CN100427248C - 采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具 - Google Patents

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Abstract

采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具，它涉及一种薄板焊接用夹具。为了控制焊接过程中的拉应变所带来的变形和热裂纹的问题，本发明包括底板(6)、置于底板左侧上方的左附座(1)、固定设置在底板右侧上方的右附座(8)、两个施力丝杠(2)、分别与左附座和右附座固定连接的若干个夹紧装置(9)、对称设置在底板的前后部的两个夹紧附座(4)以及分别设置在两个夹紧附座上的若干个夹紧头(3)，左附座的前、后部分别开有与两个施力丝杠配合连接的内螺纹孔，施力丝杠的左端分别穿过左附座的前、后部，施力丝杠的右端分别与右附座转动连接。本发明采用在焊接过程进行时同步施加与焊缝方向平行的纵向预置应力和与焊缝方向垂直的横向预置应力方法有效控制焊接变形和热裂纹。

Description

采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具
技术领域
本发明涉及一种薄板焊接用夹具。
背景技术
目前，控制焊接变形的方法有强迫冷却法，均匀或局部加热法，随焊热碾压法，静态温差拉伸法等，上述方法使用的设备比较复杂，应用受焊接结构的形状影响较大，有的为了达到所需的温差值，需要较长的时间，恶化了工作条件，还降低了生产效率。控制焊接热裂纹方法有：随焊碾压法，随焊局部加热法，随焊局部冷却法。随焊碾压法焊枪距离碾压轮太近，易造成打弧现象，用温度控制裂纹的方法容易使母材造成相的改变，上述方法都是减小了热裂产生的倾向，只是从定性角度实现其目标，在定量上却是空白。是通过间接的参数来影响热裂纹产生的倾向，不能量化热裂纹产生的直接根本原因的参数。
在铝及铝合金或者铜及铜合金的薄板的焊接过程中，容易产生焊接变形及热裂纹，使得结构满足不了使用要求。通常认为焊接热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果，从冶金角度防止热裂纹有其局限性，一方面不容易防止近缝区的液化裂纹，另一方面由于引入与母材异质的焊丝会牺牲接头的部分使用性能。因此，控制焊接过程中拉应变是防止形成焊接变形和热裂纹的首要问题。
发明内容
为了控制焊接过程中的拉应变所带来的变形和热裂纹的问题，本发明从力学角度提出控制焊接热裂纹的新思路，采用在焊接过程进行时同步施加与焊缝方向平行的纵向预置应力和与焊缝方向垂直的横向预置应力方法来达到控制焊接变形和热裂纹的目的，从而提供一种采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具。本发明包括底板6、置于底板6左侧上方的左附座1、固定设置在底板6右侧上方的右附座8、两个施力丝杠2、分别与左附座1和右附座8固定连接的若干个夹紧装置9、对称设置在底板6的前后部的两个夹紧附座4以及分别设置在两个夹紧附座4上的若干个夹紧头3，所述左附座1的前、后部分别开有与两个施力丝杠2配合连接的内螺纹孔，两个施力丝杠2的左端分别穿过左附座1的前、后部，两个施力丝杠2的右端分别与右附座8转动连接。双向预置应力控制焊接变形和热裂纹原理如图1所示。在工件纵向方向上(平行于焊缝方向上)施加纵向拉伸载荷σL，在横向方向上(垂直于焊缝方向上)施加横向挤压载荷σT。
