双向超声波随焊控制铝合金焊接应力变形及热裂纹的机理研究

针对铝合金薄壳结构以及大厚度构件多层焊中变形大和热裂纹倾向严重的难题，本课题从力学角度出发，采用双向超声波随焊方法，达到综合控制铝合金焊接变形和热裂纹的效果，即在沿板厚方向对处于熔池后方一定距离的高温冷凝焊缝金属施加超声波振动力，并保持与焊枪的随动，连续均匀地塑性延展焊缝金属，补偿焊缝加热过程中的压缩应变，在焊接过程中降低实时瞬态应力，从而减少焊接变形；同时从两侧施加指向焊缝中截面的超声波，对脆性温度区间内焊缝金属施加一横向挤压振动力，起到抑制裂纹的作用；超声振动兼顾改善焊缝金属结晶形态，细化晶粒，起到提高焊接接头力学性能及质量的目的，并辅以数值模拟技术进行理论计算。本技术的研究将会丰富和发展焊接热裂纹和焊接应力变形的控制理论，在国防及民用焊接领域有着良好的应用前景，使铝合金等轻金属材料在航天航空等工程焊接结构中得到广泛应用，提供必要的理论基础和技术依据。

针对铝合金薄壳结构中变形大和热裂纹倾向严重的难题，本课题从力学角度出发，提出双向超声波随焊方法，达到综合控制铝合金焊接应力变形和热裂纹的效果。完成了超声随焊降低残余应力和控制焊接变形的机理；横向超声控制焊接热裂纹的机理；双向超声的交互作用；双向超声对显微组织和力学性能的改善；通过大量的试验验证了该创新方法的科学性。.根据控制焊接应力变形和防热裂的试验要求，研制出了适用于平直焊缝的的双向超声随焊激振装置。.采用有限元分析方法对沿板厚方向超声随焊作用下应力场进行了热-力耦合数值模拟计算，确定了超声功率、超声振幅和激振力的量化关系；超声激振作用点与焊接电弧的距离等重要参数。随着超声功率的增加，残余应力的幅值相应降低，对于尺寸为320mm×200mm×2mm的LY12铝合金薄板焊件，当激振点与热源距离为40mm，超声功率为284W时，焊后最大残余拉应力和压应力峰值分别为61MPa和-25.6MPa。残余压应力等效平均值为15.3MPa，低于该尺寸薄板的临界失稳应力值22.2MPa，可以完全消除失稳变形。由此可见，超声波激振随焊法能够显著降低焊后残余应力。焊后测量的最大挠度为0.9mm，只有常规焊的10%。.横向超声能有效地控制铝合金焊接热裂纹的扩展与产生，横向超声产生的动态压应力对脆性温度区间金属通过应变传递方式产生横向压缩应变，减小甚至抵消BTR焊缝金属的横向拉伸应变，使之低于金属最低塑性值。鱼骨状试样裂纹试验结果表明，采用整体加超声时，随着超声振幅的增加，裂纹长度逐渐减小，常规焊时热裂纹率高达45%，当超声振幅为0.5mm时，裂纹率为0。.板厚方向的超声对热裂纹的控制几乎无影响，而横向超声会按照泊松比的关系，在板中心上产生的纵向应变会使得焊接残余拉应力峰值降低，对控制变形起到一定程度的贡献，但限于本身压曲失稳的限制，在保证防止热裂纹所需的数值后，该值尽可能地小，否则将引起横向上挠变形，从试验结果得到验证。.本技术丰富和发展了焊接热裂纹和焊接应力变形的控制理论，在国防及民用焊接领域有着良好的应用前景，为铝合金等轻金属材料在航天航空等工程焊接结构中得到广泛应用，提供必要的技术依据。