振动焊接是在正常焊接过程中给焊件施加周期性的外力 (激振力 ) ,使焊件振动 ,从而达到降低焊接残余应力 ,提高焊接质量的一种新型焊接工艺。它是在振动时效技术基础上发展起来的一项新技术。振动焊接不仅能降低焊接残余应力 ,而且能够大大地改善焊接质量 ,提高焊缝的机械性能 ,同时 ,由于应力释放是在焊接过程中进行的 ,因而省去了焊后消除应力的工序 ,从而缩短了生产周期 ,降低了生产成本。可以预言 ,振动焊接的推广和应用必将给焊接生产行业带来巨大的经济效益。国外的振动焊接技术已趋于成熟 ,目前已应用到规范所涉及的焊件 ,如油罐和压力容器等 ,已收到明显的经济效益。国内振动焊接技术刚刚起步。目前 ,关于振动焊接的研究国内很少报道。本文采用对比实验方法 ,研究振动焊接对残余应力的影响及机理1 试验部分1 .1 试 板试板为 5 0 0ｍｍ× 1 5 0ｍｍ× 1 6ｍｍ1 6ＭｎＲ钢板 ,采用两块试板对接 ,组对以后截面为Ｙ型坡口 ,角度 70°,钝边 5ｍｍ ,如图 1所示。1 .2 振动焊接将其中一组试板进行正常焊接 (埋弧自动焊法 )。其余几组分别在固定激振力 ( 2档 )和固定频率 ( 66.8Ｈｚ)下进行振动焊接。考虑到焊接现场的实际情况 ,固定频率和激振力均选在较低水平。振动设备采用海伦振动时效设备厂生产的环天牌ＺＳＸ -0 6型多功能振动时效装置。通过焊前零档扫频确定试件固有频率( 92 .1Ｈｚ) ,在固有频率附近选取 5组频率 ,振器偏心块选 2档进行振动焊接 ,然后再把频率固定 ( 66.8Ｈｚ) ,改变激振力进行振动焊接。振动参数如表 1、2所示。1 .3 残余应力测试用小盲孔释放法 ,分别测量每一试件的残余应力 ,测试点在试件中间部位横向表面上 ,从焊缝中心开始依次每隔 2 0ｍｍ设置 5个测试点。测量结果列于表 3。表 1 固定激振力的振动参数 (2档 )试件编号 1 2 3 4 56频率 /Ｈｚ未振 83 .3 83 .71 1 1 .796.2 66.8表 2 固定频率的振动参数 (66.8Ｈｚ)试件编号 7 891 0激振力 2档 3档 4档 5档表 3 固定激振力振动焊接试板残余应力测试结果频率 /Ｈｚσ测试点 1 2 3 4 5未振σｘ 3 2 6.71 2 4 2 .681 4 6.61 4 2 .52 -2 0 .64σｙ 1 2 1 .541 0 0 .6586.51 4 7.84 2 2 .5483 .4σｘ 2 61 .1 3 1 93 .2 598.64 2 6.2 1 -2 6.61σｙ 89.6780 .1 2 69.52 3 0 .94 1 5.7383 .7σｘ 2 68.2 61 98.64 1 0 4 .3 92 9.2 6-2 6.57σｙ 96.8986.1 773 .953 4 .1 81 6.3 81 1 1 .7σｘ 3 1 4 .81 2 2 4 .2 61 4 0 .2 53 8.0 7-2 1 .68σｙ 1 1 0 .2 1 91 .4 3 75.3 53 5.83 1 8.2 796.2σｘ 2 81 .2 92 0 5.3 81 0 4 .653 0 .4 0 -2 5.4 7σｙ 91 .0 3 84 .70 71 .4 73 2 .51 1 6.5566.8σｘ 2 94 .90 2 0 9.1 0 1 1 2 .64 3 4 .4 3 -2 3 .62σｙ 1 0 2 .3 787.6973 .63 3 4 .94 1 9.67表 4 固定频率振动焊接试板残余应力测试结果激振力档位σ测试点 1 2 3 4 5未振σｘ 3 2 6.71 2 4 2 .681 4 6.61 4 2 .52 -2 0 .64σｙ 1 2 1 .541 0 0 .6586.51 4 7.84 2 2 .542档σｘ 2 95.73 2 0 7.3 61 1 6.4 2 3 6.4 1 -2 2 .84σｙ 1 0 8.3 586.84 72 .2 93 7.71 1 9.923档σｘ 2 54.0 91 92 .1 4 1 0 1 .93 2 8.3 8-2 5.2 7σｙ 87.2 778.5468.91 3 2 .4 91 7.4 84档σｘ 2 71 .4 62 0 3 .651 0 5.62 3 2 .79-2 3 .84σｙ 1 0 1 .4 581 .3 2 71 .863 5.2 3 1 8.79测试点 1 2 3 4 55档σｘ 3 0 1 .2 0 2 2 0 .1 4 1 3 1 .593 7.2 8-2 2 .1 4σｙ 1 0 9.4 2 89.83 76.1 4 3 6.82 1 7.792 结果分析与讨论 固定激振力不同频率振动焊接试板残余应力降低百分率如表 5所示。