熔化焊和摩擦焊残余应力分布规律分析

苏文韬，姚 恺，方 圆，马春伟

（上海工程技术大学，上海 201620）

0 引言

试验结果表明，手工电弧焊在焊接区垂直焊接方向的残余应力最大值为387 MPa，在焊缝两侧为压应力，距离焊缝两侧12mm 处，压应力最大；平行焊接方向上的残余应力在中间位置为拉应力，在工件两边为压应力，靠近边缘压应力增大。针对低碳钢的摩擦焊研究，数值模拟结果表明，整个焊接过程中摩擦面靠近工件内圆处轴向压应力更大，焊接大部分时间内摩擦面上温度分布均匀。对工艺参数研究发现，摩擦面能量输入密度对焊接过程影响极大。在240MPa 摩擦压力，600rpm 转速，105J/mm2能量输入密度下得到的工件时效热处理后常温拉伸强度达到了1358MPa 高温拉伸强度达到了1144MPa。

随着材料、航空、宇航、核能工程和海洋开发等高科技产业的迅速发展，世界各国的产业结构正在发生质的变化，传统产业停滞不前或逐渐萎缩和改组，新兴产业正在迅速发展，有力地促进了现代固态焊接等新焊接方法的发展。以提高产品质量，降低产品成本，缩短研制生产周期，不断提升自身在国际分工中的地位为目的，摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能的固态焊接技术，越来越受到各国的重视，并已发展成为诸如高性能航空发动机转子之类的重要部件最可靠和最可信赖的标准焊接方法[1-4]。

摩擦焊接是一种压焊方法，它是在外力作用下利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的。在摩擦焊焊接过程中，工件摩擦其处于高温塑性状态，冷却后易产生残余应力，会降低构件的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗断裂能力、抵抗应力腐蚀开裂的能力。因此，对摩擦焊残余应力的研究是非常重要的[5-7]。

传统手工电弧焊焊接时，局部高温加热造成焊接温度场分布不均匀，在工件的内部产生了焊接残余应力和变形，焊接残余应力是导致脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的原因，有资料表明，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀应力。压缩的残余应力减小构件的稳定性。此外，焊接残余应力变形使结构的形状和尺寸精度难以满足技术要求，直接影响结构制造的质量和性能。

本研究通过试验方法，分别测量手工电弧焊和摩擦焊接4mm 金属板时的残余应力，对比分析二者在横向和纵向残余应力的分布大小及变形规律，为工程实践提供试验数据，用于控制和调整焊接变形。

1 电弧焊与摩擦焊试验材料及方法

1.1 实验材料

试验所选用的母材是GH4169，该材料化学成分组成见表1。

表1 GH4169 合金化学成分表（质量分数/%）

1.2 手工电弧焊实验

采用手工电弧焊对平板进行对接焊。单块钢板尺寸300mm×195mm×4mm，坡口为I 形，装配时在起弧和收弧处分别焊接固定块，焊缝底部焊接引弧板，采用辅助板固定焊接板的两侧，避免焊接过程中过度弯曲变形。采用与母材性能匹配的焊条和焊丝。手工电弧焊机型号为KEMPPI（MLS3500）。手工电弧焊的电弧电压为28V，焊接电流100A，焊接速度0.43cm/s,焊缝热输入6.462kJ/cm。

1.3 摩擦焊的实验

采用赛福斯特摩擦焊设备，选取300mm×195 mm×4mm 的低碳钢板（图1），采用锥形带螺纹搅拌头，搅拌针长度7.5mm，轴肩直径20mm，在不同焊接参数下进行焊接试验，如图2 所示。采用不同的焊接参数，探讨不同的焊接效果。

图1 焊件

图2 摩擦焊实验图

2 残余应力的测量

残余应力的测量方法可分为物理方法和机械方法。物理方法包括x 射线法和超声波法等,其优点是不会对构件产生破坏而机械测试方法如钻孔法(盲孔法),简洁明确,但会对构件造成破坏性损伤焊接残余应力测试点，本次实验采用盲孔法，因为盲孔法是一种成熟且精确度高的测试应力的方法，目前已经普遍应用在工程领域，用于测量各种焊接结构，为焊接结构的设计提供可靠的试验数据。其优点是破坏性小，测量的数据精度和灵敏度高。因此本试验采用盲孔法测量焊接残余应力（图3）。采用郑州机械研究所生产的YC-Ⅲ型应力测量仪（TJ120-1.5-准1.5）。

