（机械工程专业论文）火焰筒衬套组件焊接变形分析及控制.pdf

大连理工大学专业学位额士学位论文 摘要 环形薄壁焊接结构在生产实践中有着广泛的应用。现代飞搋、宇航飞行器、燃气轮 机的燃烧室部件，都是由薄板型材或冲压件经过不同焊接方法制造而成的。焊接过程中 产生的变形对这些部件甚至整体的质量都有重要的影响。因此，研究薄壁结构焊接过程 中的变形规律及其控制方法，t 对于提高产品质量，增强产品的市场竞争力，其有重要的 意义。 本文从焊接变形分析的角度出发，以镍基耐热合金( h a s t e l l o yx ) 、镍基耐热合金 ( n i m o n i c 2 6 3 ) 及钻基耐热含金( f s x 4 1 4 ) 材料组成的某机火焰筒衬套组件上对接、 角接、塞焊典型焊缝的焊接为例，对其焊接变形的特点以及控制措施进行了深入探讨。 环形结构焊接变形的控制难度要远远高于普通的平板对接焊缝，因此对这种结构的焊接 变形进行深入研究并提出相应的控制措施十分重要。 本文统计了在现行工艺下火焰筒衬套组件焊接变形的基本规律：内环与马鞍焊接产 生的横向收缩变形，使内环圆度变形可达l m m ：外环与耳片焊接产生纵向收缩变形， 使耳片焊接处外环惫内塌陷0 8 m m ；角变形使耳片高度尺寸变形最大可达到1 6 m m 。这 些焊接变形严重超出零件的精度要求。 采用有限元分孝斤软件a n s y s 模拟火焰篱树套组件焊接过程，模拟了马鞍与内环焊 接过程的温度场及变形情况；模拟结果表明：径向的最大变形为0 4 9 4 m m ，而在其对应 的1 8 0 。处变形为0 7 5 6 m m 。通过理论计算在内环与马鞍焊接后径向最大的变形为 1 2 5 m m ，与实际焊屠测量结采相符合。 采用反变形及刚性固定法，有效地控制了焊接变形。通过使用焊接夹具，使内环圆 度变形由l m m 降到0 3 r a m ，焊接变形减小了0 7 r a m ：霉片焊接处外环向内塌陷从原来 的0 8 m m 降到0 2 m m ：使耳片高度尺寸变形从原来最大可达到1 6 m m 降到0 3 m m 。采 用酶多种综合控钢焊接变形方法有效地减小了焊接变形。 关键词：耐热合金；焊接变形；数值模拟；夹具设计 火焰筒树套组件焊接交形分析及控蠲 d i s t o r t i o na n a l y s i sa n dc o n t r o lf o rf l a m e t u b es l e e v ea s s e m b l yw e l d i n g a b s tr a c t a n n u l a rs h e e t - m e t a lw e l d i n gs t r u c t u r ei sw i d e l ya p p l i e di np r o d u c t i o np r a c t i c e 羽b f i r e b o xo fm o d e m p l a n e s 、s p a c e c r a f t sa n dg a st u r b i n e sa r em a d eo fs h e e t - m e t a lp r o f i l e so r p u n c h e dp a r t si nd i f f e r e n tw e l d i n gw a y s n l ed i s t o r t i o nt a k e np l a c ei nw e l d i n ga f f e c t st h e s e c o m p o n e n t sa n dt h e i ri n t e g r a t eq u a l i t yg r e a t l y t h e r e f o r e ，s t u d yo fd i s t o r t i o nr u l e si n s h e e t - m e t a lw e l d i n ga n di t sc o n t r o lm e t h o d sa r ev e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y a n di n c r e a s ep r o d u c tm a r k e tc o m p e t i t i o n t 址sp a p e r , f r o mt h ep o i n to fw e l d i n gd i s t o r t i o n , d e p i c t si nd e t a i lt h ew e l d i n gd i s t o r t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lp r e c a u t i o n sf o rt y p i c a lb u t tw e l d i n g 、f i l l e tw e l d i n ga n dp l u g w e l d i n go ff i a m e - t u b es l e e v ea s s e m b l ym a d eo fn i c k e lr e s i s t a n t - a i l o yh a s 琵l 己o yxa n d n i m o n i c2 6 3a sw e l la sc o b a l