一種用于薄板構(gòu)件在焊接過程中控制焊接應(yīng)力和變形的方法和裝置。在焊縫區(qū)冷卻，在焊縫區(qū)外側(cè)加熱，形成所要求的預(yù)置溫差，在構(gòu)件的適當(dāng)部位施加外力，保證構(gòu)件在焊接溫度場和預(yù)熱溫度場同時(shí)作用下不發(fā)生其型面以外的壓曲失穩(wěn)變形。此方法適用于控制薄板對接焊縫、管筒殼體縱向?qū)雍缚p、直線角焊縫和丁字焊縫的焊接應(yīng)力和變形。（*該技術(shù)在2007年保護(hù)過期，可自由使用*）
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于焊接結(jié)構(gòu)制造中控制應(yīng)力和變形的方法及其裝置。在焊接薄板構(gòu)件時(shí)，由于熱源的不均勻加熱，在構(gòu)件上形成殘余壓縮塑性應(yīng)變場和殘余應(yīng)力場。殘余應(yīng)力場將使構(gòu)件失穩(wěn)變形。消除薄板構(gòu)件焊接變形通常采用的方法有兩種其一是在焊前對工件進(jìn)行預(yù)變形，用與焊接變形相反的預(yù)變形來補(bǔ)償焊接變形量;其二是在焊接之后再矯正已經(jīng)出現(xiàn)的變形。這些方法都需要在構(gòu)件制造工藝流程中增加相應(yīng)的焊前或焊后工序，并需有專用的設(shè)備，提高了成本，有時(shí)還難以保證焊接構(gòu)件的質(zhì)量。在焊接之前用于控制薄板結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力和變形的方法有如對工件整體加載拉伸法等，這類方法需要專用的加載設(shè)備，實(shí)施時(shí)技術(shù)復(fù)雜，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果較差，未能廣泛應(yīng)用。在焊接之后采用的方法有如1983年4月日本渡邊正紀(jì)等人申報(bào)的昭60-18292專利等。這些方法都是采用對焊縫區(qū)冷卻和在其相鄰的區(qū)域加熱，用溫差拉伸效應(yīng)來減小或消除焊接殘余應(yīng)力和變形。在焊接過程中，采取在焊縫兩側(cè)降溫減小應(yīng)力和變形的方法有如1981年7月Π.С.Астахов在蘇聯(lián)專利SU1066765中所述的靠揮發(fā)性較強(qiáng)的液體在焊縫兩側(cè)揮發(fā)吸熱降溫。這種方法只能減小變形和應(yīng)力而無法完全消除。另外，日本木下統(tǒng)雄、松井繁明等人在昭53-11138專利中采取大面積平臺壓緊并加熱焊縫以外的板面的方法，在焊接過程中控制變形。該裝置局限于焊接帶有加強(qiáng)剛性肋條的板件。蘇聯(lián)Я.И.Бурак等人在1977年№3和1979年№5期《自動焊接》(АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА)雜誌的著文，對于在焊接過程中冷卻焊縫區(qū)和加熱焊縫區(qū)以外的兩側(cè)來控制焊接應(yīng)力和變形的方法所形成的溫度梯度和相應(yīng)的拉伸應(yīng)力進(jìn)行了討論。雖然作者也把近似計(jì)算法用于薄板，但僅在4mm和5mm厚的試件上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還未見這種方法在4mm厚以下的薄板構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。實(shí)踐表明，這一方法在較薄的薄板構(gòu)件上不能獲得預(yù)期的效果。反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)研究的結(jié)果證明在預(yù)置溫度場和焊接溫度場同時(shí)作用下，薄板構(gòu)件在壓應(yīng)力區(qū)發(fā)生壓曲失穩(wěn)變形，失去了預(yù)置拉伸效應(yīng)。本專利技術(shù)的目的在于克服上述各類方法的缺點(diǎn)，形成一種針對4mm以下薄板構(gòu)件受壓容易失穩(wěn)特點(diǎn)的、直接在焊接過程中實(shí)施的控制薄板構(gòu)件焊接應(yīng)力和變形的方法和裝置，操作簡便，節(jié)省能源，無需專用重型設(shè)備，達(dá)到低應(yīng)力、無變形的實(shí)際焊接效果。同時(shí)也適用4mm以上的構(gòu)件的焊接。本專利技術(shù)的構(gòu)成是一種在焊接區(qū)冷卻，焊縫區(qū)外側(cè)加熱，形成特定的預(yù)置溫度場，在構(gòu)件適當(dāng)?shù)牟课皇┘油饬ΓＷC構(gòu)件在預(yù)置溫度場和焊接溫度場同時(shí)作用下不發(fā)生型面以外的壓曲失穩(wěn)變形，從而獲得特定的溫差拉伸效應(yīng)，在焊接過程中控制應(yīng)力和變形的焊接方法(以下簡稱NDW法)及其裝置。