動態控制薄板構件低應力無變形焊接方法及其裝置制造方法及圖紙

一種用于薄板構件在焊接過程中動態控制焊接應力和變形的方法和裝置。采用可跟隨焊接熱源移動的急冷熱潭裝置，對仍處于高溫狀態的焊縫進行局部急速冷卻，獲得強烈的拉伸效應，定量地控制和補償焊縫區的壓縮塑性變形，降低殘余應力水平，防止薄板構件焊后的失穩變形。可定量地控制各種有色金屬、黑色金屬、合金鋼、耐熱合金等薄板構件的焊接應力與變形。該方法和裝置適用于鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊等的手工焊、自動和半自動焊接方法完成的各種形狀焊縫的低應力無變形的焊接。（*該技術在2013年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于焊接結構制造中控制焊接應力和變形的方法和裝置。用常規的焊接方法焊接薄板構件時，由于受焊接熱源局部加熱，焊縫區的溫度很不均勻，在焊縫區產生較大的壓縮塑性變形，并因此在焊后會形成與壓縮塑性應變場對應的殘余應力場。對于薄板結構，如果該殘余應力超過構件失穩的臨界應力，就會導致構件的失穩變形。控制和消除薄板構件焊接應力和變形通常采用的方法可分為焊前措施和焊后措施兩類。焊前措施如預變形法、整體拉伸法、預置溫度場等，利用對焊接區的反變形控制和補償焊接時產生的不協調應變，來控制焊接殘余應力水平，防止焊接變形。焊后消除已經發生的焊接殘余應力和變形的措施有如滾壓法、火焰矯正法、高溫回火、振動法等，這些焊后措施在結構制造過程中增加了一道工序。而且，以上各種控制和消除焊接應力和變形的方法，有的需要繁雜龐大的設備，有的費力耗時，有的對焊接應力和變形的控制效果有限，并且都受結構焊縫形狀復雜性的影響，應用范圍受到限制。由航空部第六二五研究所開發的薄壁構件低應力無變形焊接方法(中國專利N 87100959.5，簡稱LSND法-Low Stress Non-Distortion Welding)，在薄板焊接過程中利用特定的預置溫度場，同時采取相應措施防止工件在焊接溫度場與預置溫度場共同作用下的瞬態失穩變形，保證有效的“溫差拉伸效應”跟隨焊接熱源，可定量地控制焊縫縱向壓縮塑性應變，改變焊后的殘余應力場使之重新分布。從而沿用常規的焊接方法和焊接規范，即可達到低應力無變形的焊接效果。這種焊接方法屬于靜態控制法，必須設計制造專用的焊接夾具，而且受夾具和所設置的預置溫度場的限制，目前只適于在較短的直線焊縫上的靜態控制。本專利技術的目的在于克服上述方法靜態控制方面的局限性，提出一種直接在焊接過程中動態控制薄板構件的焊接應力和變形的新方法，達到低應力無變形的焊接效果，不僅適用于直線焊縫，對于非直線、非規則焊縫也適用。原蘇聯У.И.Бирман等人專利技術的在焊接過程用液態射流強制冷卻焊縫區，并輔以局部輔助熱源的焊接方法和裝置(蘇聯專利№984757)，目的在于改善耐熱合金鋼的焊接性，改變焊接熔池結晶方向，防止焊接熱裂紋。但與本專利技術的焊接應力與變形的控制方法和所需的裝置均不同。本專利技術的構成是采用可跟隨焊接熱源移動的熱源，對仍處于高溫狀態的焊縫進行局部冷卻，在焊接區產生局部可控的準定常狀態畸變溫度場，利用該畸變溫度場產生的對焊縫高溫區的局部拉伸作用，控制和補償焊接產生的壓縮不協調應變，從而在焊接過程中控制應力、防止變形的焊接方法和裝置。熱潭的強度和位置是根據材料和結構的特性，通過對焊接熱彈塑性過程分析和測試相結合的方法優選確定的。本專利技術設備簡單，操作方便，技術經濟效益高，能保證各種薄板構件的焊接質量。在焊接過程中，用熱潭跟隨焊接熱源對仍處于高溫狀態的焊縫局部急冷來獲得強烈拉伸效應，“熱源-熱潭”系統是本專利技術獨具的特點。常規焊時，由于焊縫區受焊接熱源的局部加熱而急速膨脹，但其膨脹卻受到周圍溫度較低金屬的拘束，焊縫高溫區因此被強烈壓縮，并且由于高溫區材料的屈服極限較低，從而在焊縫區產生了很大的壓縮塑性變形，隨著焊件溫度的降低，焊縫區由于不協調壓縮塑性變形的產生，其收縮又受到周圍金屬的拘束，從而產生很大的殘余拉應力，而周圍金屬則產生殘余壓應力。對于薄板構件，由于其本身的剛度小，穩定性差，很容易在焊接殘余應力作用下發生諸如局部翹曲和扭轉等比較明顯的失穩變形。采用可跟隨焊接熱源移動的熱潭裝置，形成“熱源-熱潭”的多源系統，可在焊接熱源后適當位置，對焊縫高溫區局部急冷。