th e a t r e s i s t a n ta l l o yf s x - 414 c o n t r o lo fa n n u l a rs t r u c t u r e w e l d i n gi sm u c hm o r ed i f f i c u l tt h a nb u t tw e l d i n go fc o r n l n o ns h e e t - m e t a ls ot h a ti ti sq u i t e i m p o r t a n tt od e e p l ys t u d yt h ew e l d i n gd i s t o r t i o no ft h es t r u c t u r em e n t i o n e da b o v ea n df r e di t s c o n t r o lm e a s u r e s 髓eb a s i cd i s t o r t i o nr o l e so ft h ef l a m e - t u b es l e e v ea s s e m b l yp r o d u c e dw i t ht h ee x i s t i n g w e l d i n gp r o c e s sa r ea sf o l l o w s ：t h er a d i a ls h r i n k a g ef o r m e di nt h ew e l d i n go fi n n e rr i n ga n d s a d d l e - s u p p o r tp i e c em a k e st h ei n n e rr i n gr o u n d n e s sd e f o r mu pt olm m ；t h el o n g i t u d i n a l s h r i n k a g ef o r m e di nt h eo u t e rr i n ga n dl u gw e l d i n gm a k e st h ew e l d e da r e ad e f o r mt o w a r d s i n s i d eb y0 8m m ；t h ef i l l e td i s t o r t i o nm a k e st h el u gh e i g h td e f o r mu pt 01 6m m t h e s e s e r i o u sw e l d i n gd e f o r m a t i o n sa r eb e y o n dt h er e q u i r e m e n t so f p r e c i s i o np a r t s 髓ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si su t i l i z e dt os i m u l a t et h ef l a m e - t u b es l e e v e a s s e m b l yw e l d i n gp r o c e s ss u c ha si t st e m p e r a t u r ef i e l da n dd e f o r m i n gc o n d i t i o n si nw e l d i n g o ft h es a d d l e s u p p o r tp i e c ea n dt h ei n n e rr i n g 。t h er e s u l ts h o w st h a tt h em a x i m u mr a d i a l d i s t o r t i o ni s0 4 9 4n l ma n dt h e d i s t o r t i o na ti t so p p o s i t el8 0 0i s0 7 5 6m i l l t l l r o u g h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , t h em a x i m u mr a d i a ld i s t o r t i o na f t e rw e l d i n gt h es a d d l e s u p p o r tp i e c e a n dt h ei n n e rr i n gi s1 2 5r a m , w h i c hi st h es a m e 诵镪t h ea c t u a lm e a s u r e dr e s u l t 。 t l l ee x p e r i m e n t sp r o v e st h a tt h ep r e d i s t o r t i o na n dr i g i df i x i n gm e t h o d su s e dc a n e f f e c t i v e l yc o n t r o lt h ew e l d i n gd i s t o r t i o n 。