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振動焊接技術在大型焊接構(gòu)件中的應用

文檔作者：盧慶華陳立功倪純珍饒德林文檔來源：上海交通大學材料科學與工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月06日
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振動焊接技術在大型焊接構(gòu)件中的應用
盧慶華， 陳立功， 倪純珍， 饒德林
（上海交通大學材料科學與工程學院，上海!"""%"）
摘要：在高爐用鋼厚板電渣焊中應用振動調(diào)制工藝。接頭金相組織顯示，附加振動
后，焊接接頭晶粒細化明顯。研究三種振動加速度（"，%，# &amp;amp;’ (!）下焊接接頭的殘余應力
和側(cè)彎性能。焊接變形是) 型鋼焊接時存在的主要問題。采用埋弧振動焊接可明顯
減小) 型鋼的焊接變形。結(jié)果表明，合理的振動調(diào)制工藝可以有效地減小殘余應力并
改善焊接接頭的綜合性能，控制變形，保證生產(chǎn)質(zhì)量。
關鍵詞：振動焊接；側(cè)彎；) 型鋼；焊接變形
中圖分類號：*+,,- 文獻標識碼：. 文章編號："!/% $ %#"0（!""1）"! $ "2! $ ", 盧慶華
" 序言
大型焊接結(jié)構(gòu)制造的共同問題［3，!］是，大熱輸
入焊接造成晶粒粗大，以及焊接變形和殘余應力的
必然存在將明顯影響產(chǎn)品的質(zhì)量，傳統(tǒng)的方法是熱
時效工藝；但在實際工程中，當結(jié)構(gòu)過大導致工藝投
資與能耗過大，或由于結(jié)構(gòu)復雜使熱時效工藝難以
實施，或由于異種材料構(gòu)造對工藝溫度有限制時，傳
統(tǒng)的熱時效工藝將受到限制。
振動焊接（456789:7; <=>? @:A?595:A5AB，CDE）是一
種優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)品質(zhì)的新工藝［%，,］，它是在焊接過
程中施加機械振動外場，利用焊接熱場及應用振動
動應力在金屬凝固— 結(jié)晶過程細化晶粒和減小凝
固過程應力，使焊接接頭的質(zhì)量明顯優(yōu)化［/ $ 1］。
試驗中，將振動焊接技術分別應用于高爐厚板
立縫電渣焊及) 型鋼埋弧焊［-］中，研究機械振動對
接頭性能的影響，探索不同振動加速度下接頭性能
變化規(guī)律，并研究振動焊接對焊接變形的影響。
3 振動焊接在高爐用鋼厚板電渣焊中
的應用
! F! 試驗材料及方法
試驗用板材為GG/"%，長度3 """ &amp;amp;&amp;amp;，寬度
/"" &amp;amp;&amp;amp;，厚度2" &amp;amp;&amp;amp;；焊絲為)"-HAH:.，!% F " &amp;amp;&amp;amp;。
兩塊平板通過電渣焊連接。將工件分為上、下兩部
分，分別采用不同的振幅予以振動。從工件底部至
工件長度的一半位置，控制振動加速度為% &amp;amp;’ (!；從
工件長度的一半位置至工件頂端，控制振動加速度
為# &amp;amp;’ (!。
! F" 試驗結(jié)果
3 F! F3 金相分析
對振動加速度分別為"，%，# &amp;amp;’ (! 三種工況的
焊接接頭的金相組織進行分析。圖3 示出了三種振
動加速度下焊縫的金相組織。顯然，隨振動幅度的
加大，接頭金屬的細化程度也加大，且作用明顯。
3 F! F! 焊接殘余應力
焊接完畢待冷卻后，運用盲孔法測試焊接殘余
應力，結(jié)果如表3 所示。由表3 可見，總體殘余應力
水平不高，且% &amp;amp;’ (! 加速度下的焊接殘余應力值明
顯低于# &amp;amp;’ (! 的工況，這是因為% &amp;amp;’ (! 加速度時經(jīng)
歷的振動時間較# &amp;amp;’ (! 的長。焊后最大殘余應力
隨著振動輸入能量的增大而減小，這說明振動調(diào)制
焊接完后繼續(xù)振動一段時間，以增加振動輸入的能
量，對減小殘余應力有利。
表! 振動焊接殘余應力測試結(jié)果
#$%&amp;amp;’ ! (’)*&amp;amp;+) ,- .’)/0*$&amp;amp; )+.’)) /1 234
振動加
速度度
!（" &amp;amp;·($!）
最大
主殘余應力
#7&amp;amp;8I ’ HJ8
最小
主殘余應力
#7&amp;amp;5A ’ HJ8
剪應力
"’ HJ8
縱向
殘余應力
#7 $ " HJ8
橫向
殘余應力
#7 % " HJ8
% 3#- 3"2 /2 3#" 33-
# !%# 3/! -, !%3 3/1
第! - 卷第! 期
! " " 1 年! 月
焊接學報
*K.LM.E*NOLM OP *)Q E)NL. DQRSNL+ NLM*N*T*NOL
C:> F ! - L: F !
