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山东大学硕十学何论文 锤击法消除铸铁焊接应力的研究 摘要 锤击处理是一种非常有效的消除焊接应力的方法，具有独特的优越性。本文 采用小孔法测量锤击前后铸铁试件在不同位置处的焊接应力值，研究锤击处理参 数对焊接应力的影响；用光学显微镜对锤击处理前后焊缝的组织进行检测分析， 着重研究了锤击力和锤击温度对铸铁焊缝显微硬度的影响，并探讨了锤击处理消 除焊接应力的机理。 为了更好的进行锤击试验，在前期研究的基础上，设计制作了电磁锤夹具， 该夹具具有适合的刚度和强度，同时可实现试件的快速准确定位。 通过锤击处理试验得出以下结果：( 1 ) 锤击处理是一种很好的消应力手段， 经过锤击后的试件，残余应力明显下降，在焊缝附近应力降低的幅值最大，随着 距焊缝熔合线距离的增大，残余应力降低的幅度变小。( 2 ) 随着锤击力的增加， 试件各处残余应力降低幅度的增大，其增大的速度由快变慢。( 3 ) 高温锤击时， 焊缝的塑性较好，锤击消应力效果显著，而低温锤击时，焊缝的塑性较差，极易 形成裂纹；适当增加锤击频率和锤击持续时间，焊缝的变形程度增加，有利于焊 接应力的消除。( 4 ) 经过锤击后的试件，焊缝区组织晶粒明显细化，表层金属发 生塑性变形，显微硬度增高。 锤击处理之所以能够消除铸铁焊接应力，是因为焊缝金属受到冲击载荷作用 后，发生塑性变形，产生两维延伸，抵消了焊接时焊缝的残余弹性变形，达到了 降低残余应力的目的。 关键词：锤击处理；焊接应力；消应力；铸铁：小孔法 v i j i 东大学硕十学伊论文 s t u d y o nw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sr e l i e v i n go fc a s ti r o nb y h a m m e r p e e n i n g a b s r a c t p e e n i n gi sav e r ye f f e c t i v em e t h o dt oe l i m i n a t et h ew e l d i n gs t r e s sa n dh a si t s u n i q u ea d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r , t h ew e l d i n gs t r e s sv a l u ei nd i f f e r e n tl o c a t i o n sa r o u n d t h ew o r k p i e c ew a sm e a s u r e db yh o l e - d r i l l e dm e t h o db e f o r ea n da f t e rt h ew e l dw a s p e e n e d ，t h ee f f e c to fp e e n i n gp a r a m e t e r so nw e l d i n gs t r e s sw a si n v e s t i g a t e d ，o p t i c a l m i c r o s c o p e ，t h em i c r o s t r u c t u r a lo fp e e n i n gb e f o r ea n da f t e rw o r k p i e c ew a so b s e r v e d 谢t l lo p t i c a lm i c r o s c o p e ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n te m p h a s i z ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f p e e n i n gf o r c ea n dp e e n i n gt e m p e r a t u r eo nm i c r o h a r d n e s so fc a s ti r o n ，t h em e c h a n i s m o fr e l e a s eo fw e l d i n gs t r e s sb yp e e n i n gw a sa l s od i s c u s s e d i no r d e rt od op e e n i n ge x p e r i m e n tb e t t e r , t h es u b j e c td e s i g nt h ee l e c t r o m a g n e t i c h a m m e rf i x t u r eb a s e do np r e d e c e s s o r sr e s e a r c hf o u n d a t i o n , t h i sf i x t u r eh a ss u i t a b l e s t i f f n e s sa n ds t r e n g t h ，a n da l s or e a l i z et h ea c c u r a t ep o s i