羽ki n n e rr i n gr o u n d n e s sd i s t o r t i o ni sr e d u c e df r o m ln m lt o0 3r n mw i t ht h ea i do fw e l d i n gf i x t u r e ；t h eo u t e rr i n gd i s t o r t i o nt o w a r d si n s i d ea tt h e l u gw e l d e da r e ai sl o w e r e df r o m0 8 l l nt o0 2m na n dt h ed i m e n s i o n a ld i s t o r t i o no fl u g 一王至一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 h e i g h ti sc u td o w nf r o m1 6 1 1 1 1 1t o0 3 m m t h em u l t i p l ew e l d i n gc o n t r o lm e t h o d sa d o p t e d c a l ld e c r e a s et h ew e l d i n gd i s t o r t i o no b v i o u s l y k e yw o r d s ：h e a t 。r e s i s t a n ta l l o y ；w e l d i n gd i s t o r t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f i x t u r ed e s i g n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他己申请 学位或其德用途使用过的成果。与我一同王作的麓志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：塞焰笪挝銮塑往龌接变爱金盘理整剑 作者签名_遭墨霉期：丝年月l 逸 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：鲨垦 导师签名： 型垦翌当 日期：2 = 呈年上月二一日 日期：绌年盥竺日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 课题来源及研究意义 在焊接结构的生产中，焊接变形误差不仅影响结构的尺寸精度和外观，而且有可能 降低结构的承载缝力。对于出现有害麴焊接变形，往往需要花费许多工时去矫正。霜比 较复杂的变形误差，矫正的工作量可能比焊接的工作量还要大。甚至有时变形误差太大， 造成疲品。此外，因为采用搬热的方法矫正焊接变形麴工艺往往还会弓| 起结构材料麴脆 化，造成低应力破坏。所以掌握焊接变形规律，在设计和加工中加以合理而严格地控制， 从丽避免焊后变形，是一种先进制造工艺，具有极其重要的理论与工程意义。 耐热合金因其优良的耐热、耐蚀及抗氧讫性能而在飞机、宇航飞行器、燃气轮机领 域等得到广泛应用。例如，镍基耐热合金( h a s t e l l o yx ) 、镍基耐热合金( n i m o n i c 2 6 3 ) 及锚基耐热舍金( f s x _ 4 1 4 ) 黾经广泛应雳子制造某机的燃烧室部件。但是这类合金在 使用过程中存在一个突出的问题：焊接变形较大，难以控制。 火焰篱树套组件是某机燃烧室中的重要部件，它壶三种不同成分的耐热高温合金材 料焊接而成，具体包括四个部分，分别为：内环，材料为n 2 6 3 马鞍，材料为h a s tx ； 外环，材料为：h a s tx ；耳片，材料为f s x - 4 1 4 。并且，该零件是个环状组焊结构， 在焊接结构上囊括了对接、角接、塞焊等各种焊缝，因此焊接状态十分复杂。并且该零 件尺寸精度要求严格，生产批量大。 在焊接加热过程中，焊缝及近缝区金属因热膨胀受到限制要发生塑性挤压，在隧后 的冷却过程中该部位因热收缩受到限制又要发生塑性拉伸。如果冷却阶段的拉伸塑性变 形不足以抵消加热阶段产生的挤压塑性变形，焊件中就会有残余压缩塑性应变保留下 来，从而导致工件焊后出现较大的残余变形。 焊接变形对产品的质量、制造成本、生产效率等有重要的影响。如：大的焊接变形 需要花费额外的入力物力进行焊接变形的矫正，降低了产品的生产效率，焉且有可缝降 低结构的承载能力，在一些场合甚至宣接导致产出废品。 本文对火焰篱衬套组件焊接工装夹具进行设计，在此基础上，通过对该零件的焊接 工艺和焊接变形的分析，采用了反变形、刚性固定法、合理的焊接工艺参数及强迫冷却 法，进行产品的焊接变形的控制。 火焰篱衬套缎l 孛焊接变形分析及控制 。2 焊接变形的特点和分类 ( 1 ) 焊接变形的特点 焊侔由于焊接丽产生的变形称焊接变形。焊接变形与焊律形状尺寸、材料的热物理 性能及加热条件等因素有关。如果是简单的金属杆件在自由状态下均匀的加热或冷却， 该杆件将按热胀冷缩的基本规律在长度上产生伸长或缩短的变形。焊接时惠于加热过程 不均匀，使得热源只集中在焊接部位。局部受热金属的膨胀能引起整个焊件发生平面内 或平面外的各种形态的变形。变形从焊接开始时便产生，并随焊接热源的移动和焊件上 温度分布的变化面变化。一般情况下一条焊缝在施焊处受热发生膨胀变形，后面开始在 凝固和冷却处发生收缩。膨胀和收缩在这条焊缝上不同部位分别产生，直至焊接结束并 冷至室湿，变形才停止。 ( 2 ) 焊接变形的分类 焊接过程中随时间丽变的变形称焊接瞬时变形，它对焊接施工过程产生影响。