曲面沖擊頭隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法控制40Cr鋼冷裂紋

張 勇 孫琳琳 綦秀玲

遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新，123000

曲面沖擊頭隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法控制40Cr鋼冷裂紋

張 勇 孫琳琳 綦秀玲

遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新，123000

采用隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法控制高強鋼冷裂紋。為了增強加載區(qū)域的塑性延展，進(jìn)行了曲面沖擊頭的設(shè)計，對強拘束度條件下40Cr鋼工件,利用沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓曲面頭進(jìn)行了間距分別為80 mm、100 mm和110 mm的隨焊加載。采用小孔法測量了接頭處的殘余應(yīng)力。實驗結(jié)果表明，隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法能夠顯著減小殘余應(yīng)力，從減小接頭殘余應(yīng)力的角度控制了高強鋼焊接冷裂紋。

隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓；冷裂紋；殘余應(yīng)力；曲面沖擊頭

0 引言

中碳調(diào)質(zhì)鋼被廣泛運用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域[1]，但中碳調(diào)質(zhì)鋼具有較強的焊接冷裂紋傾向，且強度級別越高，冷裂紋的傾向性越大。有研究表明，強拘束狀態(tài)下冷裂紋會以焊道內(nèi)微小裂紋為源頭[2]，在殘余拉應(yīng)力的作用下擴(kuò)展。減小殘余應(yīng)力是控制冷裂紋的重要手段之一。現(xiàn)有的控制冷裂紋的方法有焊前預(yù)熱緩冷[3]、超聲沖擊[4]和隨焊沖擊碾壓[5]。隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓法最早被用于控制鈦合金TC4薄板焊接時產(chǎn)生的焊接失穩(wěn)變形[6]，該方法通過延展焊縫，減小焊接過程中產(chǎn)生的壓縮塑性變形，在消除焊接殘余應(yīng)力方面取得了良好的效果。

本文以40Cr鋼為母材，在強拘束度條件下進(jìn)行焊接。在焊接過程中對仍處于相對較高溫度的焊縫施加局部沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓，從而實現(xiàn)焊接冷裂紋的控制。為了提高該方法的作用效果，設(shè)計了增加剪切作用的曲面沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓頭，以增強塑性變形的效果，充分發(fā)揮沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓的塑性延展作用。

1 隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓實驗

1.1 實驗材料

40Cr鋼工件尺寸為200 mm×100 mm×2.5 mm，材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：w(C)=0.40%，w(Cr)=0.97%，w(Si)=0.21%，w(Mn)=0.59%，w(S)=0.0095%，w(P)=0.017%。

1.2 強拘束焊接實驗

采用剛性固定對接裂紋實驗法，利用拘束焊縫將試件固定在擁有較大剛度的剛性拘束墊板上。剛性拘束墊板選用Q235鋼，厚板尺寸為250 mm×250 mm×25 mm。采用不填絲TIG焊接。薄板開I型坡口。焊接必須確保不出現(xiàn)由于未焊透或焊接工藝不當(dāng)造成的明顯缺陷，利用收弧板避免弧坑裂紋。焊接工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 焊接工作狀態(tài)Fig.1 Welding work assembly

1.3 曲面沖擊頭的設(shè)計

根據(jù)von-Misses準(zhǔn)則，當(dāng)變形金屬受到的剪切力不等于零時，變形金屬進(jìn)入塑性狀態(tài)所需要的軸向壓應(yīng)力就小于材料的屈服強度，即變形力減小，且剪切應(yīng)力越大時，變形力減小的效果越顯著。

曲面沖擊頭的主要作用是利用在沖擊頭下端面加工出的曲面來加強擠壓過程中的剪切作用。曲面頭的形狀如圖2所示。端部曲面的設(shè)計，使焊后較高溫度的金屬在旋轉(zhuǎn)擠壓的作用下能夠受到更大的切向力，使沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓工藝的效果更加明顯。

圖2 沖擊頭端部曲面Fig.2 Curved surface of impacting rod

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 冷裂紋的生成

焊接完成后，將試件保留在厚板上，不拆除周圍搭接的拘束焊縫。如果焊接過程中不出現(xiàn)裂紋，而在冷卻過程中或冷卻至常溫后的靜置過程中出現(xiàn)裂紋，則可以初步認(rèn)為是冷裂紋。如果靜置48 h后裂紋仍然不出現(xiàn)，則認(rèn)為冷裂紋出現(xiàn)的概率很低，基本不會再出現(xiàn)。