P=67U87; ! " " 1
圖! 不同振動加速度下的焊縫組織
"#$%! &amp;amp;’() *#+,-./,0+/0,’ #1 )#22’,’1/ 3#4,5/-,6 5++’(’,5/#-1
+-1)#/#-1.
! "# "$ !%&amp;amp;’ 側(cè)彎試驗
側(cè)彎性能是高爐鋼電渣焊焊縫的重要指標之
一，提高側(cè)彎合格率是采用附加振動工藝的重要原
因。對振動加速度為&amp;amp;，$，( )* +# 三種工況下的焊
接接頭進行!%&amp;amp;’ 側(cè)彎試驗，試樣受拉面為焊縫縱剖
面，試樣取樣及尺寸按國家標準,- #(.$ !/%/ 進
行，試驗結(jié)果如表# 所示，可見振動焊接工藝可以改
善側(cè)彎性能。其中，在振動加速度為( )* +# 時，側(cè)
彎合格率為!&amp;amp;&amp;amp;0。
# 振動焊接在1 型鋼埋弧焊中的應用
各種1 型鋼因其強度高、質(zhì)量輕、耐用性好及
易于改造等優(yōu)點在框架結(jié)構(gòu)中被越來越廣泛采用。
1 型鋼焊接后，容易發(fā)生焊接變形，主要有縱向收縮
表7 三種工況的側(cè)彎試驗結(jié)果
（開裂數(shù)* 試樣總數(shù)）
854(’ 7 9’.0(/. -2 .#)’ 4’1) /’./ #1 )#22’,’1/ 3#4,5/-,6 5++’(:
’,5/#-1 +-1)#/#-1.（+,5+;’) 10*4’, < /-/5( 10*4’,）
振動加速度 !（* )·+ 2 #）
&amp;amp; $ (
!%&amp;amp;’ 側(cè)彎$ * % # * % &amp;amp; * %
合格率!（0） .% " $ 3. !&amp;amp;&amp;amp;
變形、翼板的角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變
形［/］。
7 "! 振動焊接工藝
# "! "! 焊前準備
1 型鋼規(guī)格為1/&amp;amp;&amp;amp; )) 4 #&amp;amp;&amp;amp; )) 4 ( * % ))，長
( )，材質(zhì)為5#$.-。先在平臺上進行組立。組立好
的工件安放在工裝上，用焊條電弧焊點焊定位，通過
6 個托架實現(xiàn)對工件的穩(wěn)定支承，用斜契塊把底部
翼板墊平。
# "! "# 1 型鋼的振動焊接工藝
采用船形振動埋弧自動焊［!&amp;amp;］，裝配順序如圖#
所示。電弧電壓$# 7 $$ 8，焊接電流.&amp;amp;&amp;amp; 9，焊接速
度&amp;amp; "(&amp;amp; )* ):;；焊絲為"6 )) 的1&amp;amp;%9，焊劑1<6$!。
激振器固定在工件頂部翼板中央，偏心旋轉(zhuǎn)面與腹
板平行。每焊一道焊縫，工件翻身一次，并更換一次
激振器的位置，但激振器與當前焊縫始終保持如
圖$ 所示的相對位置。焊接前，兩端頭均要增加引
弧板，焊接時用斜契塊把底部翼板壓緊。
圖7 焊接順序
"#$%7 &amp;amp;’()#1$ .’=0’1+’
# "! "$ 非振動焊接工藝
1 型鋼規(guī)格、焊接方法、焊接材料及焊接電流、
焊接速度、電弧電壓等焊接工藝同1 型鋼振動焊接