t i o n i n g d r a w i n gt h eb e l o wc o n c l u s i o nt h r o u g ht h ep e e n i n ge x p e r i m e n t ：( 1 ) p e e n i n g t r e a t m e n ti sak i n do fv e r yg o o dm e t h o dt or e d u c ew e l d i n gs t r e s s ，t h er e s i d u a ls t r e s s w a sr e d u c e do b v i o u s l ya f t e rp e e n i n g ，t h ep e a l ( o fr e d u c i n gv a l u ei si nt h ew e l d i n g s e a m , m o r ef a rf r o mw e l d i n gs 锄，m o r es m a l lo fr e d u c i n gv a l u eo fs t r e s s ( 2 ) w i t h t h ei n c r e a s i n go fp e e n i n gf o r c e ，t h er e d u c e da m p l i t u d eo fr e s i d u a ls t r e s sb e c o m el a r g e ， b u tt h es p e e dw i l lb em o r ea n dm o r es l o w l y ( 3 ) w h e nt h ew e l dw a sp e e n e da th i g i l t e m p e r a t u r e ，i t sp l a s t i cd e f o r m a t i o nw a sg r e a t e r , s ot h er e l e a s eo fr e s i d u a ls t r e s sw a s b e t t e r w h e nt h ew e l dw a sp e e n e da tl o w t e m p e r a t u r e ，p l a s t i co f t h ew e l dw a sp o o r e r ， a n dc r a c kw a se a s i l yf o r m e d i n c r e a s i n gp e e n i n gf r e q u e n c ya n dp e e n i n gt i m e ，t h e d e f o r m a t i o no fw e l dw a sg r e a t , i tw a sb e t t e rt ot h er e l e a s eo fr e s i d u a ls t r e s s ( 4 ) g r a i n w a sr e f i n e di nt h e 撇o fw e l d 籼a f t e rp e e n i n g ，p l a s t i cd e f o r m a t i o no c c u r r e da n d v l i jj 东大学硕十学何论文 h a r d n e s si n c r e a s e dn e a rt h es u r f a c eo ft h ep e e n e dw e l d p e e n i n gi sa b l e t oe l i m i n a t et h ew e l d i n gs t r e s so fc a s ti r o n ，b e c a u s er a d i a l p r o l o n g a t i o no c c u r r e di nt h ew e l da f t e rp e e n i n g ，t h i sc o u l dc o u n t e r a c tr e s i d u a le l a s t i c d e f o r m a t i o n ，s ot h er e s i d u a ls t r e s s e sr e d u c e d k e y w o r d s ：h a m m e rp e e n i n g ；w e l d i n gs t r e s s ；s t r e s sr e l i e v i n g ；c a s ti r o n ；h o l e - d r i l l e d m e t h o d v u i j i 东大学硕+ 学付论文 第一章绪论 焊接技术在工业生产中的应用时间并不长，但是它的发展是非常迅速的，在 短短的几十年中，焊接技术已经运用于许多工业部门的金属结构中，无论是小型 零件，还是大型结构，都在不断地扩大焊接结构的比重，尤其在压力容器、重型 机械、造船、化工和石油设备等领域中，应用更为广泛。 焊接结构应用如此广泛，其根本原因在于它本身具有优于其他结构的特点， 如它的水密性和气密性好，在厚度方向上几乎不受限制，结构设计简单等。当然， 焊接结构也有一些缺点，在焊接生产中容易产生缺陷，对材料敏感，焊后存在较 大的焊接残余应力等。 