鋼摩擦疊焊焊點分布規律范文

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《焊接雜志》2016年第二期

摘要

摩擦疊焊是一種新型的水下修復方法。在單排孔DH36鋼干式摩擦疊焊工藝試驗中發現在塞孔底部容易出現未熔合現象，針對這一問題進行了分析，建立鉆頭受力模型，發現鉆孔時鉆頭所處不同區域的硬度變化造成了鉆孔的偏斜，從而影響焊接質量，進而提出了相應的解決方案，對摩擦疊焊中焊點分布及焊接次序進行了研究。

關鍵詞:

焊點分布；鉆頭受力模型；摩擦疊焊；DH36鋼

摩擦疊焊是一種新興的水下結構物修復方式，由于摩擦疊焊是摩擦焊的一種，無電弧存在，且受熱相對較小(變形也小)，且不受水深的影響，因此備受關注。

1鉆孔問題分析

DH36為常見的海洋結構用鋼，其化學成分和供貨狀態按GB/T712—2000《船體結構用鋼》標準執行。該鋼材強度高、低溫韌性好而且具有一定的抗腐蝕性以及碳當量低、良好的焊接和加工成形等性能。文中采用的DH36鋼板化學成分見表1，DH36的力學性能測試結果見表2。在DH36鋼摩擦疊焊縫焊研究過程中，發現經常會出現焊縫側壁未熔合的現象，如圖1所示。焊縫側壁未熔合缺陷將影響整體焊縫質量，甚至造成焊接結構件的破壞，因此研究其產生原因是非常有必要的。從圖1中可以發現，結合線稍有偏斜，初步推斷前期的鉆孔偏移，導致焊縫成形質量差，影響塑性金屬的流動性，從而導致了側壁的未熔合現象。因此，研究焊接過程中鉆孔工藝及其對焊縫成形質量有著重要的作用。文中將針對摩擦疊焊鉆孔出現偏差的原因進行分析。DH36鋼摩擦疊焊的中心溫度在1100℃左右，焊接結束后焊孔邊緣地區會由于水的淬火作用形成高強度高硬度的馬氏體組織，其硬度很大，其分布如圖2所示。第一個孔成形時，由于是直接在母材上進行，因此與普通鉆孔無異，但是當鉆下一個孔時，則與第一個焊點有交集，從而影響鉆孔過程。下面將對這種情況下的鉆孔受力進行分析，并建立模型。

1．1鉆頭受力分析及模型鉆削時，鉆頭主要受到橫刃上的切削力、主切削刃上的切削力、刀具四周與內孔的摩擦力和切削排除時造成的摩擦力。文中忽略后兩個力，僅分析橫刃上的切削力、主切削刃上的切削力。如果鉆頭兩側的切削抵抗比不同，且有切削抵抗比分界線距離鉆頭軸線的最小距離為d2(此處不考慮鉆頭的前進端和退出端受力不均勻)。鉆頭的前進端和退出端受力不均勻也會在一定程度上產生偏移，其力的方向與摩擦疊焊焊縫方向呈一定角度，但是其數值遠小于切削抵抗比不同產生的偏移，幾乎可以忽略不計。

1．2摩擦疊焊鉆孔偏斜問題分析摩擦疊焊焊前需要鉆孔，新孔如果在母材上直接進行加工，則符合模型式(4)，鉆頭不會發生撓曲，鉆出的孔也不會偏斜。但是如果新孔與焊點存在交集時，則存在上述模型式(5)中的問題，且更加復雜。焊點上的硬度分布不均(即ks1是變化的)，且大于母材的硬度，造成鉆頭兩側的受力不對稱，且ΔFRmax的計算困難。由模型式(6)可見，當材料兩邊硬度不相同時，切削刃接觸到高硬度高強度材料時，徑向分力的變化主要來自硬度變化引起的切削抵抗比ks1的變化，進給速度f的變化和新孔與焊點交集大小的變化，即(d－d2)/2的大小變化。在鉆頭進入硬度不均勻區域工件初期，其平面上的力主要來自不為0的徑向力，刀具的偏差如圖4所示。徑向力隨著(d－d2)/2之差而變化。如果在鉆孔初期有一個偏移量q0，隨著加工的繼續，在鉆頭端部有更大的偏移量q。硬度不均引起的鉆孔水平分力是導致孔心偏移，甚至導致刀具折損的主要原因。

2摩擦塞焊焊點分布規律研究

單排孔摩擦疊焊的焊點分布可分為2種，如圖5a和5c所示的順序分布和間隔分布。順序分布的焊點鉆孔時是如圖5b所示的交疊，前一焊點的高硬度必然帶來當前塞孔的偏斜，因此在母材有一定硬度且焊后硬度明顯升高的情況下，不宜采用這種焊點分布方式。而間隔分布的焊點鉆孔時交疊情況如圖5d所示，兩邊受力均勻，鉆孔時不會出現偏斜情況，因此這種焊點分布方式有利于焊縫質量的提高。

3結論

(1)與在均勻材料上鉆孔相比，硬度不均勻的材料鉆孔初期，有較大的水平分力，其構成主要是徑向力。使刀具偏離中心的徑向力，主要與硬度引起的切削抵抗比變化，進給速度的變化，新孔和高硬區域的交集大小以及鉆頭的形狀相關。(2)在單排孔DH36鋼摩擦疊焊中，間隔分布的焊點分布比順序排布時的焊接質量好。

作者：許威 黃江中 宋國祥 張大偉 王志江 賀鈞 王東坡 單位：海洋石油工程股份有限公司 天津大學 天津市現代連接技術重點實驗室