振動焊接作為一種在焊接過程中向構件輸入機械振動的工藝,具有熱處理和振動時效無法比擬的優勢。它利用振動與焊接熱過程的復合作用來提高焊接接頭的綜合質量,不僅能降低材料的殘余應力,而且能細化焊縫晶粒、優化接頭組織、提高材料的力學性能、顯著改善接頭品質,并且縮短生產周期、降低生產成本、低噪聲、無污染。
振動焊接是在焊接過程中對焊件施加周期性外力,使熔池處于穩定的振動狀態,從而達到細化晶粒、降低焊接殘余應力,優化接頭性能的焊接工藝。在焊接過程中施加一定振幅范圍內的輕微振動,勢必對焊接熔池有一定的影響 。
(1)對焊縫和熱影響區組織的影響
焊接時,選取合適的機械振動參數可使焊縫及熱影響區產生附加的新晶核,并使正在成長的樹枝晶及魏氏組織破碎,晶粒大小均勻,晶粒細化。
(2)對焊縫質量的影響
振動焊接時,熔池中的氣體和夾雜物更易于溢出焊縫表面,減少焊縫內部的缺陷,減小微裂紋源;加上振動有降低焊接殘余應力、細化晶粒的效應,有利于延緩裂紋萌生,提高焊縫質量。
(3)對殘余縱向應力σx(平行于焊縫方向)的影響
振動對殘余縱向應力的影響不顯著,應力水平與屈服應力相當,但對拉應力的分布寬度有一定影響。合適的振動可以減小拉應力的分布面積,減弱殘余應力對構件的不利影響。下圖為16Mn R鋼板在不同振動參數(振動頻率)下的殘余縱向應力對比試驗結果,可以看出振動焊接后拉應力的分布面積明顯縮小。
不同頻率下,振動對殘余應力的影響
(4)對殘余橫向應力σy(垂直于焊縫方向)的影響
殘余橫向應力一般垂直于平面狀焊接缺陷(如裂紋、未焊透)及熱影響區,故其不利作用要遠大于殘余縱向應力對結構承載能力的影響。一旦開裂,就可能形成平行于焊縫表面的長裂紋,甚至形成貫穿裂紋。振動對改善殘余橫向應力有明顯效果,合適的振動可以減小拉應力的平均值,統計平均下降水平為25 %,可明顯減小殘余應力對構件的不利影響。
(5)對焊接角變形的影響
焊接變形是焊接應力的外觀表征之一,振動可以減小焊接殘余應力,也必然減小焊接變形;統計24 mm厚鋼板的焊接角變形測量結果,得到:對接焊角變形由不振動的1.08°減小到0.38°,降低約64 %;搭接焊角變形由不振動的0.84°減小到0.34°,降低約59 %;T型接頭焊角變形由不振動的3~4°減小到0.06~2°,下降幅度大于50%。
(6)對焊接熱影響區疲勞壽命N的影響
振動可以明顯提高焊接熱影響區的疲勞壽命,平均幅度大于10%,最高可達35.5%。
(7)對裂紋擴展速率的影響
由于裂紋擴展速率與應力強度因子的平方成正比,振動降低了殘余應力,降低裂紋擴展的驅動力,也延緩了裂紋控制速度。另外,由于振動細化晶粒,增大了裂紋擴展的阻力,有效降低了非穩態裂紋擴展(pop-in)的幾率。