焊接残余应力的存在对构件的承载能力有很不利的影响【嵋j ：( 1 ) 焊接残余 应力对静强度的影响。对于没有严重应力集中的焊接构件，只要材料有足够的延 性，能进行塑性变形，残余应力的存在并不影响构件的承载能力，也就是说对强 度没有影响。反之，若材料处于脆性状态，由于材料不能进行塑性变形，随着外 力的增加，在构件上不可能产生应力均匀化，应力峰值不断增加，一直到达材料 的强度极限ob ，发生局部破坏，而最后导致整个构件断裂，也就是说对处于脆 性状态的材料，残余应力将明显降低构件的承载能力。( 2 ) 焊接残余应力对疲劳 强度的影响。构件内部存在的内应力与载荷应力相叠加，使得变载荷的应力循环 发生偏移，而偏移将改变其平均值，当平均应力值增加时，其极限应力幅值降低， 构件的疲劳强度将有所降低。( 3 ) 焊接残余应力对刚度的影响。当外加载荷产生 的应力与某区域的残余应力叠加之和大于该材料的屈服点时，该区域发生塑性变 形，故而丧失进一步承受外加载荷的能力，构件的刚度也随之降低。不仅如此， 焊接残余应力还会影响结构的机械加工精度和尺寸稳定性，这是因为机械切削加 工是把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在着残余应力，那么把一部分材 料切去的同时，把原先在那里的残余应力也一起去掉，从而破坏了原来工件中残 余应力的平衡，使工件产生变形，加工精度也就受到了影响。 1 1 焊接残余应力的产生和消除原理 山东大学硕十学伊论文 热影响产生残余应力的过程可通过一个简单的例子来说明。如图1 1 所示， 将棒b 固定在刚性台a 上，对b 进行缓慢加热，而刚性台a 的温度保持不变， 此时前者由于温度上升而伸长，但是这种伸长的趋势受到刚性台a 约束，不能 自由进行，因此棒b 就会受到压缩，进而产生压应力。相应的，刚性台a 在阻 碍棒b 伸长的同时受到其反作用而产生拉应力。我们知道，这种应力是在没有 外力作用下产生的，且拉应力和压应力在该结构中相互平衡，构成了内应力。因 为这是由加热引起的不均匀温度场造成的，所以称之为热应力。如果热应力不高 ( 低于材料的屈服极限) ，则棒b 不产生塑性变形，那么，当棒b 的温度均匀化 后，热应力亦随之消失；如果棒b 加热产生的压应力达到材料的屈服极限，则 棒b 中将出现压缩塑性变形。随后棒b 逐渐冷却，冷却收缩时要受到刚性台a 的约束而产生拉应力，而刚性台a 本身则由于棒b 的反作用而产生压应力。这 样就形成了一个新的内应力体系，即残余应力。 b a - 冈0 性台，温度不变：b 棒，使之加热冷却 图1 1 残余应力产生原理图 f i g 1 1s c h e m a t i co fr e s i d u a ls t r e s sp r o d u c i n g 电弧焊接的过程实际上是利用电弧( 热源) 产生的高温使被焊金属局部加热 熔化，同时加入填充金属( 焊条、焊丝) 熔化滴入，形成金属液体熔池；当电弧 移开时，由于周围冷金属导热，使熔池的温度迅速降低，熔池即凝固成焊缝。熔 池周围的母材金属，由于电弧的热作用，从室温一直被加热到熔化温度的全部温 度范围，这部分被加热的母材金属，也随电弧的移开而冷却下来，形成一个焊接 接头。可见，焊接本身就是一个快速加热和冷却的过程，在此过程中，材料内部 存在温度梯度，这种不均匀的加热冷却造成材料不均匀的热胀冷缩，从而产生焊 接瞬时应力，之后残留在焊件内，称为焊接残余应力。由此得知，焊接时试件受 2 i ij 东大学硕十学何论文 到不均匀的局部加热和冷却是产生焊接变形和焊接应力的最主要原因。另外，焊 前加工状况也会造成应力，这种应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去， 在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响；再有就是由组织变化而产生的 应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力，它随着材料的含碳量和其它成 分的不同而不同，一般情况下，这种影响必须加以考虑；试件的刚性限制了焊件 在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小就不同。除上 述原因外，焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、试件装配间隙、焊接速 度等都会对焊接变形和焊接应力造成影响1 3 弓l 。 由于焊接残余应力的存在严重影响焊接结构的质量，因此，应采取各种有效 的措施将其消除或降至最小。常用的消应力方法有热处理法、温差拉伸法和力学 形变法等睁1 8 j 。 热处理法包括焊前预热和焊后热处理。焊前将焊件整体或一部分加热，使 其能缓慢、均匀地冷却，通常预热温度越高减少焊接应力的效果也越好。另外通 过预热，降低了焊缝金属和母材热影响区的冷却速度，同时也降低了收缩应力【1 7 1 。 焊后热处理是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应 力的目的，同时热处理还可以改善焊接接头的性能。它包括整体热处理和局部热 处理两种。