钢摩擦叠焊焊点分布规律范文

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《焊接杂志》2016年第二期

摘要

摩擦叠焊是一种新型的水下修复方法。在单排孔DH36钢干式摩擦叠焊工艺试验中发现在塞孔底部容易出现未熔合现象，针对这一问题进行了分析，建立钻头受力模型，发现钻孔时钻头所处不同区域的硬度变化造成了钻孔的偏斜，从而影响焊接质量，进而提出了相应的解决方案，对摩擦叠焊中焊点分布及焊接次序进行了研究。

关键词:

焊点分布；钻头受力模型；摩擦叠焊；DH36钢

摩擦叠焊是一种新兴的水下结构物修复方式，由于摩擦叠焊是摩擦焊的一种，无电弧存在，且受热相对较小(变形也小)，且不受水深的影响，因此备受关注。

1钻孔问题分析

DH36为常见的海洋结构用钢，其化学成分和供货状态按GB/T712—2000《船体结构用钢》标准执行。该钢材强度高、低温韧性好而且具有一定的抗腐蚀性以及碳当量低、良好的焊接和加工成形等性能。文中采用的DH36钢板化学成分见表1，DH36的力学性能测试结果见表2。在DH36钢摩擦叠焊缝焊研究过程中，发现经常会出现焊缝侧壁未熔合的现象，如图1所示。焊缝侧壁未熔合缺陷将影响整体焊缝质量，甚至造成焊接结构件的破坏，因此研究其产生原因是非常有必要的。从图1中可以发现，结合线稍有偏斜，初步推断前期的钻孔偏移，导致焊缝成形质量差，影响塑性金属的流动性，从而导致了侧壁的未熔合现象。因此，研究焊接过程中钻孔工艺及其对焊缝成形质量有着重要的作用。文中将针对摩擦叠焊钻孔出现偏差的原因进行分析。DH36钢摩擦叠焊的中心温度在1100℃左右，焊接结束后焊孔边缘地区会由于水的淬火作用形成高强度高硬度的马氏体组织，其硬度很大，其分布如图2所示。第一个孔成形时，由于是直接在母材上进行，因此与普通钻孔无异，但是当钻下一个孔时，则与第一个焊点有交集，从而影响钻孔过程。下面将对这种情况下的钻孔受力进行分析，并建立模型。

1．1钻头受力分析及模型钻削时，钻头主要受到横刃上的切削力、主切削刃上的切削力、刀具四周与内孔的摩擦力和切削排除时造成的摩擦力。文中忽略后两个力，仅分析横刃上的切削力、主切削刃上的切削力。如果钻头两侧的切削抵抗比不同，且有切削抵抗比分界线距离钻头轴线的最小距离为d2(此处不考虑钻头的前进端和退出端受力不均匀)。钻头的前进端和退出端受力不均匀也会在一定程度上产生偏移，其力的方向与摩擦叠焊焊缝方向呈一定角度，但是其数值远小于切削抵抗比不同产生的偏移，几乎可以忽略不计。

1．2摩擦叠焊钻孔偏斜问题分析摩擦叠焊焊前需要钻孔，新孔如果在母材上直接进行加工，则符合模型式(4)，钻头不会发生挠曲，钻出的孔也不会偏斜。但是如果新孔与焊点存在交集时，则存在上述模型式(5)中的问题，且更加复杂。焊点上的硬度分布不均(即ks1是变化的)，且大于母材的硬度，造成钻头两侧的受力不对称，且ΔFRmax的计算困难。由模型式(6)可见，当材料两边硬度不相同时，切削刃接触到高硬度高强度材料时，径向分力的变化主要来自硬度变化引起的切削抵抗比ks1的变化，进给速度f的变化和新孔与焊点交集大小的变化，即(d－d2)/2的大小变化。在钻头进入硬度不均匀区域工件初期，其平面上的力主要来自不为0的径向力，刀具的偏差如图4所示。径向力随着(d－d2)/2之差而变化。如果在钻孔初期有一个偏移量q0，随着加工的继续，在钻头端部有更大的偏移量q。硬度不均引起的钻孔水平分力是导致孔心偏移，甚至导致刀具折损的主要原因。

2摩擦塞焊焊点分布规律研究

单排孔摩擦叠焊的焊点分布可分为2种，如图5a和5c所示的顺序分布和间隔分布。顺序分布的焊点钻孔时是如图5b所示的交叠，前一焊点的高硬度必然带来当前塞孔的偏斜，因此在母材有一定硬度且焊后硬度明显升高的情况下，不宜采用这种焊点分布方式。而间隔分布的焊点钻孔时交叠情况如图5d所示，两边受力均匀，钻孔时不会出现偏斜情况，因此这种焊点分布方式有利于焊缝质量的提高。

3结论

(1)与在均匀材料上钻孔相比，硬度不均匀的材料钻孔初期，有较大的水平分力，其构成主要是径向力。使刀具偏离中心的径向力，主要与硬度引起的切削抵抗比变化，进给速度的变化，新孔和高硬区域的交集大小以及钻头的形状相关。(2)在单排孔DH36钢摩擦叠焊中，间隔分布的焊点分布比顺序排布时的焊接质量好。

作者：许威 黄江中 宋国祥 张大伟 王志江 贺钧 王东坡 单位：海洋石油工程股份有限公司 天津大学 天津市现代连接技术重点实验室