雖然在焊接熱源作用下，焊縫區產生了一定的壓縮塑性變形，但由于在焊接熱源后，熱量開始向周圍溫度較低的區域擴散，使附近區域的溫度升高而產生膨脹。在這種情況下，利用熱潭對處于高溫狀態的焊縫區的局部急冷，使其局部急劇收縮，就會產生對該焊縫區的強烈拉伸效應，由此而產生的拉伸塑性變形補償了已產生的壓縮塑性變形，同時，由于熱潭的吸熱，構件的受熱區變窄，控制了壓縮塑性變形區的擴展，從而在殘余狀態下的焊接應力可以降到很低的水平，甚至在焊縫中心會出現拉伸塑性變形及與其相對應的殘余壓應力。這樣就在焊接過程中動態地控制了焊接應力與變形，防止了薄板構件的失穩變形，達到低應力無變形的焊接效果。這種動態低應力無變形焊接方法不受焊縫形狀和專用夾具的限制，熱潭可跟隨焊接熱源焊接任何長度的直線、非直線、非規則焊縫，實現對薄板構件焊接應力和變形的動態控制。為了全面了解本專利技術的內容，現結合有關附圖作如下具體說明，其中附圖說明圖1為本專利技術多源焊接系統裝置示意圖。圖2為常規焊接和動態LSND焊接后，薄板構件上縱向殘余應力分布(a)和相應的不協調應變分布示意圖(b)。圖3是常規焊接和動態LSND焊接后，薄板構件宏觀失穩變形量的對比。圖1是本專利技術多源焊接系統裝置示意圖。根據本專利技術所述薄板構件動態低應力無變形焊接裝置，包括焊接熱源①和熱潭系統。熱潭系統包括由冷卻介質噴嘴②和高壓氣流噴嘴③組合形成的介質霧化射流噴嘴和抽氣管④。⑥為焊接件，⑤和⑦是一般焊接使用的壓塊和墊板。該裝置的熱潭系統設計是基于以下考慮1、冷卻介質可根據焊接件的材料選用水、液氮或液化二氧化碳及其它冷卻液。2、在冷卻噴嘴外部設置一個抽氣管，可防止冷卻介質汽化對焊接熱源的干擾，保證焊接正常進行。抽氣管與真空泵相連接，在焊接過程中，真空泵能及時將冷卻介質蒸汽及多余介質排走。抽氣管下端采用柔性耐高溫材料(根據具體情況選用玻璃纖維布、石棉布、金屬絲刷等)制成的屏蔽網與工件接觸，實現抽氣管與焊件間的動態封嚴。這樣，熱潭可跟隨焊接熱源適應各種形式的焊縫，實現動態控制。3、熱潭冷卻位置定量可調。在同樣的熱潭強度下，熱潭不同的冷卻位置對焊接應力和變形的控制效果不同。本專利技術將冷卻噴嘴和抽氣管固定在一個三向可調的裝夾機構上，可將熱潭的冷卻方便地調節到最佳位置上，還可通過自動控制，使熱潭實現對焊接熱源的自適應跟隨。4、熱潭強度定量可調。在同一熱潭冷卻位置，不同的熱潭強度對焊接應力和變形的控制效果不同。本專利技術給冷卻介質和高壓氣流均配置了流量計，可實現對熱潭強度的定量調節。5、熱潭冷卻效果的加強。為了增強熱潭對焊縫高溫區的局部急冷拉伸作用，必須加強冷卻介質與焊縫高溫區的換熱。如果用冷卻液直接噴射到焊縫高溫區，雖然換熱較強，但由于噴到焊縫上的冷卻液汽化后，在焊縫表面會形成一層汽膜，阻礙冷卻液的進一步汽化和熱交換。為此本專利技術用高壓氣體通過高壓氣流噴嘴將冷卻液先行霧化后，再噴射到焊縫高溫區，這樣，大大增加了冷卻液與焊縫的接觸面積，加強了冷卻液的汽化，提高了換熱系數，增強了熱潭的冷卻效果。圖2為不同焊接方法試驗結果中的一個典型例證。厚度為1mm的低碳鋼板件用常規的鎢極氬弧焊和多源系統焊后測定分析了動態LSND焊接法對板件內縱向殘余應力的控制結果。兩種焊接方法規范相同，均為焊接電流50A，電弧電壓10V，焊速12m/h。多源系統焊接時，冷卻介質用自來水，流量為60ml/min，熱源熱潭中心間距20mm。由圖可以看到，常規焊時，焊縫區有很大的殘余壓縮塑性變形量，相應殘余應力水平很高(圖2(a)與圖2(b)的曲線1)。而用多源系統焊接的結果，壓縮塑性變形得以補償和控制，焊縫區的殘余拉應力水本文檔來自技高網...

【技術保護點】
采用可跟隨焊接熱源移動起急冷作用的熱潭對仍處于高溫狀態的焊縫進行局部冷卻，在薄板構件的焊接過程中，直接控制焊接應力和變形的方法，其特征在于根據材料和構件特性優選熱潭強度和熱潭位置等參數，同時采取措施保證冷卻介質不干擾焊接熱源，獲得焊縫高溫區的局部急冷拉伸效應，定量地控制和補償焊縫區產生的壓縮塑性變形，達到動態控制的低應力無變形焊接效果。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：關橋，張崇顯，郭德倫，
申請(專利權)人：北京航空工藝研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]