超声振动在低合金高强钢电渣焊外场优化中的应用

论文摘要

振动焊接是一种在焊接过程中向构件输入机械振动的工艺,它利用振动与焊接热过程的复合作用来提高焊接接头的综合质量。振动焊接可以降低焊接接头的残余应力、细化焊缝晶粒、提高接头的力学性能。在改善接头品质的同时,能一定程度缩短生产周期、降低生产成本、且无附加污染。振动焊接根据振源的不同可分为机械振动法,超声振动,电磁搅拌振动等。超声振动电渣焊是本次研究的重点。利用超声波的动能来替代机械振动,以期用另一种形式的振动波来优化电渣焊接头性能。这是文献上尚未报道过的技术。由超声波冲击消应力技术的冲击器改制的振动电渣焊超声激振器,以45°触头与被焊钢板表面接触耦合,超声波按驻波、横波、表面波等不同传递方法在钢板内扩散,到达熔池区域,以获得振动优化的效应。本研究以宝山钢铁股份有限公司提供的90mm厚的Q460E钢板为研究对象,分别完成常规电渣焊对接试验、不同超声振幅振动电渣焊试验,寻求外场能参数和焊接参数与接头品质的相关性；在以上试验的基础上,选择其中最为有效的外场优化技术,通过进一步的试验研究,建立可工程实用电渣焊新工艺及其规范；完成对应三种不同工艺,电渣焊接头性能改善的机理分析；本项目在进行新工艺试样试验的同时考虑工程应用的可行性。超声振动焊考虑了3个试验参数,试样编号为Q10、Q11和Q12,振动频率为27.6kHz,其按超声波换能器振幅给定,分别为30μm、43μm和60μm。考虑到超声振荡影响效果与激振器触点的距离相关,在试板长度有限的状况下应着重对热影响区的-20℃冲击性能的研究,故在焊后试板上采用密集采样的方式切取冲击试样,不再考虑侧弯试验。本次试验采用维氏硬度测量法来对Q10、Q11和Q12三个试件焊接后的焊板试样进行硬度测试,以观察超声振动参数及焊接参数对接头断面硬度分布的影响。从硬度分布图观察,由于热输入的区别,热影响区与焊缝中心随热输入的上升而加大。最大硬度到母材区的最低硬度的距离约10mm,比较接近。随热输入的上升,高硬度带宽会加宽。但总体上分布特征基本相似。从硬度统计表观察,振动电渣焊的硬度与振动方式及振动参数无明显相关性。但最高和最低硬度与热输入有微弱的相关性。总体属于常规的离散分布。未出现热应变脆（硬）化现象。基础试验表明：在超声波干涉条件下,焊缝的-20℃冲击值皆大于27J,达到期望要求。当采用大振幅时（60μm）,接近超声波激振器耦合点的上部区域（有源（上））热影响区的-20℃冲击值也达到大于27J的水平。尽管在冲击试验总平均值上,大多数区域达到大于27J的水平,但在一组（3个冲击试样）数据内的离散性很大,估计与小尺度刚体内超声波回波叠加效应-“拍”有关。这种叠加可造成振幅的倍增,也可能造成倍减至零（形成振动“节线”）,其可能导致冲击值的离散。而振幅过大很可能是导致冲击值下降的原因。对大多数试样的焊缝和热影响区的组织进行了金相观察。尽管对观察的区域有明确的选择,但在不同的试样上即使选择性质接近的几何位置,但由于焊接的复杂性,仍会出现表征结果离散的现象,较难实现量化分析的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 工程背景
• 1.2 基本原理与依据
• 1.2.1 电渣焊
• 1.2.2 振动焊接技术
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究现状
• 1.3.2 国外研究现状
• 1.4 本项目的研究内容
• 1.5 小结
• 第二章 超声振动焊接工艺试验
• 2.1 引言
• 2.2 试验方案
• 2.2.1 主要任务
• 2.2.2 实施内容
• 2.3 试验材料
• 2.4 试验设备
• 2.5 试验设计
• 2.6 超声振动焊接方法
• 2.7 焊接过程与控制
• 2.8 小结
• 第三章 超声振动对焊接接头力学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 焊接接头硬度分析
• 3.2.1 试样Q10和试样Q11的试验结果分析
• 3.2.2 试样Q10和试样Q12的试验结果分析
• 3.2.3 试样Q11和试样Q12试验结果分析
• 3.3 冲击试验
• 3.3.1 取样方案
• 3.3.2 冲击试验与结果分析
• 3.3.3 焊接热输入与焊缝的冲击韧性
• 3.4 小结
• 第四章 超声振动对焊接接头金相组织的影响
• 4.1 金相试样制备
• 4.2 焊接接头组织分析
• 4.3 不同焊接工艺同一取样位置试样的组织分析
• 4.3.1 下部试样组织分析
• 4.3.2 中部试样组织分析
• 4.4 同一焊接工艺下不同取样位置试样的组织分析
• 4.4.1 Q10试样组织分析
• 4.4.2 Q11试样组织分析
• 4.4.3 Q12试样组织分析
• 4.5 超声振动对接头焊缝组织的影响
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