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轻金属材料结构制造中的搅拌摩擦焊技术 与焊接变形控制 （下） FrictionStirWeldingandDistortionControling inLightMetalStructuralManufacturing(Ⅱ ) 关 桥 北京航空制造工程研究所 五、轻金属结构制造中的焊接变形控制 在轻金属薄壁结构的焊接制造中，板壳构件失稳翘曲变形比其他形式的焊接变形更为严重。尤其是飞 行器结构一般多选用厚度不大于4mm的金属板材，如带筋壁板、燃料贮箱等。如图l4所示，当板件的厚 度小于4mm时，则焊接残余应力所引发的失稳翘曲变形必然会突现，这是因为板件失稳翘曲的临界压应力 值陡然降低的结果。 轻金属材料结构制造中的搅拌摩擦焊技术与焊接变形控制(下) stress 温度梯度来实现，这一方案，可称为全截面热拉伸的低应力无变形(bw No—Djstoni彻，以下简称 地控制焊接应力与变形；同时，利用所采取的措施阻止工件的瞬态面外失稳变形，保证由可控的预置温度 场所提供的温差拉伸的有效性。在焊接过程中该“拉伸效应”一直跟随焊接热源，并在热应力应变的产生 和发展过程中实时而积极地控制着不协调应变。焊后残余应力的峰值可以控制到低于临界失稳应力的水平， 保证了工件原有的平直状态(图16)。目前，这一方法已成功应用于运载火箭的燃料贮箱等航空航天铝合 金薄板结构的制造，可满足设计要求的失稳翘曲挠度小于l／1000的技术条件。 1Y℃一 叽 丁一 o ’I l t 0 以，＼≮j一 鞫一＼ ∥： 图15在板件整个横截面上由预置温度场建立的全截面热拉伸——“静态”低应力元变形焊接法的原理 图16厚度1．6衄铝合金试件(b，d)常规焊后变形严重(b上部照片)，挠度，甚大(d左侧)；采用 15ND焊后无变形(b下部照片)，挠度jr=0(d右侧)；8，c所示为不锈钢试件对比 七、局域热拉伸低应力无变形焊接法 为解决有色金属构件制造焊接变形问题，北京航空制造工程研究所继续研究开发了动态控制低应力无 bw con呐Ued 变形(Dvn咖icauy 热拉伸效应的“主动”控制技术之一。采用可跟随焊接热源移动的热沉装置，形成一个热源一热沉多源系 统，在给定的焊接等温线内，由陡峭的温度梯度，引发局域热拉伸效应(图17)，从而获得低应力、无变 形的薄壁焊接结构。DC—LSND焊接方法与其他控制焊接应力与变形的方法相比，不需庞大的专用设备， 对焊接接头形状的适应性强，操作灵活简便，有着广泛的应用前景。 508 焊接论文 皴低谷＼ ＼ ，，，／／ ／Z一一一一。 图17热源一热沉在某给定的焊接等温线内引发局域热拉伸效应 图18为采用FEA在钛合金板件上获得的焊接温度场。由图18，19可以看出，与常规焊温度场相比， 形；在焊接热源运动方向上，即焊接纵向上，温度在热沉处迅速下降，形成温度低谷。由此可以直观看出， 区域，表明热沉大大压缩了试件上高温区的范围。高温等温线在热沉前方急剧回缩，等温线形状也不再是 常规焊等温线拉长的近椭圆形状，而是畸变等温线；在热沉前方，等温线高度集聚，热源与热沉之间的温 度梯度急剧加大。值得注意的是，在DC—LsND焊中，由于有热沉的冷却作用．热沉前方等温线仅为 400℃，而常规焊在此处则具有800℃的高温。在纵向(x向)，热沉处的温度最低；热沉通过后，由