铝合金焊接结构塑性变形及断裂失效预测方法

铝合金焊接结构塑性变形及断裂失效预测方法

刘细红鞠良

中车青岛四方机车车辆股份有限公司车体分厂山东青岛266111

摘要：近年来，高质量的铝合金焊接结构件作为高速动车组的关键零部件得到越来越广泛的应用。受焊接工艺的影响，铝合金焊接接头处材料的组织和成分变得与母材大不相同，焊缝和热影响区材料的力学性能发生了不均匀变化。

关键词：铝合金焊接结构；局部材料性能；损伤模型；开裂

引言

随着社会时代的快速发展，大型结构件在工业生产中的应用日益广泛，比如一些高速动车组的关键零部件都是由一些大量尺寸且结构不一的钢板焊接而成的，而这些都是属于大型结构件。但是在实际的使用过程中，大型结构件需要在进行焊接后才能正常使用，所以在日常的工业中，各个行业对大型结构件焊接后的尺寸和位置的精确度要求比较高。因此，如何控制大型结构件焊接变形对实际的工业机械发展有着一定积极的现实意义。

1大型结构件焊接工艺分析

在大型结构件焊接的过程中，施工工艺将直接影响到工程的整体水平以及焊接质量，同时也会直接影响到大型结构件自身的安全性与稳定性。在这也就需要技术人员在焊接的过程中充分保证焊接工艺的正确性，减少结构变形以及其他焊接问题，提高焊接工程质量。目前，在焊接工艺中主要是包括了预处理、下料、焊接方法、设备、辅助材料、工具等，需要焊接技术人员在实际操作的过程中严格按照各个操作环节来完成各项工作。在上述环节中，焊接方法与设备是最为主要的一部分内容。目前大型结构件焊接方法主要是采用气体保护焊接方法，在实际应用的过程中主要是利用二氧化碳来保护焊接过程，或者是采用混合气体保护焊，而混合气体通常又是由90%氩气、10%二氧化碳来构成的。若是就其保护效果进行分析，混合气体保护焊可以起到很由于焊接工程本身就具有一定的特殊性，变形情况无法避免，这也就需要技术人员结合实际情况，及时采取有效措施，防止对大型结构件焊接工艺造成影响。在设备选择方面，焊接技术人员则是应该结合实际情况，根据工程要求、材料等来进行科学选择，使得焊接设备更加符合焊接要求。

2大型结构件焊接变形的类型

（1）弯曲变形。焊接弯曲变形实际上指的是由于多条焊缝的内力和收缩变形所导致的变形，这样的情况大多发生于焊接部件的外部上，比如一些尺寸相差过大，横截面积不对称的地方。有时还是由于焊接次序不合理造成的。（2）波浪式变形。所谓波浪式变形，通常指的是当板材的厚度小于5-6mm的时候，这样的薄板在焊接过程中，容易出现波浪变形，之所以会出现这样的情况可能是又在焊缝收缩的过程中由于局部的较大压应力引起薄板之间的失稳而引起。（3）收缩变形。收缩变形是常见的大型结构件焊接变形的一种，它是焊接变形的基本类型。主要是指在大型结构件焊接冷却的过程中（焊缝由液态转为固态转化）将产生焊接应力和焊缝体积缩小的现象，这样就容易造成焊接后所焊接的物件的外形尺寸变小，这样的情况主要发生在简单的结构焊接件焊接中。

3铝合金焊接变形原因和影响因素

在轨道车辆中，铝合金车体由于轻量化、气密性好、生产效率高等优点被广泛应用。与以前铁路普遍采用的碳钢材料相比，铝合金具有导热率高(是钢的3倍)、线膨胀系数大(是钢的3倍)、焊缝熔化再结晶收缩率大(约6%)等特性，决定了其焊接时需要采用大的热输人量。同其他金属一样，铝合金焊接过程温度场分布不均匀而引起的局部塑性变形、热胀率容积不同是产生焊接变形的根本原因。

4铝合金拼焊薄壁梁压缩变形有限元模拟及试验验证

铝合金拼焊薄壁梁轴向压缩试验在100kN的型号为Instron1346万能材料试验机上进行，压缩速度为5mm/min。建立铝合金拼焊薄壁梁结构轴向圧缩试验有限元模型，焊接接头每个子区划分到不同的组件，接头处网格尺寸为1mm。薄壁梁上下两端面采用刚性盖板模拟压缩试验机对薄壁梁的压缩作用，下端保持固定，上端施加恒定的速度边界条件。母材、焊缝、热影响区材料输入修正的应力-应变曲线和损伤参数。仿真和试验得到的压缩初始屈曲变形形态对比如图1所示。由图可知，屈曲失稳首先在焊接接头处热影响区发生，焊缝上下两侧热影响区都发生了失稳。由仿真和试验结果对比可知，仿真模型准确地预测了拼焊薄壁梁屈曲失稳发生的位置和变形形态。仿真和试验裂纹起始位置对比如图2所示。由图可知，试验中开裂现象起始于热影响区，然后向薄壁梁棱角处扩展，随后沿棱角纵向撕裂。仿真也很好地再现了这一过程，说明仿真模型能够准确预测拼焊薄壁梁的变形和开裂行为。

图1仿真和试验压缩初始屈曲变形形态对比

图2仿真和试验裂纹起始位置对比

5应对大型结构件焊接变形的预处理措施

预处理主要是为了最大程度上减少大型结构件焊接变形问题而针对型材进行处理，通过采取这种方式来避免大型结构件焊接过程中可能产生的结构变形情况。在这一过程中，焊接技术人员首先需要完成的是金属表面的清洁工作。由于型材会在很长一段时间暴露在外界环境中，而在这一过程中金属表面会附着诸多油污、锈蚀、氧化皮、灰尘等，会在一定程度上影响到焊接质量，因此焊接技术人员需要将这些附着在型材表面的物质进行去除，以避免出现夹渣、气孔等焊接缺陷，而金属表面的耐腐蚀性也可以进一步提升，从而在最大程度上规避焊接问题。在型材预处理环节，主要是可以通过化学、机械处理两种方式，如机械酸洗、喷丸法、人工打磨等。其次，为了避免出现大型结构件焊接变形问题，焊接技术人员还应该对焊接方向进行合理布置，可以采用逆向分段焊接法、中间向两侧分段退焊法，以此来减少残余变形出现的可能性。在此基础上，焊接技术人员还应该合理安排焊接顺序，在构建数量、间隔相互较大的情况下，可以采用跳焊法，使得热量分布更为平均，达到减少结构焊接变形的目的。

结语

众所周知，由于一些大型结构件的尺寸、质量、密度过大，在其形成的过程中需要进行多次复杂的焊接，所以这样要控制好其焊接变形的概率的难度非常大。此外，这样的工程耗费的成本非常高，所以我们要尽量的在焊接过程中降低变形率，才能提高利润。

参考文献

[1]朱亮.力学性能不均匀焊接接头的强度预测[J].焊接学报，2015.

[2]付磊.基于DIC技术和硬度试验的焊缝材料参数识别新方法[J].中国机械工程，2015.