工藝，但不施加振動。
第# 期盧慶華，等：振動焊接技術在大型焊接構(gòu)件中的應用/$
圖! 激振器與焊縫的相對位置
"#$%! &amp;amp;’()*#+’ ,-.#*#-/ -0 +#12)*#-/ ’34#*’2 )/5 6’(5
7 !7 試驗工藝數(shù)據(jù)與結(jié)果分析
通過測量" # 長腹板各處的波浪變形，得到了
腹板上波浪變形最大的$ 個值，如圖$ 所示。
圖8 兩種埋弧焊工藝下的波浪變形比較
"#$%8 9-:,)2#.-/ -0 6)+’ *2)/.0-2:)*#-/ #/ *6- ;#/5. -0 <=>
從測量結(jié)果看，采用振動埋弧焊接工藝，測量得
% 型鋼腹板波浪變形的最大值為&amp;amp;" ##，波浪變形
最大$ 個點的平均值是&amp;amp;&amp;amp; ! ’ ##；不采用附加振動
的常規(guī)埋弧焊接工藝，腹板波浪變形的最大值為
(( ##，波浪變形最大$ 個點的平均值是&amp;amp;) ! ’ ##，
顯然，振動焊接工藝下，焊后波浪變形減小。
焊接變形的產(chǎn)生與焊接過程不均勻加熱有關，
機械振動加劇了焊縫熔池金屬的運動，加速了焊接
過程的熱傳導，使焊縫及熱影響區(qū)金屬的溫度分布
比不加振動時更均勻，接頭金屬的不均勻塑性變形
減小，導致焊接殘余應力和焊接變形減小；另外，振
動焊接工藝由于對接頭晶粒的細化，也減小了金屬
凝固過程的相變應力，這也對焊接變形的減小有影
響。
選取腹板中心軸上等距離* 個點，測量焊接前
后局部平面度。與非振動焊接工件的對比測量結(jié)果
如表’，圖* 所示。
表! 腹板局部平面度變化
?)1(’ ! @)2#)*#-/ -0 (-4)( 0()*/’.. #/ 6’1 ,()*’
測點序號振動焊接!"&amp;amp; + ## 非振動焊接!", + ##
&amp;amp; &amp;amp;( ’
( ) &amp;amp;(
’ - ((
$ &amp;amp;- (&amp;amp;
* &amp;amp;" ((
圖A 振動焊接與非振動焊接的變形比較
"#$%A 9-:,)2#.-/ -0 *2)/.0-2:)*#-/ #/ @>9 )/5 /-2B
:)( 6’(5#/$
從焊后變形對比曲線（圖*）可以看出，采用振
動焊接后結(jié)構(gòu)的總體變形明顯減小。根據(jù)變形優(yōu)化
率# 公式
# $
!", % !"&amp;amp;
!",
&amp;amp; &amp;amp;,,’ ，
式中：!"&amp;amp;
為振動焊接條件下腹板局部平面度變化
量；!",
為非振動焊接條件下腹板局部平面度變化
量。計算結(jié)果為總平均優(yōu)化率達(&amp;amp; (’’ 。
’ 結(jié)論
（&amp;amp;）對高爐鋼..*,’ 電渣焊的試驗表明，振動
電渣焊工藝可以有效細化焊縫和熱影響區(qū)粗晶區(qū)的
晶粒，常規(guī)電渣焊接頭側(cè)彎合格率只有(*/，而振
動電渣焊接頭側(cè)彎合格率達到&amp;amp;,,/；且" #+ 0( 的
振動加速度比’ #+ 0( 的振動加速度在提高振動電
渣焊接頭綜合性能上顯示出明顯優(yōu)勢。
（(）對1(’*. 材料% 型鋼的振動埋弧焊試驗
表明，振動埋弧焊工藝減小了焊后型鋼的波浪變形，