在強拘束條件下,焊接產(chǎn)生裂紋的實驗統(tǒng)計結(jié)果見表1。在強拘束和快速冷卻的條件下，冷裂紋將以高達(dá)80%的概率出現(xiàn)。

表1 焊接冷裂紋實驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.1 Statistic of cold cracking

2.2 曲面沖擊頭隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法控制冷裂紋的有效性分析

沖擊頭中心和焊槍中心的距離s為80 mm時，經(jīng)過隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓作用后，保持拘束狀態(tài)直到冷卻，效果如圖3所示。從圖3可以看出，沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓造成的塑性變形是十分明顯的，原因是變形時金屬的溫度較高。隨焊沖擊頭旋轉(zhuǎn)時，在高溫下形成了少許裂紋。在有固有缺陷的前提下，經(jīng)過24 h，裂紋并沒有進(jìn)一步擴(kuò)展，沒有形成貫穿焊縫的冷裂紋。從這一點看來，s=80 mm時，隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法抑制冷裂紋的效果是明顯的。

圖3 沖擊頭中心和焊槍中心相距80 mm作用后效果Fig.3 Effect of 80 mm interval between impacting rod and welding torch

當(dāng)s=100 mm時，經(jīng)過隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓作用后，保持拘束狀態(tài)直到冷卻，效果如圖4所示。 與s=80 mm處的作用效果相比，s=100 mm時，沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓造成的塑性變形并不明顯;但是再隨焊沖擊時高溫下形成的裂紋明顯縮短，而且，在保持拘束24 h后，冷裂紋未見出現(xiàn)，原始裂紋也未有擴(kuò)展。由此可知，在s=100 mm這個區(qū)域作用時，抑制冷裂紋的效果是顯而易見的。

圖4 沖擊頭中心和焊槍中心相距100 mm作用后效果Fig.4 Effect of 100 mm interval between impacting rod and welding torch

沖擊頭和焊槍距離為110 mm時，經(jīng)過隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓作用后，保持拘束狀態(tài)直到冷卻，效果如圖5所示。與沖擊頭和焊槍距離100 mm處的作用效果相比，此時的塑性變形程度進(jìn)一步減小，隨焊沖擊高溫下產(chǎn)生的裂紋距離更短。保持拘束24 h后，未出現(xiàn)冷裂紋，原始裂紋未有擴(kuò)展，所以，沖擊頭和焊槍距離為110 mm時，冷裂紋依然得到了很好的抑制。

圖5 沖擊頭中心和焊槍中心相距110 mm作用后效果Fig.5 Effect of 110 mm interval between impacting rod and welding torch

實驗結(jié)果見表2。實驗結(jié)果有力地說明，經(jīng)過隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓作用的焊縫的確具有抑制冷裂紋的效果。

表2 冷裂紋控制效果統(tǒng)計Tab.2 Statistics of the effect of Cold cracking control

2.3 小孔法測量高應(yīng)力區(qū)殘余應(yīng)力

本文采用小孔法對焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行測量。選擇在距離焊縫中心10 mm處采用小孔法測量應(yīng)力，殘余應(yīng)力測量結(jié)果見表3。由表3可知，s=110 mm沖擊的縱向應(yīng)力的平均值為75.9 MPa，橫向應(yīng)力的平均值為9.7 MPa；s=100 mm沖擊的縱向應(yīng)力的平均值為123.2 MPa，橫向應(yīng)力的平均值為35.0 MPa；s=80 mm沖擊的縱向應(yīng)力的平均值為311.0 MPa，橫向應(yīng)力的平均值為75.8 MPa；而未經(jīng)過沖擊的縱向應(yīng)力的平均值為360.9 MPa，橫向應(yīng)力平均值為158.4 MPa。焊接過程中對焊縫區(qū)域進(jìn)行沖擊可以減小焊接殘余應(yīng)力，而且隨著焊槍與沖擊頭間距離的增加，沖擊作用更加顯著。

表3 殘余應(yīng)力測量結(jié)果Tab.3 Residual stress measurement results

具有一定動能的沖擊頭到達(dá)工件表面時，工件表面受到擠壓作用，產(chǎn)生厚度方向上的壓力，工件在厚度方向上收縮變形。在形成擠壓作用的同時，由于摩擦作用產(chǎn)生了與壓力成比例的扭矩，變形金屬受到剪切力的作用，即沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓過程屬于扭-壓復(fù)合加載。

