CN102601167A - 一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法，对板件塑性变形区域(焊缝及热影响区附近)，上下表面进行超声喷丸处理通过改变焊件上的应力分布，使压应力低于失稳临界应力值，从而消除失稳变形。超声喷丸功率高，能产生较深的残余压应力层，矫形效率高。矫形使得焊件喷丸区域表面及一定深度范围发生了塑性变形，喷丸区域的硬度和强度都得到了提高，在矫正变形的同时还可以改善焊接接头的性能。

Description

一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法及其应用

技术领域

本发明涉及到焊接领域中矫正焊接结构残余变形的方法，更具体地讲，涉及到一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法。

背景技术

随着航空、航天、高速列车、汽车等领域提高速度和航程、降低动力、节约原材料和燃料的要求越来越迫切，结构轻量化成为这些领域最重要研究目标之一。而采用轻合金(铝合金、钛合金、铝锂合金等)薄壁结构是解决上述领域轻量化问题的一种有效途径。焊接技术与其它加工连接技术如铆接、整体机加工相比具有减轻结构重量，节省原材料，效率高等优点，在火箭贮箱、飞机机身或机翼整体壁板、高速列车车体、船体等铝合金结构上已经广泛应用。

由于焊接是一个局部加热过程，结构各处温度极不均匀，因此膨胀和收缩变形也差别很大，这种变形不协调导致各部分材料之间相互约束，从而产生高数值的焊接残余应力和变形。对于薄壁焊接结构，由于结构刚度小，失稳临界应力低，经过焊接加工后，容易发生失稳而产生波浪变形，严重改变了结构的尺寸和外观，影响结构的制造精度和使用性能。因此如何控制和矫正薄壁构件焊后的失稳变形成为影响薄壁焊接结构使用的一个关键问题。

目前常采用预拉伸法、随焊锤击法、静态和动态温差拉伸法、随焊冲击碾压法、随焊旋转挤压等方法来矫正焊接失稳变形。这些方法能在一定程度上控制和减小焊接变形，但都存在种种不足，如预拉伸法受到拉伸设备及焊缝形式的限制难以广泛应用；随焊锤击法锤击面粗糙，容易形成新的应力集中，且劳动强度大，效率低；温差拉伸法成本高、工作环境差；随焊冲击碾压和随焊旋转挤压法都是随着焊接过程进行，需要复杂专门的跟随热源移动的设备。因此，提出一种效率高、操作简单、适用性强的矫正焊接失稳变形的方法具有很好的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术论述中已有矫形技术的不足，而提供一种效率高、操作简单、适用性强的矫正薄板焊接失稳变形的新方法，即超声喷丸矫形技术。该项喷丸矫形技术主要是通过改变焊件上的应力分布，使压应力低于失稳临界应力值，从而消除失稳变形。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

利用超声喷丸设备对焊后薄板试件的塑性变形区域(焊缝及热影响区附近)的上下表面进行超声喷丸处理。

所述的矫形参数包括喷丸区域、冲击枪移动的速度、喷丸功率和喷丸覆盖率。

喷丸区域应为试件的塑性变形区，这一区域的宽度通过有限元模拟来确定；冲击枪的移动速度用冲击枪在一个位置的停留时间来表征，停留时间在0.5-5S；喷丸功率用电流值来表征，电流取值范围为1-4A；喷丸覆盖率用喷丸次数来表征，为1-2遍。

超声喷丸的原理是超声振动发生器驱动喷丸介质产生机械振动，喷丸介质快速撞击工件表面，产生高幅冲击载荷，引起工件表面得到强化并产生变形。喷丸介质可以是丸粒或者撞针。与传统机械喷丸技术相比，超声喷丸可以获得更深的残余压缩应力层。喷丸矫形技术主要是通过改变焊件上的应力分布，使焊接压应力低于失稳临界应力值，从而消除失稳变形。超声喷丸矫正焊接薄壁构件失稳变形的原理实质是焊缝和近缝区纵向焊接残余应力的消除处理技术。

超声喷丸功率高，能产生较深的残余压应力层，矫形效率高。喷丸设备重量轻，可手持矫形，操作方便灵活，也方便结合自动化设备实现自动化矫形。矫形使得焊件喷丸区域表面及一定深度范围发生了塑性变形，喷丸区域的硬度和强度都得到了提高，在矫正变形的同时还可以改善焊接接头的性能。

附图说明

图1是原始焊态试件(待矫形试件)。

图2变形测量图。

图3变形测量结果。

图4有限元模拟变形图。

图5是采用矫正铝合金薄板焊接失稳变形的超声喷丸法实施过程图。

图6是采用矫正铝合金薄板焊接失稳变形的超声喷丸法实施过程路线示意图。

图7是采用矫正铝合金薄板焊接失稳变形的超声喷丸法矫形后的试件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作以详细描述。