腹板的波浪變形控制在常規(guī)埋弧焊工藝的一半左
右，型鋼的焊接質(zhì)量得到提高。［下轉(zhuǎn)第CD 頁］
)$ 焊接學報第(- 卷
當發(fā)生應變時，長條狀的! " 組元與基體之間的
界面上容易產(chǎn)生微空洞和微裂紋，成為局部脆性區(qū)，
并且長條狀的! " 組元本身又不具有較大的塑性
變形能力，會在裂紋長大的后期斷開，造成解理斷裂
而降低韌性［#］，因此!$%&amp;amp;
為$ ’ 和() ’ 時沖擊吸收功
偏低；當!$%&amp;amp;
為*) ’ 時! " 組元的條片逐漸變短，
分布均勻，大多失去了方向性，這樣的顯微組織具有
相對較高的韌性；當!$%&amp;amp;
繼續(xù)增大時，韌性顯著下降，
其原因是! " 組元尺寸增大使! " 組元與鐵素
體基體的界面減少，導致裂紋的容易傳播，! " 組
元總量和尺寸的增大（體積分數(shù)大于*+，平均尺寸
約為( ,&amp;amp;!-），塑性的! 相在變形時的滑移自由程
減少，導致韌性降低。綜上所述，當! " 組元的尺
寸在.!-，!$%&amp;amp; / *) ’ 時微鈣鋼沖擊韌度較好。
表! " # 組元體積分數(shù)和平均尺寸
$%&amp;amp;’( ! )*’+,( -.%/01*2 %23 ,(%2 415( *- " #
/*24010+(204
冷卻時間
!$%&amp;amp; %’
! " 組元的
體積分數(shù)（+）
! " 組元的
平均尺寸"%!-
$ ) , *# 0 .
() ( , . 0 .
*) ( , 1. .
$) * , (2 ( , &amp;amp;
3 結(jié)論
（.）經(jīng)過中等冷卻速度的焊接熱循環(huán)后，微鈣鋼
焊接粗晶熱影響區(qū)中存在一定數(shù)量的粒狀貝氏體。
（(）用456578 試劑腐蝕法制備的微鈣鋼試樣，
能夠在光學顯微鏡下清晰看到粒狀貝氏體中的!
" 組元。
（3）冷卻速度對粒狀貝氏體中! " 組元的形
態(tài)和分布有顯著的影響。!$%&amp;amp; / $ ’ 時，! " 組元尺
寸較小，且主要以長條狀存在，并具有顯著的方向
性；!$%&amp;amp; / () ’ 和!$%&amp;amp; / *) ’ 時，! " 組元數(shù)量增加，
尺寸變大，其形狀除長條狀以外，還有一定量的顆粒
狀，大多失去方向性；!$%&amp;amp; / $) ’ 時! " 組元的數(shù)量
減少，所占體積分數(shù)增加，尺寸較大，形狀以顆粒狀
為主，均勻分布。
（*）隨著!$%&amp;amp;
的增加，9:;"< 沖擊吸收功先增加
然后下降。!$%&amp;amp; / *) ’ 時，在各個溫度下的吸收功均
達到最高。
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作者簡介：盧慶華，女，.12$ 年出生，博士研究生。主要從事焊接
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6,%1’：8F7@78 U MF_?Y ’BCF , 5PF , LK
1$ 焊接學報第($ 卷

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