整体热处理是将整个焊件放入一个热处理炉内，之后加热到一定温度， 经过一定时间的保温，然后缓慢冷却。消除残余应力的效果取决于热处理温度、 保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围以及材料的成分、组织和应力 状态。对于同一种材料，退火温度越高，保温时间越长，应力消除的就越彻底。 但这种方法一般在炉内进行，如遇到大型结构( 如大型压力容器) 无法在炉内热 处理时，可采用在容器外壁覆盖保温层，而在容器内用火焰或电阻加热的办法来 处理。可见，这种热处理方法的应用受到一定的限制。而局部热处理只是对焊缝 及其附近的局部区域进行加热，比较容易实现，但只能降低残余应力峰值，不能 完全消除残余应力，其消应力效果不如整体热处理好。多用于拘束度较小的、比 较简单的焊接接头，局部加热的热源可采用火焰、红外线、工频感应加热或间接 电阻加热。 温差拉伸法是利用局部加热产生的温差来拉伸焊缝区，进而抵消焊接时所产 生的压缩塑性变形。具体做法是：在焊缝的两侧各用一个适当宽度的氧乙炔焰 3 山东大学硕十学伊论文 炬平行于焊缝移动加热，在焰炬后一定距离( 1 5 0 2 0 0 m m ) 处跟随有排管喷水冷 却( 图1 2 ) ，这样可以造成一个两侧高( 峰值约为2 0 0 ) 焊缝区低( 约为1 0 0 ) 的温度场，两侧温度较高的金属因受热而膨胀，这种膨胀的趋势要受到温度 较低的焊缝区的约束，不能自由进行，产生压应力，而温度较低的焊缝区也将受 其反作用进行拉伸，从而消除残余应力1 ，1 7 1 。这种方法对于焊缝比较规则，厚度 不大( o do 图2 8 应变花的接线方式 f i g 2 8 m o d eo fs t r a i nr o s e t t ew i r i n g 1 9 i | j 东人学硕十学何论文 图2 9 应变花接线示意图 f i g 2 9s k e t c ho fs t r a i nr o s e t t ew i r i n g 2 4 焊缝显微组织和性能测试 经过锤击后的焊缝，其内部组织会发生变化，对金属材料来说组织决定性能， 故而锤击后焊缝的性能也会发生变化。通过对焊接接头的金相分析可以研究焊接 工艺和锤击参数对焊缝组织的影响，从而为锤击参数的确定提供依据。 采用机械加工方法沿焊缝中心线对试件进行切割，制备成尺寸合适的矩形试 样，以便于观察焊缝断面的微观组织。经切割获得的试样分别用纱布、4 0 0 目、 6 0 0 目、8 0 0 目、1 0 0 0 目的砂纸依次进行打磨，然后在抛光机上抛光，最后用4 的硝酸酒精溶液将已抛光的表面进行数秒钟的腐蚀。利用l e i c a m e f 4 m 型光学 显微镜观察试样的显微组织。 锤击后的焊缝硬度会发生变化。本文采用d h v - 1 0 0 0 型数显维氏硬度计测量 焊缝横断面的显微硬度，沿着焊缝横断面的中心线，从焊缝表面向母材方向，每 隔0 3 m m 测一个点，观察锤击处理对焊缝性能的影响规律。 i j 东大学硕十学仲论文 第三章锤击处理系统设计 锤击处理是一种控制焊接裂纹的有效方法。它不仅可以降低拉伸残余应力， 也可以在锤击表面诱导出残余压应力，这是该处理方法主要有益的特点。同时， 大量的研究工作表明，锤击对改善焊接结构的疲劳性能也有明显的效果。为了更 好地应用该工艺，获得较好的锤击消应力效果，山东大学的张平昌研制出了电磁 式锤击装置。该锤击工具可实现锤击频率和锤击力的独立调节，锤击力峰值可达 2 8 k n ，最高锤击频率约为8 h z 。当锤击力最大时，电磁锤连续工作而不致过热的 锤击频率范围为0 牝3 h z ；在最高锤击频率下，电磁锤可连续工作1 2 m i n 。本文 在前期研究的基础上，结合铸铁焊补的特点，设计制作了电磁锤安装夹具，并对 控制装置进行了改进，形成了较为完善的自动锤击处理系统。 3 1 电磁锤的组成 本试验所采用的电磁锤是自制电磁锤，实物照片见图3 1 ，该电磁锤主要由 锤击器、控制电路、主电路等部分组成。其中锤击器是电磁锤的执行机构，电磁 锤通过锤击器对工件实施锤击；主电路为晶闸管半波整流电路，用于给锤击器提 图3 1 电磁锤 f i g 3 ie l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r 2 l o k l ij 东大学硕十学伊论文 供电能；而控制电路则是电磁锤的核心部分，锤击频率的调节通过控制电路有节 律的输出触发脉冲信号，控制主电路中晶闸管的导通时刻来实现；锤击力通过控 制电路改变触发脉冲的相位，调节锤击器电磁线圈脉冲电流的大小来实现。 3 1 1 锤击器 电磁锤锤击器结构示意图如图3 2 所示，其主体部分是甲壳螺管式电磁铁， 主要由衔铁、电磁线圈、锤杆、复位弹簧等组成。电磁线圈每通电一次，电磁锤 对工件实施一次锤击。工作过程如下：电磁线圈通电后，产生电磁场，对衔铁产 生电磁吸引力。衔铁在电磁力的作用下克服复位弹簧的弹力向下运动，衔铁接触 到锤杆时对锤杆产生冲击作用，冲击力通过锤杆传递到工件，实现一次锤击，当 电磁线圈断电后，衔铁在复位弹簧的作用下返回初始位置。这样电磁线圈反复通 电和断电，即可实现对工件的连续锤击。 