从表中可看到 ,当频率选在试件共振频率附近即 83 .4,83 .7,96.2Ｈｚ时 ,残余应力降低百分率较高 ,平均降低率在 2 0 %以上 ,其中频率为 83 .4Ｈｚ时 ,焊缝纵向应力平均降低 2 8.1 % ,横向应力平均降低2 6.4%。而当频率选在偏离共振频率较多时 ,残余应力也有所降低 ,但百分率较低 ,其中频率为 1 1 1 .7Ｈｚ时 ,焊缝纵向应力平均降低仅 6.2 %。 固定频率不同激振力振动焊接试板残余应力降低百分率如表 6所示。从表中可看到 ,当激振力大小选取合适 (如 3档、4档 )时 ,残余应力降低效果明显 ,降低率约 2 0 % ,其中激振力为 3档时 ,焊缝纵向应力平均降低 2 5 .8% ,横向应力平均降低 2 5 .0 %。而当激振力偏大或偏小 (如 2档、5档 )时 ,残余应力降低率较低 ,约 1 0 % ,其中激振力选在 5档时 ,焊缝纵向应力平均降低仅 9.4%。 根据以上分析可知 ,振动参数即激振力和频率对焊接试板残余应力降低率有重大影响。只有激振力和频率选取合适 ,残余应力降低效果显著。反之 ,当激振力和频率选取不合适时 ,残余应力降低不明显。3
机理分析 机械振动焊接时 ,由于振动能量的输入 ,加速了熔池中原子的热运动 ,相当于加强了对熔池的搅拌作用 ,此外振动还改善熔池金属与其周围固态金属的接触 ,加剧熔池与周围金属的热传递<1 > ,所以振动有利于熔池散热 ,使焊缝周围的温度分布与未振动焊接的温度分布有较大改变 ,即各部分的温度梯度减小 ,这是振动焊接降低残余应力的主要原因。由于温度梯度减小 ,不均匀塑性变形减小 ,与温度梯度相关的、作为热应力的最终状态的直接应力就减小。此外 ,振动还使晶核提前形成 ,成长中的枝晶破碎 ,致使形核率和晶核数目增加 ,从而达到晶粒细化 ,组织分布均匀的目的 ,这就消除了由于粗大晶粒聚集而引起的应力集中 ,降低了残余应力。 结晶过程中的晶核是由液态金属中近程有序的原子集团即晶胚形成的。这些集团的原子时刻运动着 ,它们不同瞬间分属于不同的原子集团 ,形成相起伏。每一温度下出现的相起伏有一个极大值ｒｍａｘ(ｒ为晶胚的半径 ) ,ｒｍａｘ的大小与温度有关 ,温度越低 ,ｒｍａｘ越大。根据金属结晶的热力学条件可以判断 ,只有在过冷的液体中出现尺寸较大的相起伏才能形核<2 > 。振动焊接时 ,有利于熔池散热 ,使结晶时的温度较正常焊接时低 ,因而ｒｍａｘ较大 ,有利于形核 ,即增大了形核率。熔池中晶核形成之后 ,就以新生的晶核为核心 ,不断向焊缝中成长 ,当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时 ,最有利于晶粒长大 ,它可以一直长到熔池中心 ,形成粗大的柱状晶体<3> 。振动焊接时 ,外加振动使粗大的枝晶破碎 ,易于细化晶粒 ,使组织均匀 ,消除由于粗大晶体聚集焊缝而引起的应力集中。由上述分析可知 ,振动焊接可增大形核率 ,阻止晶核长大 ,因而可以使接头金属晶粒细化 ,组织分布均匀 ,位错运动终止在晶界处 ,不易于变形 ,即使残余应力降低。而平均残余应力是金属结晶组织的宏观表现 ,它会随振动焊接后组织的改善而降低表 5 固定激振力不同频率振动焊接残余应力降低结果 %频率 /Ｈｚσ测试点 1 2 3 4 5平均值83 .4σｘ 2 0 .0 72 0 .3 73 2 .72 3 8.3 62 8.92 2 8.1σｙ 2 6.2 2 2 0 .4 0 1 9.64 3 5.3 3 3 0 .2 1 2 6.483 .7σｘ 1 7.891 8.1 52 8.80 3 0 .3 4 2 8.73 2 4 .8σｙ 2 0 .2 81 4 .3 91 4 .52 2 8.552 7.3 3 2 1 .01 1 1 .7σｘ 3 .64 7.594 .3 4 1 0 .4 7 5.0 4 6.2σｙ 9.3 2 9.1 61 2 .90 2 5.1 0 1 8.94 1 5.196.2σｘ 1 3 .90 1 5.3 72 8.62 2 8.50 2 3 .4 0 2 1 .9σｙ 2 5.1 0 1 5.851 7.3 93 2 .0 4 2 6.572 3 .466.8σｘ 9.74 1 3 .84 2 3 .1 71 9.0 3 1 4 .4 41 6.0σｙ 1 5.771 2 .881 4 .892 6.961 2 .73 1 6.6 表 6 固定频率不同激振力振动焊接残余应力降低结果 %激振力档位σ测试点 1 2 3 4 5平均值2档σｘ 9.4 81 4 .552 0 .591 4 .3 71 0 .661 3 .9σｙ 1 0 .851 3
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