控制铝合金焊接变形和残余应力的研究现状

铝是地壳中分布广泛的一种元素,其蕴藏量(7.5%)比铁(4.2%)、钛(0.6%)、铜(0.01%)大的多。铝及铝合金具有良好的耐蚀性,较高的比强度, 易加工成形和无磁性、无低温转变导电性及导热性好等优点,在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[2]。特别是近年来科学技术及工业经济的迅猛发展，对铝合金薄壁焊接构件的需求日益增多，亦使铝合金的焊接性研究日益深入。在铝合金的焊接性问题中，铝合金的焊接力学问题和铝合金的应用是相辅相成的，铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接力学问题正成为现今焊接技术研究的热点之一。

1、研究概况

　　在焊接过程中，焊接区经历一个复杂的不均匀快速加热和冷却过程，这必然引起焊接区发生不均衡的应力应变变化，这种不均衡的应力应变是导致焊后形成残余应力和变形的主要原因。为此，许多学者认为，通过调整薄壁结构的焊缝及近缝区热应力-应变循环，是达到控制焊接残余应力和变形（主要针对纵向收缩引起的纵向挠曲）的有效方法。另外就是通过诸如焊缝滚压、焊后机械拉伸、机械振动、焊后锤击焊道等方法造成能抵消或部分抵消压缩塑性变形的延伸塑性变形，达到控制焊后残余应力和变形的目的。 　

2、 控制应力和变形的方法

2.1机械矫正法

　　机械拉伸法一般在专用的拉伸机上进行矫正，机械拉伸法消除应力变形的原理为，通过一次加载拉伸，拉应力区在外载的作用下产生了拉伸塑性变形，它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，内应力也就消除的越彻*。机械拉伸法对一些焊接容器的消除内应力特别有意义。

2.2滚压法消除应力和变形

　　文献指出：用适当的压力滚压焊缝或近缝区，将“造成与焊接压缩塑性完全相等而方向相反的延伸塑性变形，这样在薄板构件上就可以达到既消除应力又消除变形的目的”。文献指出：“在窄轮压力作用下，焊缝区产生相应延伸塑性变形，用以补偿焊后残余的压缩塑性变形（即不协调应变量）。” 　　其实质为在碾压力的作用下，碾压轮下金属在平面内产生延展变形，而使两碾压轮之间的焊缝和HAZ金属受到横向变形。同时，焊接时存在的横向温度剃度可大大加强这种横向挤压作用，焊缝两侧碾压所产生的金属横向流动几乎全部指向温度较高的焊缝金属一侧，从而使焊缝金属中产生了较大的横向压缩应变，这种横向压缩应变的存在有利于降低板内的残余应力水平，从而达到控制焊接变形的目的。刘伟平、田锡唐等人对采用碾压法改善焊缝接头性能方面做了大量研究，对该项技术的推广有重要意义。但是采用碾压来消除焊接变形时，需要体积庞大的碾压设备，操作复杂，实施时受焊缝形式的影响较大。

2.3振动消除残余应力

　　文献研究表明：其原理为在正常焊接过程中给焊接施加周期性的外力，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。振动消除应力在实际中通常用于降低残余应力以确定后续机械加工中构件尺寸与形状的稳定性。处理时，将焊后已冷却下来（有时仍热）的构件置于振荡台上，或借助附着式振荡器，以接近于构件固有频率的较高频率（10～100cps）作5～20分钟的低幅振荡，并用振动器的功率消耗量来测定构件阻尼的下降。其机理可解释为在机械振动焊接时，由于振动能量的输人，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，所以振动有利于熔池散热，使焊件绕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，从而可以达到降低振动焊接降低残余应力目的。目前，国内采用振动法对焊缝的疲劳寿命影响、振动焊接在控制变形方面的作用、振动焊接对焊接残余应力的影响等。经过这些年来对振动焊接的研究，使人们认识到该项新型技术不仅能够降低焊接残余应力，而且能够大大改善焊接质量，提高焊缝的机械性能，同时，焊接过程控制焊接变形比焊前预防和焊后矫正较有相当积*的意义，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，从而大大缩短了生产周期，降低了生产成本。