引言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。振动焊接不仅能降低焊接残余应力,而且能够 细化焊缝组织犤1、2犦,大大改善焊接质量,提高焊缝的机械性能,缩短生产周期,降低生产成 本。为此,本文采用对比实验方法,分析研究了振动焊接对冲击功Ak的影响及机理。1试验方法 试验用500mm×150mm×16mm16MnR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。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。振动设备 采用海伦振动时效设备厂生产的环天牌ZSX-06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),将激振器偏心块固定在2档,在固有频率附近选取66.8, 83.4,96.2和111.7四组频率进行振动焊,然后再把频率固定(66.8Hz),激 振力分别选在2档,3档,4档和5档进行振动焊接。利用摆锤冲断试样后回升的高度与原来提升 高度之差计算出破坏期间的能量,即为试样变形和断裂所消耗的功,称为冲击功犤3犦。冲击试验 按GB/T229-1994进行,试样采用标准夏比V型缺口试样,试样尺寸为55mm×10 mm×10mm。固定激振力(2档)改变振动频率焊接时,试样平行焊缝取样,一组为焊缝式样 ,一组为热影响区式样。固定振动频率改变激振力焊接时,试样垂直焊缝取样,缺口分别开在焊缝 和热影响区。2试验结果不同参数的试验结果如表1、表2所示。在固定激振力改变振动频率振动 焊接条件下,试样冲击功提高百分率如表3所示。从表中可看到,试样冲击功随振动频率的提高而 增加,频率较低,冲击功提高百分率也较小。在固定振动频率改变激振力振动焊接条件下,试样冲 击功提高百分率如表4所示。从表中可看到,试样冲击功随激振力的增大而增加,激振力小,冲击 功提高百分率也小。根据以上分析可发现,试样冲击功与振动参数即频率,振幅(激振力)有关, 在本试验条件下,频率越高,振幅越大,冲击功提高百分率也越高。表1固定激振力(2档)改变 振动频率试样冲击试验结果表2固定振动频率(66.8Hz)改变激振力试样冲击试验结果表3 固定激振力不同振率试样冲击功提高结果表4固定振动频率不同激振力试样冲击功提高结果3分析 与讨论埋弧自动焊接在焊缝中存在三个不同的晶体形态区域,即表面细晶区,柱状晶区和等轴晶区 。由于焊接过程中热输入量相当大,柱状晶区域大,枝晶发达。这都需焊后热处理来消除柱状晶区 的影响。因此,如果我们能够在焊接过程中控制柱状晶的形成和长大,细化焊缝组织,就可达到提 高焊缝韧性强度,还可免去焊后热处理工艺,从而缩短工期,降低成本,提高经济效益。从凝固理 论可知犤4犦:金属凝固时,单位体积中的晶粒数目主要决定于形核率和生长速度两个因素。因此 ,细化组织主要是控制形核率和生长速度。对于埋弧自动焊接,提高生长速度主要是通过增加过冷 度来实现的。机械振动焊接时,由于振动对熔池的搅拌作用,加速了熔池散热,提高焊缝金属凝固 时的冷却速度,从而提高了生长速度,有利于细化组织。而增加形核率是振动焊接细化晶粒的主要 方式。因为机械振动促进结晶过程中的液体运动,从而提高形核率,也就是所谓的动态晶粒细化犤 5犦。金属材料中的非金属夹杂物等第二相质点的存在对其脆性有重要影响,影响的程度与第二相 质点的大小、分布等有关。无论第二相分布于晶界上还是独立在基体中,当其尺寸增大时均使材料 的韧性下降,即夹杂物尺寸越大,冲击功越小。如能减少焊缝中夹杂物的数量及减小夹杂物的尺寸 ,将明显提高其冲击功。焊缝中的非金属夹杂物均在凝固时产生,且绝大部分是氧化物。在液态金 属中氧化物的均质形核率Ih为:Ih=Aexp(-△Gh*/KT)。(1)式中:△Gh* 为形成氧化物核心的活化能;K为Boltz-mann常数;A为预指数因子。而氧化物均质形 核的活化能为:△Gh*=16πσ3/3△Gv2。(2)式中:σ为夹杂物/液态金属的界面 能;△Gv为单位体积氧化物的自由能变化。△Gv=△G/Vm。(3)式中:Vm为氧化物的 摩尔体积。在焊缝金属中生成氧化物的一般反应为:x犤M犦+y犤O犦=MxOy。(4)由物 理化学可知其形成的自由能变化△G为ΔG=ΔG0+RTln(αMxOy/αxMαyO.( 5)式中:△G0为氧化物的标准形成自由能;αΜ和α0分别为参与脱氧反应的元素M和O的活 度;αMxOy为生成氧化物的活度;R为气体常数。