應(yīng)用本專利技術(shù)操作簡便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高，能保證焊接構(gòu)件的質(zhì)量。在焊接過程中，保證構(gòu)件在預(yù)置溫度場和焊接溫度場同時(shí)作用下不發(fā)生型面以外的壓曲失穩(wěn)變形，獲得預(yù)置溫差拉伸效應(yīng)是本專利技術(shù)獨(dú)具的特點(diǎn)。溫差拉伸效應(yīng)指的是預(yù)置溫度場在焊縫區(qū)域所形成的拉伸應(yīng)力分布。拉伸應(yīng)力水平越高，控制焊接應(yīng)力變形的效果越好。焊接區(qū)拉伸應(yīng)力的形成是由于在焊縫區(qū)冷卻，焊縫區(qū)外側(cè)加熱，熱脹冷縮效應(yīng)所致。如果在預(yù)熱和焊接過程中，構(gòu)件型面以外出現(xiàn)了壓曲失穩(wěn)變形，將直接影響拉伸效應(yīng)和控制應(yīng)力和變形效果。在焊接和預(yù)熱時(shí)所形成的壓應(yīng)力的作用下，薄板構(gòu)件容易出現(xiàn)壓曲失穩(wěn)變形。板殼理論和焊接結(jié)構(gòu)分析表明厚度在4mm以上的板件，由于其壓曲失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值較高，因而這些焊接構(gòu)件的失穩(wěn)變形對應(yīng)力的變化并不敏感。但是在同樣的條件下，若構(gòu)件的厚度在4mm以下，則其發(fā)生壓曲失穩(wěn)的臨界應(yīng)力值較小，因而構(gòu)件在焊接和預(yù)熱過程中是否發(fā)生壓曲失穩(wěn)變形對構(gòu)件內(nèi)部壓應(yīng)力水平的變化非常敏感，焊接和預(yù)熱同時(shí)作用，構(gòu)件將發(fā)生失穩(wěn)變形。在實(shí)施NDW法時(shí)，在構(gòu)件的適當(dāng)部位施加外力，保證構(gòu)件在預(yù)熱和焊接時(shí)不發(fā)生型面以外的失穩(wěn)變形。對于平板對接焊縫和管筒殼體縱向?qū)雍缚p，實(shí)施NDW法的步驟是焊縫區(qū)冷卻，焊縫區(qū)以外兩側(cè)加熱，造成特定的預(yù)熱溫差，在構(gòu)件適當(dāng)部位施加外力，再進(jìn)行焊接。外力施加的方法是在焊縫的兩側(cè)各選兩點(diǎn)，一點(diǎn)緊靠焊接熱源加熱部位，另一點(diǎn)位于形成預(yù)置溫度場的加熱部位。所施加外力的數(shù)值根據(jù)構(gòu)件的材料和結(jié)構(gòu)特性確定，以保證構(gòu)件不失穩(wěn)為限。對于直線型角焊縫和丁字型焊縫，在實(shí)施NDW法時(shí)，造成預(yù)置溫差的方法是在焊縫區(qū)冷卻，除在焊縫兩側(cè)的平板上設(shè)置加熱區(qū)外，還要在垂直于平板的肋板上設(shè)置加熱區(qū)，并保證構(gòu)件不發(fā)生型面以外的失穩(wěn)變形。在焊接具有淬硬傾向的材料時(shí)，在保證焊接區(qū)有一定的預(yù)熱溫度的基礎(chǔ)上，形成預(yù)置溫差，控制構(gòu)件焊接應(yīng)力和變形，并防止其淬硬或裂紋。對應(yīng)NDW法的一種薄板構(gòu)件低應(yīng)力無變形裝置，包括焊接熱源、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，適應(yīng)焊接平板對接焊縫、筒體縱向?qū)雍缚p。在被焊構(gòu)件的下面有三個(gè)延焊縫伸展的剛性支撐體，其中一個(gè)在焊縫正下方，另外兩個(gè)分別等距離的位于焊縫的兩側(cè)，中間的支撐體可帶有流通冷卻介質(zhì)的通道，中間支撐體和兩側(cè)支撐體之間的空腔中有加熱裝置，在焊縫正面的兩側(cè)有加壓裝置，加壓裝置每側(cè)有兩個(gè)加壓點(diǎn)，其中一點(diǎn)對應(yīng)于中間支撐體，另外一點(diǎn)對應(yīng)于兩側(cè)的支撐體之一。該裝置操作簡便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高，調(diào)節(jié)參數(shù)多，適應(yīng)面廣。為了全面了解本專利技術(shù)的內(nèi)容，現(xiàn)結(jié)合有關(guān)附圖作如下具體說明，其中圖1為平面對接焊時(shí)采用的NDW方法圖。圖2為直線型角焊縫焊接時(shí)采用的NDW方法圖。圖3為直線型丁字型焊縫焊接時(shí)采用的NDW方法圖。圖4為預(yù)置溫度分布和與其相對應(yīng)的溫差應(yīng)力分布曲線。圖5為一個(gè)壓力點(diǎn)壓緊時(shí)構(gòu)件受壓應(yīng)力作用失穩(wěn)的情況。圖6為兩個(gè)壓力點(diǎn)壓緊構(gòu)件的情況。圖7為焊接具有淬硬傾向的材料時(shí)的預(yù)置溫度分布曲線。圖8為低應(yīng)力無變形焊接裝置示意圖。圖9為平板對接焊時(shí)加壓系統(tǒng)圖。