异种钢焊接接头脉冲放电强化与力学性能分析

郑丽娟 向 龙 刘会莹 李 辉 付宇明

燕山大学，秦皇岛，066004

0 引言

焊接已经成为制造业中非常重要的共性工艺技术，在国民经济建设中具有不可替代的重要作用。焊接接头质量直接影响焊接件的可靠性和寿命。焊接裂纹是焊接接头中常存在的主要缺陷，它具有尖锐的缺口和大的长宽比特征，是焊接结构件最严重的安全隐患。焊接时焊缝易出现焊接缺陷，这是由于焊缝金属在冷却时收缩应力大。同时，对于异种材料焊接，由于其物理性能参数相差较大，焊接接头中更容易产生裂纹等缺陷，严重影响焊接质量［1－4］。

电磁热效应止裂强化是指向带有裂纹或者损伤的金属构件中通入强脉冲电流，利用欧姆效应产生热效应，实施裂纹止裂或者结构损伤修复的一种技术［5－10］。将该技术应用到焊接领域，可以改善焊接接头内部的应力状态，实现焊接接头热影响区组织的细化及裂纹的钝化，进而提高其力学性能。该项研究属于热磁弹性力学应用领域中的一个新分支。本文首先从数值模拟角度分析电磁热止裂强化技术对焊接接头中裂纹的强化作用，然后进行试验研究，对比分析脉冲放电对异种钢焊接接头力学性能的影响，数值分析和试验研究结果可为工程实际应用提供指导。

1 数值分析

1.1 异种材料焊接模型

采用通用ANSYS有限元软件进行数值分析，模型尺寸为50mm×15mm×10mm，如图1所示。V 形坡口为45°，材料采用 Q235和1Cr18Ni9，选用的焊条为奥307。常温下Q235材料物理属性和1Cr18Ni9材料物理属性如表1所示，奥307焊条元素的质量分数如表2所示，划分单元后的模型如图2所示。

表1 Q235和1Cr18Ni9材料物理属性

表2 奥307焊条元素的质量分数 %

图1 实物尺寸图

图2 模型建立

1.2 焊接结果分析

采用焊条电弧焊，焊接电压U＝30V，电流I＝140A，效率η＝0.70，采用高斯热源，其移动速度v＝0.001m／s。

图3 焊接完成瞬时温度场

图4 沿Z轴焊接热应力

图3所示为焊接完成瞬时整个焊接工件的温度场，可以看出，焊接完成瞬时熔池附近温度梯度较大。图4所示为沿Z轴方向焊接接头内部的热应力曲线，其坐标零点位于焊接接头的焊趾部位。从图4可以看出，熔池附近的热膨胀受到了周围材料的刚性约束，表现为热压应力，远离熔池处表现为热拉应力。图5为焊接工件冷却到常温（20℃）时沿Z轴方向焊接接头内部的残余应力曲线，其坐标零点位于焊接接头的焊趾部位，从图5可以看出，焊后的拉伸残余应力很大，其中X、Y、Z 方 向 最 大 值 分 别 约 为 300.6MPa、270.4MPa、210MPa。这是由于焊缝冷却收缩而产生了拉应力，焊缝附近区域被急速加热到高温状态使焊缝区急速热膨胀，热膨胀受到周围金属的约束，同时变形将产生很大的压缩，当焊接工件冷却时，焊缝区金属冷却收缩，冷却收缩同样受到周围金属的约束，因此冷却后焊缝区金属将产生很大的拉应力，而这种拉应力甚至经常超过材料的屈服应力，易使焊接接头内部产生裂纹等缺陷。

图5 沿X轴焊接残余应力

由上述分析可知，焊接时较大的温度梯度和冷却过程中的温度不均，很容易使焊接接头内部产生焊接热裂纹，焊接残余拉应力加剧了外载荷作用下焊接接头的破坏，因此，有必要对焊接接头内部的应力状态进行改善。焊接接头中存在大裂纹缺陷时，利用脉冲放电可进行止裂，若焊接接头中只存在微小裂纹或夹杂，则可利用脉冲放电时缺陷夹杂处的电流密度绕流积聚进行强化。