f 警 电融线圈 底盖 图3 2 锤击器结构示意图 f i g 3 2t h es t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go f h a m m e r i n g 山东大学硕十学付论文 3 1 2 主电路 主电路的组成如图3 3 所示，2 2 0 v 单相交流电直接给主电路供电。晶闸管v t 作为无触点开关，与锤击器电磁线圈( 用电感l o 和电阻r l 表示) 串联。锤击开关按 下后，控制电路按照设定的时间间隔输出触发脉冲信号。当有效触发脉冲到来时， 主电路中的晶闸管v t 导通，使电磁线圈通电；当网压过零后，晶闸管自动关断， 续流二极管v d i 导通，线圈储存的电能通过续流回路释放。 图3 3 电磁锤主电路图 f i g 3 3m a i nc i r c u i td i a s r a mo f e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e r 晶闸管承受过电压的能力较差，尤其主电路接有感性负载时，更容易造成晶 闸管的过电压损坏。因此，在晶闸管阳极和阴极之间并联一组电容和电阻，构成 晶闸管阻容保护电路，利用电容c o 吸收过电压，亦即将造成过电压的能量变成 电场能量储存到电容中，然后释放到电阻r o 中去消耗掉。 主电路的负载是电感性的，负载电感越大，在一个周期中负载上负电压所占 的比重就越大，整流输出电流的平均值就愈小，因此有必要采取措施使晶闸管在 电源电压降到零值时及时关断，使负载不出现负电压。在线圈两端并联一个续流 二极管v d l 可解决这个问题，当交流电压过零变负后，二极管因承受正向电压而 导通，于是负载上由感应电动势产生的电流经过这个二极管形成回路，这时负载 山东大学硕十学伊论文 两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断，电路储存的电能在线圈电阻 上消耗掉。 3 1 3 控制电路 控制电路在设定的时刻输出与网压同步且相位连续可调的脉冲信号，触发主 电路中晶闸管v t ，使主电路导通；而网压过零时，晶闸管自动关断。为了能够 实现锤击频率和锤击力的独立调节，控制电路应具有稳定改变触发脉冲频率和触 发脉冲相位角的功能。控制电路原理如图3 4 所示，主要包括降压、整流、脉冲 移相、脉冲调频、脉冲整形、脉冲输出等几个模块。相应的控制电路主要由同步 电路、脉冲移相电路、调频延时电路、脉冲整形电路、驱动电路等几部分组成。 图3 4 控制电路原理框图 f i g 3 4p r i n c i p l ed i a g r a mo f c o n t r o lc i r c u i t 3 2 电磁锤工作原理 由以上分析可知，锤击频率由线圈的通电频率决定，线圈每通电一次电磁锤 ij i 东大学硕十学何论文 完成一次锤击。控制电路有节奏的输出同步脉冲信号触发主电路中的晶闸管导 通，每一个脉冲信号使线圈通电一次，因此锤击频率就取决于触发脉冲的频率； 锤击力随着电磁力的增大而增大，而电磁力由电磁线圈的电流、匝数以及衔铁的 材料和尺寸决定。电磁铁一旦设计完成，线圈的匝数和衔铁材料、尺寸便已确定， 这时唯一能够改变的是线圈的电流。控制电路通过改变触发脉冲的相位来改变电 磁线圈的电流，调节锤击力大小。 3 3 锤击力的测定 锤击力属于冲击力，与焊缝的作用时间极其短暂( 仅为千分之几秒) ，产生 的应力波在瞬间完成传递与衰减。锤头的驱动力来源于锤体内部衔铁的运动，其 大小往往难以确定。因此，常规的静载测量系统无法直接测量锤击力的大小，只 能借助转换元件将非电量的锤击力( p ) 转换为电量指标来测定。 电磁锤击力的测定原理如图3 5 所示。由控制箱控制电磁锤进行锤击，锤击 力通过传力块作用于压力传感器：压力传感器将锤击力转变为电荷信号，此信号 再通过电荷放大器转变为电压信号，并由示波器进行采集和显示。最后，通过力 与电压之间的换算关系可计算出锤击力的大小。 ( 1 ) 压力传感器 电磁锤 传力块 压力 传感器 图3 5 锤击力测定原理 f i g 3 5p r i n c i p l eo fp e e n i n gf o r c ec a l i b r a t i o n 山东火硕十学何论文 本试验采用的压力传感器为国产c l y d 一3 0 5 a 型压电式传感器。该传感器具 有灵敏度高，非线性误差小，动态测试范围宽，并且还具有结构坚固、刚度大等 特点，非常适用于测量各种瞬时动态力。它利用石英晶体的正压电效应设计制造 而成，其原理如图3 6 所示，当它受外力作用时，经过传感器膜片作用于石英晶 体片，其表面即产生电荷，该电荷的大小完全正比于所施加的外力。再通过连接 导线连到电荷放大器，将电荷信号转换成电压信号。压力传感器的主要参数如表 3 1 所示。 石英晶片 导电片 图3 6 力传感器原理图 f i g 3 6p r i n c i p l ed i a g r a mo f p r e s s u r et r a n s d u c e r 表3 1 压力传感器主要参数 t a b l e3 1m a i np a r a m e t e r so f p r e s s u r et r a n s d u c e r 测力范闱( n )灵敏度( p c n )过载能力( ) 工作温度( ) 6 0 0 0 04 2 31 2 0- 1 9 6 - - + 2 0 0 ( 2 ) y e 5 8 5 2 a 型电荷放大器 国产y e 5 8 5 2 a 型电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的低噪声 电荷放大器，与压电式压力传感器配合使用，其作用是将压力传感器产生的电荷 信号转换为电压信号，可测量振动、冲击、动态力等机械量。