焊完 冷詹，焊件上残留下来的变形称焊接残余变形，它对结构质量和使用性能产生影响。 焊接残余变形直接影响结构件的使用性能，所以在没有特别说明情况下，一般所说 的焊接变形，多是指焊接残余变形。它镌与焊伴静形态、尺寸、焊缝在焊件上的位置、 焊缝坡口的几何形状等因素有关。 焊接变形可以区分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变 形。就残余变形而言，又可分为构件的面内变形和面外交形两种。因此焊接残余变形的 类别总结如下圈1 1 所示。 a ) 焊接缴向收缩妨横向收缩c ) 面内弯馥圈转变形固麓变形 冀 曰曰 大连理工大学专业学位硕士学位论文 e ) 弯曲变形 f ) 扭曲变形曲失稳翘曲变形 图1 1 焊接残余变形示意图【1 】 f i g 1 1 t h ed i a g r a mo fw e l d i n gr e s i d u a ld e f o r m a t i o n 1 2 1 瞬态变形与残余变形 图1 2 所示为在板条单侧边缘堆焊过程中测得的板条面内弯曲瞬态热变形曲线 a b c d 。如果热输入甚小，在加热过程均为弹性变形，冷却后则无残余应变，瞬态热变 形曲线为a b b c d 。在焊接热循环过程中产生且动态变化的变形称为瞬态变形。 冷却至室温后，图1 2 中f 为残余变形【2 】。同理，当两块板条拼焊在一起时，在自由状 态则会发生如图1 3 a ) 所示的热源前方坡口间隙张开，这是由于热源前方高温区材料膨 胀而引起的瞬态变形。除热源前方坡口处的纵向热膨胀外，热源后面的不均匀收缩也是 坡口对接处瞬态面内弯曲变形的原因：所以焊接开始时的弯曲变形方向与焊接结束时的 残余变形( 冷却至室温后) 方向相反。图1 3 b ) 所示为结构钢对接焊时坡口处的瞬态面 内弯曲变形，它受到热源后面相变的双重影响，在加热阶段( a c 3 和a c l 等温线之间) 的相变q y 伴随金属体积缩小；在这一部位冷却阶段的相变y a 转变( 阴影线示 出) ，伴随体积膨胀，在长焊缝起始阶段，使间隙闭合；而后，使坡口间隙趋向张开i j j 。 图1 2 瞬态变形图【2 】 f i g 1 2 t h ed i a g r a mo ft r a n s i e n td e f o r m a t i o n li 、魁瓣_ 薯妒 火焰筒利毒组| t _ 【焊接变形分折及控制 掺 澎t a )b ) 图13 教口曰隙难开与内弯曲变形示意图口1 f i g 】3 t h ed i a n a - a mo f g r o o v e w i t ho p e ns p a c ea n db e n d i n gd e f o r m a t i o n 122 焊缝纵向收缩变形 ( 1 ) 不协调应变 在圉14 中给出了焊缝附近产生小协调应变区的过程。在这一区域内的不协调戍变 ( 也称忉始应变、匿有应变，或通称塑性应变) 士要是由焊缝纵向收缩引起的”1 。 ( 2 ) 纵向收缩 图l4 焊缝犀的不协涧应变 f i g i4t h es t r a i no f s e a r nz o n e 大连理工大学专监学健硕士学位论文 细长构件如梁、柱等纵向焊缝所弓| 起的纵商收缩l 一方面取决于焊缝及两侧不协 调应变区的数值及其分布面积的积分，即单位收缩量；另方面取决于构件长度l 和截 面积f 吼 ( 3 ) 弯曲变形 若焊缝与构件横截面的中性轴线不重合时，焊缝纵向收缩还会弓| 起构件弯曲变形， 如图1 5 所示翻。 童 、 喇 燃 嚣 撼 蕊 角岸缝焊脚盖m m 图1 5 弯曲交形囝 f i g 1 5b e n d i n gd e f o r m a t i o n 1 2 3 焊缝横向收缩变形 对接焊缝的横向收缩变形，单道对接焊缝中的横向收缩变形主要是因热源附近高湿 区金属的热膨胀受到约束，产生了塑性应变。熔池凝固后，焊缝附近金属歼始降温而收 缩，这是焊缝横向收缩的主要组成部分；丽焊缝本身的收缩仅占横向收缩总量的1 0 左 右f 6 l 。如果横向焊缝在构件上分布不对称，则焊缝横向收缩也会弓l 起的弯曲变形。 火焰筒衬套组件焊接变形分析及控制 1 2 4 角变形 堆焊、搭接接头、对接接头和t 形接头都可能产生角变形。前面三种接头角变形的 根本原因是横向收缩在板厚度上的分布不均匀，带双面角焊缝接头的角变形还与最后焊 接的角焊缝有关。 ( 1 ) 堆焊和对接接头的角变形1 3 与板厚6 焊缝熔深h 的关系，见图1 6 所示 7 1 。 ( 2 ) t 形接头的角变形1 3 取决于角焊缝的焊角尺寸和厚度8 。 ( 3 ) 在结构件上的角变形在完成带筋壁板角焊缝时，若无外拘束，则由角变形积累 引起的壁板弯曲变形，若把筋条刚性固定，则壁板成波浪变形。 图1 6 角变形1 3 与板厚8 和焊透深度n 的关系【刀 f i g 1 6 t h er e l a t i o n s h i po fa n g l ed e f o r m a t i o n1 3a n dt h i c k n e s s6a n dd e p t ho fp e n e t r a t i o nh 1 2 5 压屈失稳变形 压屈失稳变形( 波浪变形) 不同于弯曲变形( 无论是焊缝纵向收缩引起的还是由横 向收缩或角变形引起的弯曲变形) ，这种变形的翘曲量一般均较大，而且同一构件的失 稳变形形态可以有两种以上的失稳形式。