圖10為筒體縱向?qū)雍笗r(shí)加壓系統(tǒng)圖。圖11為常規(guī)焊后和采用NDW法焊后焊縫區(qū)縱向殘余壓縮塑性應(yīng)變量測量結(jié)果。圖12為常規(guī)焊后和采用NDW法焊后構(gòu)件上的縱向殘余應(yīng)力測量結(jié)果。圖1表示NDW法在平板對接焊時(shí)的情況。冷卻系統(tǒng)1冷卻焊縫區(qū)域，加熱系統(tǒng)2加熱焊縫區(qū)兩側(cè)，3為焊接熱源，4為被焊構(gòu)件。外力P1、P2分別施加于緊靠焊接熱源的加熱部位和預(yù)置溫度場的加熱部，防止構(gòu)件在預(yù)熱和焊接時(shí)型面以外的壓曲失穩(wěn)變形。P2施加的位置一般在離開焊縫中心90-120mm處，P1點(diǎn)的線壓力一般為15-20kg/cm，P2點(diǎn)的線壓力一般為10-15kg/cm。圖2、3分別表示NDW法在直線型角焊縫和丁字型焊縫焊接時(shí)的情況。冷卻系統(tǒng)1在焊縫區(qū)冷卻，三個(gè)加熱器2在焊縫區(qū)以外的區(qū)域加熱，形成預(yù)置溫差，同時(shí)施加外力P1、P2，防止構(gòu)件在型面以外的失穩(wěn)變形。外力施加的方法與平板對接焊時(shí)的情況相同。在圖4中給出了預(yù)熱溫度分布和與其相對應(yīng)的溫差應(yīng)力分布。焊縫區(qū)域的溫差拉伸效應(yīng)，取決于預(yù)熱溫度分布。在實(shí)際實(shí)施NDW法時(shí)，預(yù)熱溫度分布主要有三個(gè)參數(shù)，即Tmax、To和H，隨著(Tmax-To)值的增大和H值的減小，焊縫區(qū)域的拉伸效應(yīng)增強(qiáng)。在預(yù)熱和焊接時(shí)бPmax值必須小于構(gòu)件材料的屈服極限。Tmax、To和H三個(gè)值的選取是根據(jù)被焊材料的力學(xué)性能、熱物理性能和結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)用焊接彈塑性應(yīng)力應(yīng)變分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。在焊接鋁合金材料時(shí)，(Tmax-To)的值為130℃～200本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種薄板構(gòu)件低應(yīng)力無變形焊接方法，其步驟包括：根據(jù)材料和構(gòu)件特性，通過對焊接熱彈塑性過程分析和測試相結(jié)合的方法優(yōu)選預(yù)置溫度場，在焊接過程中，在焊縫區(qū)冷卻和在焊縫區(qū)外側(cè)加熱相結(jié)合在構(gòu)件上造成選定的預(yù)置溫度場，其特征在于：在構(gòu)件的適當(dāng)部位施加外力，保證構(gòu)件在焊接溫度場和預(yù)置溫度場同時(shí)作用下不發(fā)生型面以外的壓曲失穩(wěn)變形。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種薄板構(gòu)件低應(yīng)力無變形焊接方法，其步驟包括根據(jù)材料和構(gòu)件特性，通過對焊接熱彈塑性過程分析和測試相結(jié)合的方法優(yōu)選預(yù)置溫度場，在焊接過程中，在焊縫區(qū)冷卻和在焊縫區(qū)外側(cè)加熱相結(jié)合在構(gòu)件上造成選定的預(yù)置溫度場，其特征在于在構(gòu)件的適當(dāng)部位施加外力，保證構(gòu)件在焊接溫度場和預(yù)置溫度場同時(shí)作用下不發(fā)生型面以外的壓曲失穩(wěn)變形。2.一種薄板構(gòu)件低應(yīng)力無變形焊接裝置，包括焊接熱源、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于在被焊構(gòu)件的下面有三個(gè)沿焊縫伸展的剛性支撐體，其中一個(gè)在焊縫正下方，另外兩個(gè)分別等距離的位于焊縫的兩側(cè)，中間的支撐體可帶有流通冷卻介質(zhì)的通道，中間支撐體和兩側(cè)支撐體之間的空腔中有加熱裝置，在焊縫正面的兩側(cè)有加壓裝置，加壓裝置每側(cè)有兩個(gè)加壓點(diǎn)，其中一點(diǎn)對應(yīng)于中間支撐體，另外一點(diǎn)對應(yīng)于兩側(cè)的支撐體之一。3.根據(jù)權(quán)利要求1的焊接...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：關(guān)橋，郭德倫，曹陽，李從卿，邵亦陳，劉紀(jì)達(dá)，
申請(專利權(quán))人：航空工業(yè)部六二五研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：11[中國|北京]
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