本试验将放大器 的下限频率置于0 3 h z ，上限频率置于1 0 k h z 。 电荷放大器的主要技术参数如表3 2 所示。 1 l i 东人学硕十学何论文 ( 3 ) a g i l e n t5 4 6 2 4 a 示波器 该示波器能以数据和波形两种形式采集由电荷放大器输出的电压信号。通过 示波器采集的电压数据，再结合电荷放大器的输出档位，可换算出锤击力的值。 换算关系为 锤击力( n ) = 输出电压( m v ) g ；际输出( m v n ) 档级 表3 2y e 5 8 5 2 a 型电荷放大器主要参数 t a b l e3 2m a i np a r a m e t e r so fy e 5 8 5 2 a - c h a r g ea m p l i f i e r 灵敏度最火输入电最大输出幅最大输出电最小负载电预热时间 ( m v p c )荷量( p c ) 度( v p ) 流( m a )阻( q )( m i n ) 0 0 1 10 0 0 1 0 61 01 0 0 l o o3 0 3 4 安装夹具的设计 前期的研究工作成功研制了电磁锤，为保证锤击试验的进行，还要设计出电 磁锤夹具。在设计电磁锤夹具时首先要对其有全方位的了解，要熟悉电磁锤结构， 把握其装配精度，明确电磁锤的工艺要求。综合以上，电磁锤夹具设计要求如下： ( 1 ) 能够将电磁锤夹紧固定，同时实现试件快速准确的定位。 ( 2 ) 应有足够的操作空间，便于操作人员的操作和观察。 ( 3 ) 电磁锤的位置应上、下可调，以适应不同厚度的试件，避免由于焊缝余 高不稳定所带来的影响。 ( 4 ) 具有足够的刚度和强度，在夹紧电磁锤的同时，保证在锤击过程中夹具 本身不会产生影响锤击效果的变形以及电磁锤不会因为锤击作用而晃动。 ( 5 ) 夹具自身应具有较好的制造工艺性能。 综合以上要求，夹具设计三视图如图3 7 ，实物如图3 8 。该夹具主要由上、 下两块钢板和四个粗螺栓组成。上钢板可将电磁锤固定，保证锤击过程中电磁锤 不会因为锤击而晃动；下钢板上有两个定位销，使试件在焊接结束后能够迅速而 准确的推进到指定位置，完成锤击；四个螺栓将上、下钢板连成一体，形成刚性 i jj 尔大学硕十学位论文 框架。调整上钢板的位置，可调节上、下钢板的间距，从而调整电磁锤头与焊缝 表面之间的距离。 飘一一一一 胛1 i ： li l_ lj m _ _ o l lj r1 _1 r_ r1 i 五-瞳i q j 蒯 j 阻 一一瓜 ； il j 一j uu l l lj 1 一1r- r1 i 图3 7 电磁锤夹具三视图 f i g 3 7t h r e e - v i e w g r a p ho f e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e rf i x t u r e 将电磁锤固定安装于夹具的上钢板上，即可构成一个自动锤击处理系统。该 系统结构简单，操作方便，试件安放迅速、准确，可对不同厚度、不同尺寸和不 同焊缝余高的试件进行定位自动锤击处理。 试件焊接可在锤击装置外进行。焊接前根据试件尺寸和锤击部位，调整好电 磁锤和定位销的位置；焊接结束后，迅速将试件置于下钢板上并推至电磁锤下方， 使锤头准确定位于焊缝中心。然后，可根据预先设定的锤击参数，按下锤击开关 i lj 东大学硕十学何论文 对焊缝进行锤击。 图3 8 电磁锤夹具 f i g 3 8e l e c t r o m a g n e t i ch a m m e rf i x t u r e 山东大学硕十学伊论文 第四章锤击参数对残余应力的影响分析 影响锤击消应力效果的锤击参数主要有锤击力、锤击时机、锤击频率、锤击 持续时间和锤头面积等。本文通过试验手段研究了锤击力、锤击时机、锤击频率 和锤击持续时间对焊接残余应力的影响，同时对锤击试件与未锤击试件进行比 较。试验采用的部分锤击参数如表4 1 所示。 表4 1 部分锤击试验参数 t a b l e 4 1e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so fp e e n i n g 注：锤击时机是指焊后开始锤击的时刻。 4 1 锤击力对焊接残余应力的影响 在研究锤击力对焊接残余应力影响的试验中，将试件分为两组：一组焊接后 不进行锤击处理，另一组在焊后2 0 s 时用不同的锤击力以1 h z 的锤击频率进行1 5 s 的锤击处理。采用小孔法测出试件焊接残余应力，结果如图4 1 图4 3 所示。 从图4 1 图4 3 中可以看出，不管是锤击前还是锤击后，距离焊缝熔合线越近 的地方，焊接残余应力越大。这与焊接残余应力产生的原因有直接的关系，之前 已经介绍过：温度梯度是影响焊接残余应力产生的主要因素，距离焊缝熔合线越 近的地方，温度梯度较大，造成焊件内部产生较大的不均匀的热胀冷缩，进而产 j j 东大学硕十学付论文 生比较高的焊接残余应力。 