正面随焊超声冲击对焊接残余应力与变形的影响

摘要

焊接作为先进的制造技术在工业生产中发挥了至关重要的作用。然而，在焊接过程中的局部不均匀加热的特点，导致在工件中产生较大的焊接残余应力与变形，对工件的使用性能与寿命产生诸多危害。近几年，超声冲击技术在提高焊接接头疲劳强度、控制焊接残余应力与变形方面得到广泛的应用。本文在超声冲击技术与随焊冲击碾压的基础上，提出一种正面随焊超声冲击的方法，在焊接过程中对熔池后方的焊缝或焊趾区域进行实时超声冲击，以达到控制焊接残余应力与变形、改善焊缝显微组织与硬度的目的。
　　超声冲击设备的冲击头与变幅杆为非刚性连接，冲击头的冲击频率低于变幅杆的20 kHz。为了更好的应用超声冲击设备，同时为了给后期SYSWELD数值模拟提供参数依据。本文通过高速摄像的方法对冲击头的冲击过程进行记录采集。通过MATLAB软件对采集的图像进行后期批量处理，获得了冲击头的冲击频率，测量结果显示，在不同参数下，超声冲击设备的冲击频率都基本集中在50Hz左右。
　　对3 mm的Q235B薄板进行正面随焊超声冲击焊缝实验，研究正面随焊超声冲击对焊接变形、焊接接头显微组织以及硬度等力学性能的影响。研究表明，当冲击距离为45 mm时，即高温冲击时控制焊接变形的效果最明显，较常规焊减少了43.3％。当冲击距离小时，与常规焊相比，正面随焊超声冲击能够起到细化晶粒的作用，使焊缝晶粒变细。而且，正面随焊超声冲击能够提高焊缝处的硬度，尤其是当冲击距离小时效果最明显。对8 mm的Q235B厚板进行正面随焊超声冲击焊趾附近区域实验，研究正面随焊超声冲击对焊接残余应力的作用。研究发现，当冲击距离较大时，控制焊接残余应力的效果较好。
　　建立与热源随动的力载荷模型，力载荷的大小、冲击频率、同热源的距离等参数均可调节。通过SYSWELD软件实现力载荷模型的加载，并通过无应力板进行随焊超声冲击模拟，验证得到建立的力载荷模型是可行合理的，并对力载荷模型的作用机理进行分析。利用SYSWELD软件对正面随焊超声冲击8mm板的焊趾附近区域进行数值计算，结果发现，低温冲击时控制焊接残余应力的效果最明显，在部分区域，将残余拉应力转化为残余压应力。随着冲击温度的增大，控制焊接残余应力的效果也随之减弱。将计算结果与实验结果进行对比，发现计算得到的正面随焊超声冲击对冲击区域的残余应力的影响规律与盲孔法测得的规律基本一致。尝试了频率为50 Hz的力载荷数值计算，并将计算结果与实验结果进行对比。
　　虽然正面随焊超声冲击技术在焊接领域尚处于研究阶段，但正面随焊超声冲击技术以其独特的优点和综合性能将会在未来得到广泛的应用。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 调控焊接残余应力和变形的方法

1．2．1 调控焊接残余应力和变形的焊前措施

1．2．2 调控焊接残余应力和变形的焊后措施

1．2．3 调控焊接残余应力和变形的随焊措施

1．3 超声冲击技术

1．3．1 焊后超声冲击对焊接残余应力的影响

1．3．2 焊后超声冲击对焊接接头微观组织的影响

1．3．3 焊后超声冲击对焊接接头疲劳性能的影响

1．3．4 随焊超声冲击对焊接残余应力与变形的影响

1．4 本文研究思路及内容

第2章 超声冲击设备冲击参数的测量

2．1 机器人随焊超声冲击系统

2．2 超声冲击设备的工作原理

2．3 冲击频率的测量

2．3．1 图像采集平台的搭建

2．3．2 采集方案与结果

2．3．3 采集图像的后期处理

2．4 加速度传感器测量振动频率

2．4．1 测量方案的设计

2．4．2 测量结果的统计与分析

2．5 本章小结

第3章 正面随焊超声冲击对焊接残余应力与变形的影响

3．1 实验材料及方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验设备及焊接工艺参数

3．2 工件的去应力退火

3．3 正面随焊超声冲击实验方案

3．3．1 3 mm薄板随焊超声冲击实验方案

3．3．2 8 mm厚板随焊超声冲击实验方案

3．4 焊件温度的测定

3．5 焊接变形的测量

3．6 焊接残余应力的测量

3．6．1 盲孔法测量残余应力的基本原理

3．6．2 盲孔法测量残余应力的基本步骤

3．6．3 残余应力的测量结果与分析

3．7 随焊超声冲击对焊接接头组织的影响

3．7．1 焊缝成形与金相制备

3．7．2 焊接接头组织分析

3．8 随焊超声冲击对焊接接头硬度的影响

3．9 本章小结

第4章 数值模拟冲击温度对焊接残余应力的影响

4．1 SYSWELD软件基本介绍

4．2 随焊冲击焊接温度场与应力场的模拟计算

4．2．1 建立网格模型

4．2．2 热源校核及热源模型的确定

4．2．3 前处理

4．2．4 后处理与结果分析

4．3．1 材料库的二次开发

4．3．2 力载荷函数的建立

4．3．3 力载荷加载方式

4．4 无应力板超声冲击模拟结果分析

4．4．1 变形分布

4．4．2 变形随时间的变化规律

4．4．3 应力分布

4．4．4 应力随时间的变化规律

4．5 随焊超声冲击模拟

4．5．1 热源的校核与确定

4．5．2 数值模拟中冲击距离的确定

4．6 随焊超声冲击焊趾的数值计算

4．6．1 力载荷初始位置的确定

4．6．2 随焊超声冲击残余应力分布

4．6．3 模拟结果与实验结果对比分析

4．7 力载荷频率对随焊超声冲击计算结果的影响

4．7．1 力载荷频率的加载

4．7．2 时间步长的确定

4．8 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

附录

参考文献

致谢