根據(jù)金屬塑性變形屈服準(zhǔn)則，只要變形金屬受到的剪切力不等于零，那么變形體進(jìn)入塑性狀態(tài)所需要的軸向壓應(yīng)力就小于材料的屈服強度，即可減小變形力，且當(dāng)扭矩增大，即剪切應(yīng)力越大時，變形力減小的效果愈明顯。即與一般壓縮成形相比，扭壓成形有助于減小變形力，改善內(nèi)部金屬變形不均的狀況，扭矩變形程度越大，扭壓成形減小變形力的效果越明顯。為了強化扭矩的作用，沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓頭與工件表面接觸部位應(yīng)保持一定的粗糙度，因此，本文設(shè)計成曲面頭的形狀。

沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓屬于局部加載的形式。局部加載時，在變形體工件內(nèi)沿厚度方向上受力面積是逐漸增大的，其應(yīng)力的絕對值逐漸減小。沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓的塑性延展作用主要產(chǎn)生于工件與擠壓頭作用的近表面接觸處。

而焊接過程中通過沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓產(chǎn)生的塑性變形來進(jìn)行焊縫及近縫區(qū)的塑性延展，從而減小了焊接殘余拉應(yīng)力，進(jìn)一步減小整體工件的殘余應(yīng)力。與未沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓的工件相比，s在80 mm、100 mm、110 mm處的焊接殘余應(yīng)力均有減小，且隨著加載距離的增大，焊接殘余應(yīng)力減小幅值越大。這是因為沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓后高溫到室溫的彈性回復(fù)變形的影響，隨著沖擊頭中心與焊槍中心間距離的增大，溫度變化所導(dǎo)致的回復(fù)效應(yīng)被減弱，焊接殘余應(yīng)力減小的幅度增大。當(dāng)局部裂紋處的應(yīng)力小于臨界應(yīng)力時，微觀裂紋的應(yīng)力強度因子減小，所以該位置即使產(chǎn)生裂紋也不會發(fā)生裂紋擴(kuò)展。

3 結(jié) 論

(1)在強拘束和快速冷卻的條件下焊接，40Cr鋼工件出現(xiàn)冷裂紋的概率為80%，而采用隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法控制冷裂紋工藝后出現(xiàn)冷裂紋的概率為零。

(2)實驗結(jié)果表明，在沖擊頭和電弧距離為80 mm、100 mm和110 mm時，焊接殘余應(yīng)力較常規(guī)焊接有顯著減小。隨著作用距離的增加，熱過程所導(dǎo)致的彈性回復(fù)作用的減弱，殘余應(yīng)力減小的效果越明顯。

(3)隨焊沖擊旋轉(zhuǎn)擠壓法能夠顯著地減小焊縫的殘余應(yīng)力，繼而減小局部區(qū)域的應(yīng)力強度因子，從力學(xué)的角度抑制了冷裂紋的開啟。

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(編輯 陳 勇)

Research on Preventing Weld Cold Crack of 40Cr by Impact Revolution Curved Rod

ZHANG Yong SUN Linlin QI Xiuling

College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University, Fuxin，Liaoning，123000

Weld cold cracks of 40Cr under the conditions of strong constraint degrees were controlled by the method of welding with impact revolution. In order to increase the plastic deformations of the action zones, the geometrical shapes of the impacting rod were designed to curved shapes. The residual stresses of the workpieces with and without the impact revolution effect were measured. The distances between the welding torch and impacting rod were as 80 mm, 100 mm and 110 mm respectively. The residual stresses at the joints were measured by small hole method. The experimental results show that the residual stress may be reduced by the method. The new method may prove the possibility on preventing weld cold cracks by reducing residual stresses.

welding with impact revolution; cold crack; residual stress;curved surface impact rod

2016-06-27

遼寧工程技術(shù)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)問題創(chuàng)新研究基金資助項目(20160002T)

TG156.5

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.09.016

張 勇，男，1977年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、博士。主要研究方向為焊接結(jié)構(gòu)與工藝。發(fā)表論文10余篇。E-mail:zhangyongdiyi@163.com。孫琳琳，女，1997年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院本科生。綦秀玲，女，1979年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師、博士。