1 2 0 l s o 皇 f 6 0 r 霜4 0 2 0 o l 卜锤i丌h u l 一- 一锤ij 后 1 1 、 l i i 、 、 4681 0 1 21 4 1 6 1 82 02 2 距熔合线距离r m ( a ) 主应力0i 锤击前 l 、 锤击后 1 。 、 i 、1l i _ h 、 、- 4681 01 21 41 61 8 2 02 2 距熔合线距离r m ( b ) 主应力o2 图4 1 锤击力幅值为$ k n 时的应力分布 f i g 4 1c u r v e so fs t r e s sd i s t r i b u t i o na t8 k np e e n i n g f o r c e 加 蚰 加 o dlio r 谬州 山东大学硕十学伊论文 甜 垒 、 o r 倒 删 、 l l + 锤击前 + 锤击后 l - 1 、 、i 、1 l 4 68 l o1 21 41 61 82 02 2 距熔合线距离r r a m ( a ) 主应力oi + 锤击前 、一 锤击后 1 。 4681 01 21 41 61 82 02 2 距熔合线距离r 盂 ( b ) 主应力o2 图4 2 锤击力峰值为1 2 5 k n 时的应力分布 f i g 4 2c u r v e so fs t r e s sd i s t r i b u t i o na t12 5 k np e e n i n gf o r c e 们 加 加 加 o i i bd畏o天越州 加 舳 加 o 1j i 东大学硕十学何论文 山 芒 “ o r 型 h t l ，i l 。_ 卜健1 1 ，刖 锤击后 1 1 1 、 、i 468l o1 21 41 61 82 02 2 距熔合线距离r m ( a ) 主应力0l + 锤击前 l 、 + 锤击后 、1 。 i 468l o1 21 41 61 82 02 2 距熔合线距离r m ( b ) 主应力02 图4 3 锤击力峰值为2 2 5 kn 时的应力分布 f i g 4 3c u r v e so fs t r e s sd i s t r i b u t i o na t2 2 5 k np e e n i n gf o r c e 从图4 1 一图4 3 中还可以看出，经过锤击后的试件，残余应力明显下降，距离 焊缝熔合线越近的区域，残余应力下降越明显。在8 k n 、1 2 5 k n 和2 2 5 k n 不同锤 击力作用下，距焊缝熔合线5 m m 处，主应力o1 分别下降1 0 8 9 m p a 、1 1 7 7 m p a 、 3 3 加 加 加 o 西d，i口r翅州 加 o ij 1 东大学硕十学何论文 1 2 1 8 m p a ，主应力o2 也分别下降了4 4 3 m p a 、6 3 2 m p a 、7 7 8 m p a ，应力降低最 高可达7 7 8 。随着距焊缝熔合线距离的增大，残余应力降低的幅度变小。 为了解释这一现象，我们先来定性分析一下金属材料在塑性变形时质点的流 动规律。金属的塑性流动方向可应用最小阻力定律【7 i 】进行判断，最小阻力定律由 前苏联古布金于1 9 4 7 年将它表达为“当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则 物体各质点将沿着阻力最小的方向移动”。下面借助金属材料塑性成形的镦粗工 艺流动模型【7 2 1 来分析锤击处理时金属质点的流动规律。矩形断面的圆柱体镦粗 时，若接触面上无摩擦，变形体均匀变形，金属质点必将沿着该断面的中心向四 周的辐射线方向流动，如图4 4 所示。变形后的断面形状仍为矩形，并与原来的 形状相似。但在工程上要实现均匀变形是相当困难的，塑性成形时，由于金属本 身性质的不均匀、摩擦和工具形状的影响以及不同变形区之间的制约，使得金属 内部的变形十分复杂，可以分为三个变形区，如图4 5 所示，应变较为剧烈的区 域集中在心部及剖面对角线附近，也就是区域i i ，该区域受到摩擦力的影响较小， 故而在径向上的压应力较小，但在轴向力的作用下产生很大的变形。而区域i 和 区域i i i 都是“相对弱区 ，即难变形区。当对焊接试件进行锤击处理时，大变形 区域内的金属质点在锤击力的作用下沿径向流动，产生两维伸长，就是这种伸长 抵消了焊件内部的残余拉伸应变，进而使得残余应力降低。 图4 4 无摩擦矩形断面镦粗放射形模型 f i g 4 4r a d i o a c t i v em o d e lo fu p s e t t i n gn of r i c t i o nc y l i n d e rr e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o n 从圆柱体镦粗工艺的质点流动模型中可以看出：在距焊缝熔合线越近的区 域，金属质点较易流动，变形较大，随着距离焊缝熔合线距离的增加，金属产生 的塑性变形较小，消除焊接残余应力的效果不明显，应力降低幅度变小。 