1.3 焊接裂纹的止裂分析

图6 带有椭圆型埋藏裂纹模型

图7 放电瞬间裂纹前缘温度场

焊缝在冷却过程中，由于其热应力很大且整体温度不均，故容易产生三维的空间热裂纹，这些裂纹可以简化为椭圆形空间裂纹［11－12］，其三维模型如图6所示，椭圆型裂纹长轴为2mm，沿X轴方向，短轴为1mm，沿Y轴方向。如图7所示，脉冲放电后裂纹的两个尖端在放电瞬间温度达到了1951℃，超过了材料熔点，使裂纹尖端产生钝化。图8所示为放电瞬间沿椭圆X轴方向热压应力变化情况，图9所示为冷却至常温（20℃）时，沿椭圆X轴方向残余压应力变化情况。从图8、图9可以看出，放电后椭圆形裂纹长轴的两个尖端表现为压应力，其值在X、Y、Z 方向分别约为1200MPa、900MPa、2378MPa，其值之所以非常大是由于在电磁热止裂模型中没有考虑裂纹受到压应力时产生闭合效应而使得其周围压应力减小的影响。

图8 沿椭圆形裂纹X轴方向热应力变化

图9 沿椭圆形裂纹X轴方向残余应力变化

由以上分析得出，对含有空间椭圆形埋藏裂纹的焊接接头进行脉冲放电，可以使接头中裂纹的尖端熔化，与焊接后接头中的残余拉应力相比产生了有利于阻止裂纹继续开裂的压应力，继而使整个埋藏裂纹在这种压应力的作用下产生闭合的趋势，使焊接接头的力学性能得到提高。

2 试验研究

2.1 试验方案与设备

试验采用熔化极氩弧焊。将Q235和1Cr18Ni9不锈钢材料采用线切割加工成所需试样，如图10所示，焊接方式采用对接焊。采用TZ－2H型数字化超声波探伤仪对焊后的试件进行探伤，并挑选20个含有裂纹的试件，其超声波探伤仪输出图形如图11所示，然后将这20个试件均分为A组和B组。A组试件进行电磁热强化试验，B组试件不进行强化试验。进行强化的试件采用一次脉冲放电，放电电压为9000V。试验是在自制ZL－2型超强脉冲电流发生装置（图12）上完成的。试验设备的最小放电周期为250μs，最大输出放电电流为140kA。脉冲放电曲线如图13所示。

图10 试件

图11 超声波探伤仪输出波形

图12 试验设备

图13 脉冲放电曲线

2.2 力学性能对比分析

未放电强化的试件和强化后的试件采用相同的试验条件，从A组和B组中各选取5个试件进行拉伸性能对比测试，A组和B组另外的各5个试件进行冲击性能对比测试。采用 WDW3100微机控制电子万能试验机进行拉伸试验，冲击性能试验在JBS－300金属摆锤冲击试验机上进行，试验结果平均值对比如表3所示。

表3 拉伸和冲击性能对比分析

从拉伸试验数据可以看出，未进行电磁热强化的试件拉伸时承受的最大力为26 275N，进行放电强化的试件拉伸时承受的最大力的均值为31 393N，放电强化后的试件拉伸时所能承受的最大力得到了大幅度提高，抗拉强度提高19.4%。冲击性能测试试验数据表明，未放电强化试件的冲击能量为69.61J，放电强化后试件的冲击能量为78.01J，提高12.07%。这个两个试验反映了焊接接头电磁热强化的效果，说明放电强化后，焊接构件金属的抗拉强度和韧性都得到了提高。

3 结论

（1）数值模拟表明，异种钢焊接接头经过脉冲放电强化处理后，接头内部的拉应力变成了阻止焊接接头内部裂纹开裂的压应力，且裂纹在尖端处钝化，双重强化作用使得焊接接头的力学性能得到改善。

（2）试验研究表明，经过脉冲放电强化后的异种钢焊接接头力学性能明显提高，抗拉强度提高19.4%，冲击韧性提高12.07%。

（3）数值模拟和试验研究证明了电磁热止裂对异种钢焊接接头强化的可行性和有效性，为工程中焊接接头强化和力学性能改善提供参考。

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