振動焊接技術”包括兩個方面,即“焊接技術”與“焊接振動技術”兩個內容。這裡說的“焊接技術”就是正常的焊接技術,而“焊接振動技術”就是在焊接過程中根據不同構件施加一種不同參數的機械振動。
01振動焊接概念
振動焊接技術是在振動時效技術基礎上發展起來的。但振動焊接技術的作用明顯優於振動時效技術。振動時效技術是在構件焊好後使用的處理技術,只能對焊接殘餘應力起到降低和均化作用,而振動焊接技術從焊接開始就起到細化晶粒的作用,接著在熱狀態下通過熱塑性變形來調整應變而降低殘餘應力。因此,可以說振動焊接從一開始就起到了防止焊接裂紋和減少變形的作用。提高焊接質量是優於振動時效技術的最突出優點。
做為振動焊接,它並不要求構件必須達到共振狀態,只要達到某一頻率範圍內且具有一定的振幅就可以,因此振動焊接技術可以在任何構件上應用。特別是在大型結構件焊接修復時,振動焊接就完全可以實現,焊後不再使用熱時效處理。
焊接構件的振動時效技術是對已焊接成型的構件進行振動處理,用以降低和均化由於焊接造成的殘餘應力。而振動焊接是首先將被焊部件進行振動,且邊振動邊焊接,直到焊完為止。
這種振動是在一定頻率範圍內的輕微振動,其作用如下:首先,當焊縫金屬在熔溶狀態時,振動可以使組織發生變化,晶粒得以細化。焊縫晶粒細化必將使材料力學性能得到提高;其次在有溫度作用下,焊縫處材料屈服極限很低,因此振動很容易使熱應力場得到緩解,極易發生熱塑性變形,而釋放受約束應變,使應力場梯度減少,故使最後的焊接殘餘應力得到降低或均化;第三由於振動,在結晶過程中使氣泡雜質等容易上浮,氫氣易排除,焊縫材料與母材過渡連接均勻、平緩,降低應力集中,提高焊接質量。因此振動焊接可以有效地防止焊接裂紋和變形,提高構件的疲勞壽命,增強機械性能。
02振動焊接對焊接殘餘應力分佈的影響
振動時效是在構件焊接完成後在常溫下進行的。因此要使動應力和殘餘應力之和大於材料常溫下的屈服極限則必須具有較大激振力。振動焊接是在焊接的整個過程中,包括降溫過程在內,給被焊構件一個較輕微的振動,使焊縫在熱狀態下調整應變而改變熱應力場,從而達到降低和均化應力。
振動焊接焊縫前後對比
振動焊接焊縫前後對比
03振動焊接對焊縫疲勞性能的影響
焊接結構的破壞大多數是疲勞破壞,而且疲勞破壞大多數發生在焊縫附近,這是近一百年來人們所公認的。因為它是焊接結構普遍存在的問題。因此在研究振動焊接技術的時候必須研究振動焊接對疲勞性能的影響。在振動時效機理的研究中,已經實驗證明:由於降低和均化了應力,使焊縫的疲勞性能增強,構件的疲勞壽命得到提高。
振動焊接可以大幅度提高焊接結構件的疲勞壽命,提高率在70%以上,振動焊接確實是提高焊件疲勞壽命的有效方法。平臺振動焊接(即不共振的振動焊接)
04振動焊接工藝規程
應該看到的是振動焊接和振動時效是為提高焊縫質量而在兩個階段分別採取的技術工藝過程。振動焊接是在焊接過程中進行的振動處理過程,而振動時效是在構件焊接成型後而進行的時效處理過程,前者的作用在於使晶粒細化提高材料的機械性能。降低焊接應力和變形、減少氣孔和雜質並使焊接紋理細密提高宏觀焊接質量。而後者則是專門用於降低和均化焊接應力,消除殘餘應力對變形、開裂和疲勞壽命的影響。相比較而言,儘管在消除應力方面、振動焊接起到一定的作用,但其畢竟振動很小,產生的動應力不大,因此消除主應力的效果是趕不上振動時效的效果更好。從這一點出發,對於大型構件建議工藝規程應是振動焊接與振動時效同時採用:即第一階段在焊接過程中採用振動焊接、第二階段採用振動時效處理這將是最佳工藝規程。
振動焊接工藝參數
1.激振頻率 20Hz~100Hz;
2.激振振幅 10μm~50μm;
3.振動方式 共振與非共振均可;
4.構件直接振動或振動臺帶動構件振動均可;
5.振幅的選擇應儘量接近材料晶粒的直徑,即不同材料選用不同的振幅;
6.在20Hz~100Hz範圍內如有共振峰,可選擇共振峰高1/3~2/3所對應頻率來處理,但要保證振幅在規定範圍內,共振易於調整振幅值;
05振動焊接技術的適用性
振動焊接技術的特點決定了該項技術的適用性。各種實驗驗證了該項技術有如下的特點:
1.焊接結晶過程中振動可使晶粒細化,因此使焊縫材料力學性能顯著提高,材料的屈服極限σS、強度極限σb均可提高10%~30%,這有助於防止焊接熱裂紋和冷裂紋的發生。
2.降低焊接殘餘應力30%以上,這有助於於防止或減少焊接構件使用中發生裂紋,延長使用壽命,穩定構件的尺寸精度。
3.降低焊接變形30%以上,如果採用“予剛度法”和“予應力法”則變形可降低60%以上,達到設計要求。
4.由於晶粒細化和殘餘應力的降低,提高了焊縫斷裂韌性20%以上,極大的提高了焊縫材料抗開裂的能力。
5.提高疲勞極限15%以上,提高焊縫疲勞壽命70%以上。這是各種效果的綜合值,提高使用壽命這也是各種附加工藝所追求的最終目標。
6.減少砂眼、跳焊等,使焊接紋理細密,減少根部的應力集中,顯著提高焊接質量。
7.可免除焊接予熱過程或降低予熱溫度。
8.可排除焊後的熱時效或振動時效處理。
9.顯著的防止或減少焊接裂紋,這是振動焊接一項最突出的特點。
根據上述優點,不難看出振動焊接技術比起振動時效來說具有更廣闊的前途和更大的適用性。可以說振動焊接技術在所有的焊接過程中均可應用,特別是對於焊接中易出現裂紋和變形的構件應最先選用振動焊接。對於壓力容器,如能採用振動焊接一定會獲得更好效果,必將大大增加設備的安全度。
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