图3 盲孔法测量图

测量手工电弧焊对接残余应力的分布曲线，测量路径（图4）。在垂直于焊缝中心的位置粘贴应变片，应变片之间距离为15mm，记为路径一；在平行于焊缝方向，距离焊缝9.4mm 位置处粘贴应变片，应变片之间的距离为17.2mm。应变片之间的距离按照设备技术要求选择钻孔测量。处理路径一数据时，在焊缝左边板宽记为负值，右边记为正值；路径二处理时，从下往上沿宽度方向依次记为0～300mm。

图4 盲孔法测量路径图

在应力场中钻小孔，应力的平衡被破坏，钻孔引起应力的释放，通过粘贴的应变片连接到测量仪上，测量出释放的应变。盲孔法测量残余应力的原理是采用特制的箔式应变花粘贴在被测工件的表面，应变花和参考轴方向，在应变花的中心钻一个小孔。通常孔径为1.5～3.0mm，孔深为1.5～3mm，本试验孔径为1.5mm，孔深为2.0mm。通过公式可以算出孔深范围内平均残余应力大小和方向。

3 实验结果及比较

3.1 手工电弧焊残余应力分布规律

手工电弧焊采用电弧加热，将工件局部加热到融化状态形成熔池，填充焊接金属，端部在电弧的加热作用下不断被融化，形成熔滴过渡到熔池，随着电弧的移动，熔池金属的逐步冷却结晶，形成焊缝。由于不均匀的温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，局部发生塑性变形，温度恢复原始的均匀状态后，就会产生新的内应力，即残余应力。焊接时，二者均产生焊接变形。手工电弧焊的热流密度小，热输入大。氩弧焊的焊接热流密度大，焊接热输入集中。本研究通过控制焊接热输入，采用相同的电流参数，试验选用4 mm 薄板，厚度方向上的残余应力很小，可忽略，简化为二维进行分析。用盲孔法测量试验数据，整理数据并绘制应力-位置分布图，对比分析二者的变形。如图5、6 所示。

图5 横向应力

图6 纵向应力

3.2 摩擦焊残余应力分布规律

采用不同的焊接参数，出现了以下不同的焊接效果。当搅拌头的转速低于500r/min，焊接速度在100mm/min 时，焊缝直观效果较好，无飞边与毛刺现象，如图7a 所示；当转速高于600r/min 时，热量输出较大，易产生毛刺，如图7b 所示；当焊接速度低于100mm/min 同时转速高于400r/min 时，有明显的飞边，如图7c 所示；当焊接速度过高或转速过低时，出现了搅拌头断裂现象，如图7d 所示。

图7 摩擦焊效果图

出现以上现象是因为转速直接影响热输出量，也就是直接影响让材料进入塑性状态的能力，而焊接速度直接影响搅拌头行进过程中的阻力以及热输出量传递的速度。当转速过高且焊接速度较低时，与搅拌头接触部位会迅速软化进入塑性状态，而过高的转速导致搅拌头对焊接材料的摩擦力过大，因而易出现表面毛刺现象，而较低的焊接速度导致搅拌头长时间在已进入塑性状态的材料内高速旋转，导致飞边出现;当转速过低或焊接速度过高时，一方面较低的转速带来较小的热输出量，导致材料无法吸收足够的热量进入塑性状态，搅拌头承受过大的剪应力导致断裂;另一方面焊接速度过高时，材料没有足够的时间吸收热量以进入塑性状态，搅拌头受到过大的横向阻力，导致搅拌头断裂。

4 结论

手工电弧焊在焊接区垂直焊接方向的残余应力最大值为387MPa，在焊缝两侧为压应力，距离焊缝两侧12mm 处，压应力最大。平行焊接方向上的残余应力在中间位置为拉应力，在工件两边为压应力，靠近边缘压应力增大。

焊接参数即转速与焊速在一定范围内，才能获得质量良好的焊接接头。当旋转速度过低或焊 接速度过高，焊接能量较小，会导致热量不足，材料塑性流动不充分，造成搅拌头受到的阻力过大而出现断裂情况;当旋转速度过高或焊接速度过低时，热输入量过大，焊接区金属过热而导致焊缝成形不佳，甚至出现毛刺、飞边等现象；搅拌摩擦焊接头各方向残余应力均有双峰特征，且纵向残余应力S22 远大于其他2 个方向的。残余应力在焊缝区域表现为拉应力，且在焊缝边缘达到最大，在母材区域表现为压应力，母材区域残余压应力一般小于焊缝处残余拉应力;焊接速度提高时，焊缝处的残余应有所增大，但幅度较小。转速提高时，焊缝处的残余应力显著增大，且母材区域的残余应力也有所增大。对于8mm 厚2024铝合金板，控制焊接转速在200～600r/min，焊接速度在100～160mm/min 之间可获得较好的焊接效果。