图1 7 给出零件上不同焊缝形成的压屈失稳变 形【5 1 0 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 + 一蕞嘴；文：雌、7 一 b ) 图王。7 送屈失稳变形【5 】 f i g 1 7 t h ep r e s s u r ei m t a b i l i t yd e f o r m a t i o n 在同一焊接工艺条件下，板件的几何尺寸( 宽长比b l 和厚度鑫) 决定着艋界失稳 压应力的大小。带有筋条和刚性框架的焊接薄板结构，失稳变形的挠度和工艺方法有关。 如图1 7 d ) 给出平板中心焊接安装座圆焊缝，焊爝的典型失稳正弦波波浪变形的波浪幅 值及波浪数量与焊缝直径及构件刚性和尺寸有关。在图1 7 b ) 中，角变形也会加剧波浪 形失稳变形。 1 2 6 影响焊接变形的因素 ( 1 ) 焊接方法：合适的焊接方法需要考虑生产效率和焊接质量。焊接方法、焊接工 艺和焊接程序显著影响焊接变形的水平。因此新采用的焊接方法必须具有高的熔敷效率 和尽量少的焊道。另外，还必须具有小的热输入。通常用于船体焊接的方法有单面埋弧 焊、双面埋孤焊、药芯焊丝电弧焊、惰性气体保护焊、活性气体保护焊等。从廿世纪8 9 年代开发成功并于9 0 年代应用于h y s 0 钢建造舰船的t i m e 焊接方法，其焊接变形的 控制非常理想，其变形量只是常规手工焊和埋弧焊的二分之一。该方法已经在加拿大、 美因、奥地利、日本等国家中使用，并已获得美国、日本的发明专利权。爵前薄板的激 光焊拼焊在汽车工业中得到大量应用，用于舰船的的激光焊试验研究目前在国外的某些 大型船厂已经开始，估计不久豹将来会得到实际的应用。钢桥的焊接连接逶常采用手工 弧焊、c 0 2 气体保护焊、埋弧囱动焊等焊接方法( 包括针对不同焊接接头形式选用的施 焊工艺参数) 。医这些焊接方法输入的热量不同，弓| 起的焊接残余变形量也不同。 ( 2 ) 接头形式：钢桥接头通常有对接接头、t 型接头、十字型接头、角接头、搭接 接头和拼装板接头。般采用对接焊缝的角焊缝，包括板厚、焊缝尺寸、坡口形式及其 根部间隙、熔透或不熔透等。即构成焊缝断面积及影响散热( 冷却速度) 的各项因素。 兹零 火焰筒衬套组件焊接变形分析及控制 ( 3 ) 焊接条件：预热和回火处理，以及环境温度等对钢材冷却时温度梯度的影响因 素。 ( 4 ) 焊接顺序及拘束条件：对于一个立体的结构，先焊的部件对后焊的部件将产生 不同程度的拘束，其焊接变形也不相同。为防止扭曲变形，应采用对称施焊顺序。 ( 5 ) 点固焊工艺对焊接变形的影响：点固焊不仅能保证焊接间隙而且具有一定的抗 变形能力。但是要考虑点固焊焊点的数量、尺寸以及焊点之间的距离。对于薄板的变形 来说，点固焊工艺有可能在焊接之前就产生相当的残余焊接应力，对随后的焊接残余应 力积累带来影响。点焊尺寸过小可能导致焊接过程中产生开裂使焊接间隙得不到保证， 如果过大可能导致焊道背面未熔透而影响接头的完整性。点固焊的顺序、焊点距离的合 理选择也相当重要，其影响结果在许多文献中都有描述。 1 3 焊接变形的控制与消除 从焊接结构设计开始，就应该考虑控制变形可能采取的措施；进入生产阶段，可采 取焊前的预防变形措施和在焊接过程中“积极 工艺措施；而在焊接完成后，只能选择 适用的“消极”矫正措施来减小已发生的残余变形。在设计阶段应遵循的原则有：( a ) 选 择焊接工艺好的结构形式；( b ) 设计合理的焊缝尺寸和形式；( c ) 合理安排焊缝布局和接 头位置，尽可能减少焊缝数量；( d ) 选用轧制型材、锻、铸件和钣金成形件，构成最佳 结构。在制造阶段工艺措施有：( a ) 焊前预防；( b ) 焊接过程中的控制；( c ) 焊后矫正。 1 4 焊接变形控制技术的国内外现状 焊接变形问题很早就引起了人们的重视。二十世纪四十年代，前苏联的奥凯尔勃洛 姆教授在他的著作中就对焊接变形与应力的起因和分类进行了研究，建立了确定焊接变 形和应力的理论方法，详细地分析了不同焊接条件和焊接规范对焊接变形和应力的影 响，提出了焊接变形和残余应力的影响因素及其控制方法，对金属结构焊接变形的有关 理论也进行了深入研究，并介绍了解决结构焊接变形问题的大量实践成果【5 - 7 】。 此后，前苏联科学家在焊接变形方面的研究一直处于世界前列，很多学者进行了广 泛深入的研究，出版了多种学术专著。如c - a 库兹米诺夫研究了船体结构不同形态的焊 接变形，对局部变形和总体变形的确定方法进行了分析，并且提出了控制船体结构焊接 变形的措施【8 】。随着制造业的发展，焊接技术在生产中得到越来越广泛的应用，对焊接 过程的研究也涉及到多种工程领域，世界各国的科学家们都做出了巨大的贡献。对焊接 变形采取了有效的控制方法。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 4 1预变形法 根据预测的焊接变形大小和方向，在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相 当、方向相反的预变形量( 反变形量) ，如图1 8 所示。焊后，焊接残余变形抵消了预 变形量，使构件回复到设计要求的几何型面和尺寸【1 1 。 