待矫形试件由两块尺寸为125mm×500mm×4mm的5A06铝合金薄板沿长边对接焊而成。利用Dynasty 700型变极性TIG焊机焊接两块铝合金薄板，具体焊接参数选择为：焊接平均电流为135A，频率为100Hz，占空比为90％，电压为11.0V，焊接速度为2.0m/s，保护气体流量为15L/min。焊后铝板发生了明显了失稳变形，如图1所示。

将试件置于水平工作台上，测量试件一侧边缘沿焊接方向每隔50mm的挠度值，共测定11个点，变形测量方法如图2所示，测量结果如图3中曲线所示。

采用有限元软件ABAQUS 6.10，利用Standard模块模拟焊接过程。采用间接耦合，先计算焊接温度场，再将温度场作为载荷施加到试件上来计算焊接应力场。模型尺寸为250mm×500mm×4mm，计算选用八节点六面体单元。为了控制整体模型规模减小计算量，采用过渡网格划分，焊缝区和热影响区网格尺寸为1mm，沿焊缝长度方向进行一次3∶1过渡，焊缝厚度方向进行一次2∶1的过渡。划分网格后共有68804个单元，111050个节点。材料性能参数参考《中国航空材料手册》第三卷铝合金部分5A06铝合金的性能。图4是纵向塑性应变沿着垂直于焊缝路径上的分布。可以看到，从焊缝中心线到距焊缝中心线40mm的范围内存在压缩塑性应变，在远离焊缝中心线40mm以上位置压缩塑性应变值都为0。据此，喷丸矫形中选定喷丸区域的宽度为40mm。

超声喷丸矫形装置为天津天东恒科技发展有限公司生产的超声喷丸机(型号：UPM-125，相关专利为ZL02100034.4、ZL02100033.6、ZL200610014768.X)，采用冲击针作为介质处理试件表面。超声喷丸法实施过程如图5所示，其路线示意图如图6所示，在喷丸宽度内进行“S”型扫描式喷丸，设定沿着焊缝方向为y向，垂直于焊缝方向为x向，冲击枪沿x向每次移动3mm，在喷丸宽度区域内扫描一遍后，沿y方向移动3mm，再沿x方向进行上述喷丸过程，如此循环进行。选定超声喷丸参数：喷丸区域为以焊缝为对称轴的40mm×500mm的矩形区域，该区域经过有限元模拟得到塑性变形区的宽度确定；喷丸功率用电流值表征，电流值选定为1.6A；冲击枪移动速度用冲击枪在一个位置停留时间表征，停留时间选定为1s；喷丸覆盖率用喷丸次数表征，采用正反面各喷丸一遍。

将焊后发生失稳变形的试件至于水平工作台上，标记出试件正反两面要喷丸的区域，手持冲击枪，垂直于试件按照图6所示的路线进行喷丸矫形处理。先对试件一面进行一遍喷丸处理，再对称地对试件反面进行处理。

矫形后试件照片如图7所示，各点变形量见图3。可见，与原始焊态的试件相比，经过超声喷丸矫形处理后基本矫正了焊后的失稳变形。同时，超声喷丸矫形处理也使试件的力学性能发生了变化，具体表现为焊件喷丸区域表面及一定深度范围发生了塑性变形，喷丸区域的强度和硬度都得到了提高(焊接后焊缝区的硬度相对于母材下降了12％，经过喷丸矫形后，从表面到沿表面向下1.5mm范围内，硬度值得到了提高，达到母材水平，测试标准GB/T 2654-2008；接头抗拉强度由焊态的261MPa提高到矫形后的270MPa，测试标准GB/T 2651-2008)，有助于解决铝合金焊接时焊缝及近缝区产生的软化的问题。

采用不同的待矫形材料TC4钛合金，采用相同的分析方法和矫形工艺进行矫形，与原始焊态的试件相比，经过超声喷丸矫形处理后基本矫正了焊后的失稳变形。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法，其特征在于，利用超声喷丸设备对焊后薄板试件的塑性变形区域的上下表面进行超声喷丸处理。

2.根据权利要求1所述的一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法，其特征在于，喷丸区域应为试件的塑性变形区，其宽度通过有限元模拟来确定。

3.根据权利要求1所述的一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法，其特征在于，超声喷丸设备中冲击枪在一个位置的停留时间为0.5-5S；电流为1-4A；喷丸次数为1-2遍。

4.根据权利要求1所述的一种矫正薄板焊接失稳变形的超声喷丸法，其特征在于，所述薄板为铝合金薄板或者钛合金薄板。

5.超声喷丸在矫正薄板焊接失稳变形中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述薄板为铝合金薄板或者钛合金薄板。

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