振动焊接过程中,振动使熔池和熔渣发生强 烈的搅拌运动,熔渣不断地向熔池后部运动,“冲刷”熔池,把脱氧产物带到熔渣中去,因此振动 促进了脱氧反应的进行,使αxMαyO的乘积下降,也即△G增加,根据公式(1)、(2)、 (3)可以看出,最终使焊缝中氧化物的均质形核率Ih增加。氧化物形核后,将发生长大现象。 熔池金属施加机械振动后,加剧了熔池金属的对流,使较大的夹杂物碰撞吞噬较小的夹杂物形成大 的夹杂物的几率增加。由于夹杂物的密度远低于液态金属的密度,夹杂物倾向于向液态金属的表面 上浮而成为熔渣被去除。一定半径的夹杂物在均匀的液态介质中的上浮速度Ve由Stokes定 律可知为:Ve=2gr(ρM-ρΙ)/9ηM。(6)式中;ρM为液态金属的密度;ρI为 夹杂物的密度;r为夹杂物的半径;ηM为液态金属的粘度;g为重力加速度。显然,小的夹杂物 的上浮速度非常慢,将残留在焊缝金属中。而夹杂物的半径越大,上浮速度越快,残留于焊缝中的 机会就越小,同时机械振动对熔池的搅拌作用使焊缝金属的粘度系数ηM减小,也有利于大的夹杂 物的浮出。从上面的分析可以看出,机械振动一方面使氧化物夹杂的形核率增加,另一方面加剧了 较大的夹杂物吞噬较小的夹杂物而成为大的夹杂物浮到熔渣中去的几率。两方面综合作用的结果使 焊缝金属中大的夹杂物以及夹杂物的总数减少。此外,振动除了具有消除柱状晶、细化等轴晶、减 少夹杂物的数量和尺寸的效果外,还有利于减少偏析、排除气体,从而提高焊接接头金属的综合性 能,特别是接头金属的冲击功有较大幅度的提高。5结论机械振动焊接可提高焊缝及热影响区试样 的冲击功。试样冲击功提高百分率与频率、振幅(激振力)有关。在保证焊接过程的相对稳定的条 件下,选取合适的频率、振幅就能更好的提高冲击功,从而得到更好的焊缝质量。机械振动焊接对 焊接质量的影响@赵春花$太原第一机床厂!山西太原030012机械振动;;焊接;;冲击功 ;;焊接质量采用机械振动焊接与埋弧自动焊接钢板对比实验方法,通过冲击试验分析研究了机械 振动焊接对冲击功AK值的影响。结果表明,机械振动焊接可提高焊缝及热影响区试样的冲击功;试样冲击功AK值提高百分率与频率、振幅(激振力)有显著关系。1犦张德芬,等.机械振动焊接对残余应力的影响及机理分析.抚顺石油学院学报,2001,21(1):53～56.
2犦张国福,等.机械振动焊接对焊缝及热影响区金相组织的影响.焊接学报,201,22(3):85～87.
3犦束德林.金属力学性能.北京:机械工业出版社,1987.12,19,83～86,180～185.
4犦胡赓强,等.金属学.上海:上海科学技术出版社,1982.
5犦董占仁,等.用组织控制法提高电渣焊缝的冲击韧性.焊接,1999,(7):21～23. 性游锏陌刖?ηM为液态金属的粘度;g为重力加速度。显然,小的夹杂物的上浮速度非常慢, 将残留在焊缝金属中。而夹杂物的半径越大,上浮速度越快,残留于焊缝中的机会就越小,同时机 械振动对熔池的搅拌作用使焊缝金属的粘度系数ηM减小,也有利于大的夹杂物的浮出。从上面的 分析可以看出,机械振动一方面使氧化物夹杂的形核率增加,另一方面加剧了较大的夹杂物吞噬较 小的夹杂物而成为大的夹杂物浮到熔渣中去的几率。两方面综合作用的结果使焊缝金属中大的夹杂 物以及夹杂物的总数减少。此外,振动除了具有消除柱状晶、细化等轴晶、减少夹杂物的数量和尺 寸的效果外,还有利于减少偏析、排除气体,从而提高焊接接头金属的综合性能,特别是接头金属 的冲击功有较大幅度的提高。5结论机械振动焊接可提高焊缝及热影响区试样的冲击功。试样冲击 功提高百分率与频率、振幅(激振力)有关。在保证焊接过程的相对稳定的条件下,选取合适的频 率、振幅就能更好的提高冲击功,从而得到更好的焊缝质量。机械振动焊接对焊接质量的影响@赵 春花$太原第一机床厂!山西太原030012机械振动;;焊接;;冲击功;;焊接质量采用机 械振动焊接与埋弧自动焊接钢板对比实验方法,通过冲击试验分析研究了机械振动焊接对冲击功A K值的影响。结果表明,机械振动焊接可提高焊缝及热影响区试样的冲击功;试样冲击功AK值提 高百分率与频率、振幅(激振力)有显著关系。1犦张德芬,等.机械振动焊接对残余应力的影响及机理分析.抚顺石油学院学报,2001,21(1):53～56.
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5犦董占仁,等.用组织控制法提高电渣焊缝的冲击韧性.焊接,1999,(7):21～23.
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