亡= = 】e 3 a ) 焊后 焊前 b ) 焊后 图1 8 预变形措施【1 】 f i g 1 8 p r e - d i s t o r t i o ni l l e a s u r 铭 焊后 c ) 1 4 2 碾压法 碾压法很早就应用于焊接变形控制中，开始只是单纯的焊后冷碾压，由于碾压焊缝 的强化方法经常使得焊缝金属的塑性降低，为了提高焊缝金属的塑性就需改进碾压强化 工艺。c a k y p k 1 4h 等开发了a mr6 合金焊缝的预热碾压工艺f s 】。碾压后接头具有良 好的综合机械性能。随着预热温度升高，焊缝金属的硬度下降，而冷弯角增大。后来 c a k y p khh 等又发展了a m r6 合金的随焊碾压工艺。g f k o n c f a k o v 等研究了用两 个碾压轮进行联合碾压时对v 9 2 铝合金焊缝降低残余应力和提高接头机械性能的影响 【9 1 。s k o u 提出了随焊热碾压的方法【1 0 1 。由于焊缝区被加热到高温，可以用较低的力产 生所需的塑性变形。对于2 5 0 r a m x 3 5 0 r a m x 4 m m 的a mr6 试件对接焊试验结果表明， 焊缝温度为9 0 c 时用1 4 1 8k n 的碾压力几乎可以完全消除残余变形【l 。 在早期对碾压强化进行的研究认为，碾压位置也是碾压强化的一个重要参数【1 引。 1 4 3 预拉伸法 许多研究表明，在焊前和焊接过程中施加大于母材屈服强度5 0 的弹性拉伸，能够 降低焊件的残余应力，减小焊接变形【1 3 1 。在大型板材对接焊中经常有难以控制的焊接变 形产生，通过对板材两端进行沿焊缝方向的预拉伸可以显著的减少焊接变形和残余应 力。图1 9 是对铝合金对接接头施加不同程度的预拉伸装置【1 4 1 。乌克兰巴顿研究所的研 火焰篱衬套缀 譬焊接变形分析及控制 究者认为：预拉 孛法可以成功的应震子控制宽板焊接和窄板焊接的焊接变形，特别适用 于控制长薄板自动焊接时的焊接变形【嘲。当焊接平面结构为直线对接或为t 型接头时， 最好的方法是对焊件进行预拉伸，使其产生与焊缝区残余应力水平相当的初始应力。 图1 9 预拉伸的示意图【1 4 】 f i g 1 9 t h ed i a g r a mo fp r e - s t r e t c h 1 4 4 温差拉伸法 b u r a ky a 。认戈可以从数下两个焦度通过调整薄壁结梅的焊缝及近缝送热应力应变 循环达到控制焊接残余变形( 主要针对纵向收缩引起的纵向挠曲) 的目的【1 6 1 。首先是减小 加热阶段产生的纵向塑性压应变，其次是增大冷却阶段的纵向塑性拉应变。 随焊激冷法是动态温差拉伸法的代表。这种方法利用冷却剂在焊接时进行强制冷 却，增加近缝区母材的热损失，进而显著的影响薄壁结构的热应力循环。关桥等人研究 开发了薄壁构件低应力无变形( l s n d - - - l o ws t r e s sn o nd i s t o r t i o n ) 焊接方法瓣列。 前苏联学者研究了一种吸热胶用于在焊接过程中对焊缝进行快速冷却【i 引，如图1 1 0 所示。国内中科院金属研究所开发了一种用热管吸热的快速冷却方法【1 蚣镯，其作用方式 见图1 1 1 所示。 大连理工大学专监学位硕士学位论文 一一- 骶磷嘴 ! 。d i l e 嘲翩m 翻赫 蛳 图1 1 0 吸热胶在焊接中的应用【1 8 】 f i g 1 1 0 t h ea p p l i c a t i o no f h e a t - a b s o r b i n gr u b b e ri nw e l d i n g 图1 1 1热管在焊接中的应用f 1 9 】 f i g 。1 11 t h ea p p l i c a t i o no f h e a tp i p ei nw e l d i n g 沿焊缝两侧全长加热法逶避预热被焊边缘侧惹3 0 - - 6 0 r a m 的区域，也可以有效的降 低焊件瞬时应力和残余变形1 2 。关桥等人利用相似的技术有效地控制了薄板焊接时的残 余应力和变形【2 2 】。瓦m a s u b u c h i 等人采用侧面加热( 如图1 1 2 所示) ，有效的控铡了 钢板焊接的接头错位。研究发现，加热离开焊缝的宽区至中等温度( 9 3 左右) 可以取 得理想的效果。但侧面加热控制铝的焊接变形效果很不理想，而采用焊缝两侧冷却工艺 取徭了很好鹣效果1 2 3 。 臼丹诺夫研究了采用散热夹具对减小a mr6 合金薄板氩弧焊焊接变形的影响。研 究结果表甓，提高夹具散热能力能够降低焊缝横向收缩量，但他们未能给出纵向收缩的 研究结果幽j 。郭绍庆等人通过对夹具散热条件减少铝合金薄板焊接变形效果得出如下结 论：在采用随焊激冷的翦提条件下，预热夹具本身可以减少焊接变形，但更重要的是预 热使激冷造成了温差拉伸，从而更有效的减少了焊件的纵向变形量1 2 5 】。 火焰篱衬套组佧焊接变形分析及控制 圈i 1 2 铡嚣翔热和冷却系统示意圈瞄l f i g 1 12 t h ed i a g r a mo fs i d eo ft h eh e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e m 哈尔滨工业大学的田锡唐教授在动态温差拉伸的基础上设计了琴键式温差拉伸分 体式底板焊接夹具，发展了静态温差拉伸工艺，解决了薄壁结构在焊接时发生瞬时翘曲变 形的闻题l 磺。 1 4 5 随焊锤击法 随焊锤击法是哈尔滨工业大学匿锡唐教授提出的一项控制焊接变形的新工艺，在焊 枪后边跟随一个锤击装置，对焊趾和焊角在高温下进行锤击碾展，降低焊接应力与变形。 