鋼摩擦疊焊焊點(diǎn)分布規(guī)律范文

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《焊接雜志》2016年第二期

摘要

摩擦疊焊是一種新型的水下修復(fù)方法。在單排孔DH36鋼干式摩擦疊焊工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在塞孔底部容易出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，針對(duì)這一問題進(jìn)行了分析，建立鉆頭受力模型，發(fā)現(xiàn)鉆孔時(shí)鉆頭所處不同區(qū)域的硬度變化造成了鉆孔的偏斜，從而影響焊接質(zhì)量，進(jìn)而提出了相應(yīng)的解決方案，對(duì)摩擦疊焊中焊點(diǎn)分布及焊接次序進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞:

焊點(diǎn)分布；鉆頭受力模型；摩擦疊焊；DH36鋼

摩擦疊焊是一種新興的水下結(jié)構(gòu)物修復(fù)方式，由于摩擦疊焊是摩擦焊的一種，無電弧存在，且受熱相對(duì)較小(變形也小)，且不受水深的影響，因此備受關(guān)注。

1鉆孔問題分析

DH36為常見的海洋結(jié)構(gòu)用鋼，其化學(xué)成分和供貨狀態(tài)按GB/T712—2000《船體結(jié)構(gòu)用鋼》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。該鋼材強(qiáng)度高、低溫韌性好而且具有一定的抗腐蝕性以及碳當(dāng)量低、良好的焊接和加工成形等性能。文中采用的DH36鋼板化學(xué)成分見表1，DH36的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表2。在DH36鋼摩擦疊焊縫焊研究過程中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊縫側(cè)壁未熔合的現(xiàn)象，如圖1所示。焊縫側(cè)壁未熔合缺陷將影響整體焊縫質(zhì)量，甚至造成焊接結(jié)構(gòu)件的破壞，因此研究其產(chǎn)生原因是非常有必要的。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合線稍有偏斜，初步推斷前期的鉆孔偏移，導(dǎo)致焊縫成形質(zhì)量差，影響塑性金屬的流動(dòng)性，從而導(dǎo)致了側(cè)壁的未熔合現(xiàn)象。因此，研究焊接過程中鉆孔工藝及其對(duì)焊縫成形質(zhì)量有著重要的作用。文中將針對(duì)摩擦疊焊鉆孔出現(xiàn)偏差的原因進(jìn)行分析。DH36鋼摩擦疊焊的中心溫度在1100℃左右，焊接結(jié)束后焊孔邊緣地區(qū)會(huì)由于水的淬火作用形成高強(qiáng)度高硬度的馬氏體組織，其硬度很大，其分布如圖2所示。第一個(gè)孔成形時(shí)，由于是直接在母材上進(jìn)行，因此與普通鉆孔無異，但是當(dāng)鉆下一個(gè)孔時(shí)，則與第一個(gè)焊點(diǎn)有交集，從而影響鉆孔過程。下面將對(duì)這種情況下的鉆孔受力進(jìn)行分析，并建立模型。

1．1鉆頭受力分析及模型鉆削時(shí)，鉆頭主要受到橫刃上的切削力、主切削刃上的切削力、刀具四周與內(nèi)孔的摩擦力和切削排除時(shí)造成的摩擦力。文中忽略后兩個(gè)力，僅分析橫刃上的切削力、主切削刃上的切削力。如果鉆頭兩側(cè)的切削抵抗比不同，且有切削抵抗比分界線距離鉆頭軸線的最小距離為d2(此處不考慮鉆頭的前進(jìn)端和退出端受力不均勻)。鉆頭的前進(jìn)端和退出端受力不均勻也會(huì)在一定程度上產(chǎn)生偏移，其力的方向與摩擦疊焊焊縫方向呈一定角度，但是其數(shù)值遠(yuǎn)小于切削抵抗比不同產(chǎn)生的偏移，幾乎可以忽略不計(jì)。

1．2摩擦疊焊鉆孔偏斜問題分析摩擦疊焊焊前需要鉆孔，新孔如果在母材上直接進(jìn)行加工，則符合模型式(4)，鉆頭不會(huì)發(fā)生撓曲，鉆出的孔也不會(huì)偏斜。但是如果新孔與焊點(diǎn)存在交集時(shí)，則存在上述模型式(5)中的問題，且更加復(fù)雜。焊點(diǎn)上的硬度分布不均(即ks1是變化的)，且大于母材的硬度，造成鉆頭兩側(cè)的受力不對(duì)稱，且ΔFRmax的計(jì)算困難。由模型式(6)可見，當(dāng)材料兩邊硬度不相同時(shí)，切削刃接觸到高硬度高強(qiáng)度材料時(shí)，徑向分力的變化主要來自硬度變化引起的切削抵抗比ks1的變化，進(jìn)給速度f的變化和新孔與焊點(diǎn)交集大小的變化，即(d－d2)/2的大小變化。在鉆頭進(jìn)入硬度不均勻區(qū)域工件初期，其平面上的力主要來自不為0的徑向力，刀具的偏差如圖4所示。徑向力隨著(d－d2)/2之差而變化。如果在鉆孔初期有一個(gè)偏移量q0，隨著加工的繼續(xù)，在鉆頭端部有更大的偏移量q。硬度不均引起的鉆孔水平分力是導(dǎo)致孔心偏移，甚至導(dǎo)致刀具折損的主要原因。

2摩擦塞焊焊點(diǎn)分布規(guī)律研究

單排孔摩擦疊焊的焊點(diǎn)分布可分為2種，如圖5a和5c所示的順序分布和間隔分布。順序分布的焊點(diǎn)鉆孔時(shí)是如圖5b所示的交疊，前一焊點(diǎn)的高硬度必然帶來當(dāng)前塞孔的偏斜，因此在母材有一定硬度且焊后硬度明顯升高的情況下，不宜采用這種焊點(diǎn)分布方式。而間隔分布的焊點(diǎn)鉆孔時(shí)交疊情況如圖5d所示，兩邊受力均勻，鉆孔時(shí)不會(huì)出現(xiàn)偏斜情況，因此這種焊點(diǎn)分布方式有利于焊縫質(zhì)量的提高。

3結(jié)論

(1)與在均勻材料上鉆孔相比，硬度不均勻的材料鉆孔初期，有較大的水平分力，其構(gòu)成主要是徑向力。使刀具偏離中心的徑向力，主要與硬度引起的切削抵抗比變化，進(jìn)給速度的變化，新孔和高硬區(qū)域的交集大小以及鉆頭的形狀相關(guān)。(2)在單排孔DH36鋼摩擦疊焊中，間隔分布的焊點(diǎn)分布比順序排布時(shí)的焊接質(zhì)量好。

作者：許威 黃江中 宋國(guó)祥 張大偉 王志江 賀鈞 王東坡 單位：海洋石油工程股份有限公司 天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室