的試件拉伸時承受的最大力的均值為31 393N，放電強化后的試件拉伸時所能承受的最大力得到了大幅度提高，抗拉強度提高19.4%。沖擊性能測試試驗數(shù)據(jù)表明，未放電強化試件的沖擊能量為69.61J，放電強化后試件的沖擊能量為78.01J，提高12.07%。這個兩個試驗反映了焊接接頭電磁熱強化的效果，說明放電強化后，焊接構(gòu)件金屬的抗拉強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)過脈沖放電強化處理后，接頭內(nèi)部的拉應(yīng)力變成了阻止焊接接頭內(nèi)部裂紋開裂的壓應(yīng)力，且裂紋在尖端處鈍化，雙重強化作用使得焊接接頭的力學(xué)性能得到改善。

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

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

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