该方法在锈合金、钛合金的薄板焊接变形和残余应力控制上已经得到了成功的疵用 2 7 - 2 9 o 5 焊接变形控制方法的对 匕分析 对前述控制焊接变形的方法进行分析可知，随焊碾压法需要庞大的碾压设备，制造 成本蒿，应用对象主要集中予长直平板的拼焊焊缝、较大型篱体的纵缝和环缝的焊接， 而且对被焊件的形状要求严格。预拉伸法由于受到拉伸设备及焊缝形式的限制难以广泛 应用。随焊激冷的方式虽然冷却效率较离，但是豳于其只能比较有效的控制焊接纵向收 缩引起的变形，对于焊接横向变形非但不能减小反而增大，所以该工艺对于环形焊接结 构的变形无法控制，丽且水的存在往往容易污染熔池，产生焊接缺欠，影响焊接效率和 质量。温差挝伸的设备庞大，控制成本舞昂。隧焊锤击法虽然能够很好的控制变形，但 是由于锤击的表面成型不好，容易产生大量的坑状结构，影响焊接结构的疲劳寿命和应 力腐蚀强度。 大连理工大学专业学使硕学位论文 1 6 焊接过程数值模拟技术发展的现状 焊接是一个涉及到传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论方法难以准确 地解决生产实际中存在的问题。因此，在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为 基本方法，其模式为“理论试验一生产 ，但大量的焊接试验增加了生产的成本，且 费时费力。隧着计算机软硬件技术的快速发展，焊接数值模拟技术翡出现，为焊接生产 朝“理论一数值模拟一生产 模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接 技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。焊接数值模拟，是以试验为基础， 采用组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值 方法求解以获得该过程的定量认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接h a z 的硬度、焊 接区的强度、断裂韧性等) ，焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控 制方程( 本构关系) ，而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟件来代替 原尺寸形状的实物研究f 如焊接热力物理模拟、密撩云纹法分析应力应交、氢豹瞬态分 布电视录像，物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果，作为数值模拟的必要补充。数 值模拟是对具体对象抽取数学模型，然詹用数值分析方法，通过计算机求解，其中包含 有；( 1 ) 解析法，即数值积分法；( 2 ) 蒙特卡洛法；( 3 ) 差分法；( 4 ) 有限元法l 硎。 1 9 6 2 年，丹麦人首次用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算；进入7 0 年代，更多的国家加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻压、热处理、焊接。国 内焊接界数值模拟研究起步于8 0 年代初，近年来很多的科研单位和个人投入到了这项 研究中，并取得了积极的进展。 有限元成功的用于弹塑性问题始于1 9 6 0 年p 。2 0 世纪7 0 年代初，上田幸雄等首 先以有限元为基础，提出了考虑材料力学性能与强度有关的热弹塑性分析理论，从而使 复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。他的理论成果可以归纳为以下几个方 面：( 1 ) 焊接热弹塑性基本理论；( 2 ) 焊接应力的发生机制和残余应力分布状态；( 3 ) 消除 应力退火；麓) 焊接裂纹及其力学指标；( 5 ) n 有应变理论；6 ) 基予罄有应交理论的二维 残余应力测定法；( 7 ) 高精度焊接变形的预测；( 8 ) 焊接应力变形对焊接接头的强度影响 熊 3 2 1 苜o t a y l o r 将热源分成两部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，焊件熔池部分采 用双椭球形热源分布函数作为内热源来模拟穿透力较强的激光、电子束等焊接1 3 引。 美国的h d 硪l l b e r t 、e 。f r y b l i c k i 、y 1 w a m u k 以及m i t 的k m a s u b u e h i 等在焊 接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作，把引起焊接变形的金属运动 分势三种模式：( 1 ) 焊俘因电弧加热律为简单物体的运动模式；( 2 ) 焊缝金属凝固翁相 连的两个分开部分的运动模式；( 3 ) 连接部分刚体的运动模式 3 4 1 。 火焰简衬套组件焊接变形分析及控制 加拿大的j g o l d a k 等对从熔点到室温的焊接热应力进行了分析研究，提出了各个 温度段的本构方程：在温度低于0 5 倍熔点时速率不依赖性或弹塑性：温度从0 5 倍熔 点到0 8 倍熔点时速率依赖性或粘弹塑性；温度超过0 8 倍熔点时为线粘塑性模型【3 5 】。 