i lj 东大学硕十学何论文 b ) 图4 5 圆柱体镦粗时矩形断面的不均匀变形 f i g 4 5t h en o n - u n i f o r md e f o r m a t i o no fu p s e t t i n gc y l i n d e rr e c t a n g u l a rc r o s s - s e c t i o n 锤击力与焊接残余应力变化幅度之间的关系如图4 6 所示。从图中可以看出， 随着锤击力的增加，试件各处残余应力降低的幅度增大。论文 4 5 1 提出：受冲击 载荷作用的板产生的最终塑性变形与所受到的冲量的平方成正比，并且与所受到 的冲击力的最大值有关，也就是说，试件受到的锤击力越大，焊缝吸收的能量也 就越多，最终产生的塑性变形就越大，抵消原先的残余拉伸应变的程度加大，消 应力效果自然较好。当试件内焊缝区的塑性变形大于原先的残余拉伸应变时，焊 缝区的应力状态将会变成压应力。 1 4 0 1 2 0 1 0 0 重 口6 0 司 4 0 2 0 o l n i ，1 - d - 1 弋j 一1 2 5 k n 一2 2s k n 、 心 心 、 心 心 1 一 i 4681 01 21 41 61 82 02 2 距熔合线距离r ! ( a ) aol 3 5 山东大学硕十学何论文 6 0 母 山 鼍4 0 o 司 2 0 o 、 一8 0 k n l 一 1 、 二卜1 2 ，k n 、1 0 一2 25 l n _ 一 一 一 l 、 、v 、 弋 1l 4681 01 21 41 6 1 82 02 2 距离熔合线距离r m ( b ) ao2 图4 6 锤击力对残余应力变化幅度的影响 f i g 4 6i n f l u e n c eo fp e e n i n gf o r c eo nr e s i d u a ls t r e s s 当然，并不是锤击力越大越好，在相同焊接条件下，随着锤击力的增加，试 件的残余应力得到进一步的释放，但是焊缝熔合线处的释放量不及焊缝中心的 大，这也就是说，锤击处理对降低试件残余应力是有限的。在工程实际中，焊缝 如果过分延展，甚至超过其塑性允许限度，效果则会适得其反，造成裂纹；不仅 如此，过大的锤击力会使焊缝表面留有较深的压痕，影响焊缝外观。 采用距离熔合线5 m m 处( r = s m m ) 的应力降低幅值来分析锤击力对焊接应力 的影响规律，见图4 7 。在r = 5 m m 处，随着锤击力的增加，残余应力降低幅值增 加。在锤击力较小时，焊接应力幅值降低速度较快，随着锤击力的增大，焊接应 力降低速度由快变慢。这更加说明了锤击处理对降低焊接应力是有限的，随着锤 击力的增加，塑性变形的阻力增大，焊接应力消除的速度降低。 山东人学硕十学何论文 锤击力峰值p k n ( a ) ol 的变化 681 01 21 41 61 82 02 22 4 锤击力峰值p k n ( b ) o2 的变化 图4 7 锤击力和应力降低幅值的关系( r = 5 m m ) f i g 4 7r e l a t i o no fp e e n i n gf o r c ea n dv a l u eo fs t r e s sr e d u c i n g 4 2 锤击时机对焊接残余应力的影响 锤击时机是影响消应力效果的重要因素之一。为了研究锤击开始温度或锤击 3 7 西山譬-o司 曙鲁in口司 山东大学硕十学彳青论文 开始时刻对铸铁焊接残余应力的影响，本文采用表面温度计法测定了焊缝表面温 度随焊后冷却时间的变化曲线。所用的试验仪器为t e s 1 3 1 0 型表面温度计、秒表。 数字式表面温度计可用于直接测量焊缝表面的温度，秒表则用于记录焊接完成后 焊缝的冷却时间。试件焊补时仍然采用直径为咖4 m m 的z 2 0 8 焊条，焊接电流为 1 8 0 - - - 1 9 0 a ，焊接电压为2 7 3 0 v ，焊接时间持续一分钟左右。焊补时从盲孔中心 引弧，逐渐移向边缘，在边缘处适当停留后再向盲孔中心施焊，焊接连续进行， 直至盲孔一次性焊满为止。焊接完成数秒后将表面温度计放置在焊缝表面的中 心，测量焊缝表面温度随时间的变化，测量结果如图4 8 所示。该曲线的斜率代 表焊缝的冷却速度，可以看出，焊缝冷却初期冷却速度较快，5 0 0 以下时冷却 速度变得缓慢。 。 p 越 鸡 裂 败 焊后时间s 图4 8 焊缝的冷却曲线 f i g 4 8c o o l i n g c u r v eo fw e l d 下面分析锤击时机对焊接残余应力的影响。在焊完之后分别在焊后8 s 、2 0 s 、 3 5 s 时对试件开始锤击，锤击力峰值为8 k n ，锤击频率为1 h z ，锤击持续时间为1 5 s ， 锤击后焊缝的表面形貌如图4 9 所示。由图4 9 ( a ) 可以看出，在焊后8 s 开始锤击 时，焊缝表面变形严重，形状极不规则，这是由于锤击时焊缝温度很高、尚未凝 固或刚凝固的焊缝金属流动性极好所致；图4 9 ( b ) 、( c ) 中焊缝形状较规则， 焊缝中心部位存在不同程度的压痕。图4 9 ( b ) 所示焊缝压痕较深、面积较大， 山东人学硕+ 学何论文 且无裂纹；而图4 9 ( c ) 所示焊缝压痕较浅，面积较小，且表面出现明显的宏观 裂纹。 ( a ) 焊后8 s 开始锤击 ( b ) 焊后2 0 s 开始锤击 ( c ) 焊后3 5 s 开始锤击 图4 9 不同锤击时机的焊缝表面形貌 f i g 4 9w e l d