瑞典的l k a r l s s o n 等对大板拼接的焊接变形和应力进行了分析研究，特别是分析了 焊缝前端间隙的变化和点固焊的影响，另外还采用同样方法对薄壁管子的焊接残余应力 和变形进行了分析，同时提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂纹的有效方法【3 6 1 。 文酬3 7 j 利用a d i n a 非线性分析有限元程序，对低碳钢管道环焊缝接头焊接残余应 力进行有限元分析。在热弹塑性分析中考虑了材料热物理和力学性能依赖于温度变化。 结果表明，在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环向残余应力均为拉应力，随离 开焊缝距离的增加，逐渐过渡为压应力；在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余应力 为压应力，而环向残余应力为拉应力，计算预测值与实测值基本一致。文献【3 8 】在焊接结 构变形方面进行的广泛研究取得了较大进展，并已应用于三峡1 2 0 0 t 桥式起重机主梁焊 接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中。李冬青等学者认为在焊接数值模拟各种对象 中真正对整体结构性能产生影响的是应力及应变。但是应力和应变比较难以进行试验验 证( 现有的检测手段多为不耐高温或者是破坏性的) ，所以从是否适合结果验证这一角度 来说，应该以位移场作为直接模拟量，在对模拟量的正确性进行验证后，导出应力及应 变结果进行分析【3 引。 焊接数值模拟的理论意义在于：通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极 端情况下尚不知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现 象本质，弄清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的 数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接接头的质量。 1 7 本课题的研究内容 本文结合火焰筒衬套组件的结构特点，分析该部件焊接过程的变形及其机理，采用 不同的方法控制该部件的焊接变形，主要包括如下内容： ( 1 ) 针对火焰筒衬套组件的结构特点，在大量正交试验的基础上，对焊接工艺参数 的选用和匹配进行研究，提出火焰筒衬套组件变形最小的焊接工艺参数； ( 2 ) 分析火焰筒衬套组件的结构特点，设计合理的工装夹具： ( 3 ) 利用数值模拟方法模拟火焰筒衬套组件焊接变形的状态，指导工装夹具的设计； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 4 ) 在数值模拟结采的指导下，合理设计了3 组特殊的工装夹具，有效的减小了火 焰筒衬套组件焊接变形，使产品采用反变形法、刚性固定法来控制该部件的焊接变形， 分析该工艺豹控制效果及激励。 火焰筒利套组r ：焊接变形分忻及控制 2 火焰筒衬套的焊接工艺及变形规律研究 21 引言 火焰筒衬套组件结构复杂，零件所用材料特殊，焊接参数匹配要求严格，焊接变形 大，而且焊接变形难以控制。本文在大量正交试验的基础上，摸索出使焊接变形最小的 火焰筒衬套组件合理的工艺参数。对火焰筒衬套组件各零件材料的性能，组件的结构特 点，组件在实际焊接后变形特点及规律进行了总结。 22 火焰筒衬套组件结构和材料 火焰简衬套组件足我公司实际生产加工中的零件。该件为燃气轮机燃烧室的一个组 件。该零件的特点是三种不同高温台金材料在起焊接形成一个环形组件。在直径 4 0 0 r a m 圆上囊括了对接、角接、塞焊等各种焊缝。 具体结构如罔21 所示。火焰筒衬套组件是燃气轮机中的重要部件，它由四个焊接 午元组成即外环一i 件一材料：h a s t x ，马鞍一8 件材料：h a s t x ，内环一1 件 一材料：n 2 6 3 ，耳片2 件一材料：f s x - 4 1 4 。 马鞍 酗21 火焰筒衬套组件效果图 f i g2 lt h ev i e wo f f l a m e - t u b es l e e v ea s s e m b l y 耳片 大连瑾工大学专监学位硕士学位论文 h a s tx 是主要用铬和钼固溶强化的一种含铁较高的镍基耐热含金，具有良好的抗氧 化和耐蚀性能，在9 0 0 以下毒中等的持久和蠕变强度，冷、热加工成形燃和焊接性能 良好。适用于制造航空发动机燃烧室部件和其它高温部件，在9 0 0 以下可长期使用， 短时工作温度可达1 0 8 0 。h a s tx 其主要化学成分及力学性能见表2 1 、袭2 2 。 n 2 6 3 是以镍钴。铬为基，加铝、钛元素时效硬化的板材合金，在8 0 0 以下具有较高 的屈服强度和蠕变强度，应变时效裂纹倾向性小，热疲劳性能好，并有满意的成形性和 焊接性。该合金主要用作航空发动机燃烧室及加力燃烧室的零部件。n 2 6 3 其主要化学 成分及力学性能见表2 3 、表2 4 。 钴基合金f s x - 4 1 4 以碳化物第二相强化为主，固溶强化为辅。具有比镍基合金更高 的