金属在凝固过程中存在一个固、液相共存的脆性温度区间，在此温度区间，金属的延性很小，当焊缝及其热影响区金属在脆性温度区间BTR内承受的塑性拉应变大于其延性储备时，就可以产生焊接热裂纹。如果采取适当的工艺措施，在焊后冷却过程中及时地对处于BTR区间内的金属作用一横向挤压应变以抵消其凝固收缩产生的致裂拉伸应变，就可以达到防止热裂纹的目的。施加横向力时，达到板中心(即焊缝位置)的应力的数值大小是随着板宽的增加而相应减小的，分布的范围略比施加力的宽度，呈纺锤型。根据需要，可以改变施加力的数值从而获得所需的压缩应变的数值，横向力的施加是通过加力设置在两个夹紧附座4上的若干个夹紧头3来实现的，调节设置在两个夹紧附座4上的若干个夹紧头3的进给量，即可调节力的数值。工件在未焊接前处于弹性变形范围内。最大横向挤压力的大小不得超过材料本身的屈服强度σs。预置的横向挤压力产生的挤压应变有效地抵消了焊接时产生的拉伸应变，使得焊缝及其热影响区的应变水平处于低的甚至是压应变范围内，从而不具备产生热裂纹的力学条件，根据实验结果和止裂的效果可以定性还可定量地推测出材料在具体尺寸下的临界应变速率。
在常规焊接过程中，由于受焊接热源局部加热的影响，焊接件内部的温度分布是不均匀的，于是在焊缝及其近缝区产生复杂的应力和变形。如果该残余应力超过构件失稳的临界应力，就会产生较大的失稳变形，因此通过控制残余应力来控制焊接变形的思路是可行的，即在焊接之前或焊接过程中，采用施加纵向(和焊逢方向平行)应力的方式是焊逢及近缝区金属承受拉伸应变，以抵消该部位金属焊接过程中造成的挤压应变。在焊接前，通过两个施力丝杠2装置将预置的纵向应力施加给工件，施加的应力要小于材料的屈服强度σs。施加力的大小要根据材料的尺寸来制订。施加的力的范围是可以调节的，可以在整个板宽的范围内施加，也可以在局部位置上施加。
采用本发明所述夹具进行薄板焊接，针对特定形状和尺寸的工件，在普通常规焊接(不加措施的情况)时，其宏观裂纹率为36％～40％，采用预置应力可有效的防止焊接热烈纹，得到没有宏观裂纹的优质焊缝。预置应力横向收缩量较常规焊大，说明预置应力对焊缝区产生了压缩应变，从而控制焊接热裂纹。预置应力0.3σs时宏观裂纹率2.8％，0.4σs时几乎没有裂纹，0.5σs时裂纹完全消失。焊缝两侧横向收缩对比：常规焊试件横向收缩率为0.14％，采用预置应力大尺寸试件横向收缩率0.3σs时为0.18％，0.4σs时为0.25％，0.5σs时为0.27％，进一步说明了产生横向挤压应变的效果。
由于预置的纵向应力在工件中产生了两端大、板中心小的马鞍型应力场，这样和焊接时产生的残余应力场(两端小中心大)相互作用甚至抵消，从而得到了较小的残余应力水平。这样由残余应力引起的焊接变形得到了控制。
采用本发明所述预置应力焊接夹具进行焊接时，随着拉伸载荷的增大焊接试件的挠曲变形量逐渐减小。预置应力工艺使焊后挠曲变形控制在焊接变形最终控制在10％以内，为原有变形的25％以下。同时预置应力焊接工艺焊接时，对铝合金薄板进行局部加载随着拉伸载荷的增大，焊接试件的最大残余应力逐渐减小。0.7σs预置应力使焊后由常规焊的最大残余应力在140MPa左右下降为50.15MPa以下。
附图说明
图1是本发明的工作原理示意图，图2是本发明的结构示意图，图3是图2的A-A剖视图，图4是图1的B向视图，图1中的附图标记22为焊缝，图23为焊接工件。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1-图2)本实施方式由底板6、置于底板6左侧上方的左附座1、固定设置在底板6右侧上方的右附座8、两个施力丝杠2、分别与左附座1和右附座8固定连接的若干个夹紧装置9、对称设置在底板6的前后部的两个夹紧附座4以及分别设置在两个夹紧附座4上的若干个夹紧头3组成，所述左附座1的前、后部分别开有与两个施力丝杠2配合连接的内螺纹孔，两个施力丝杠2的左端分别穿过左附座1的前、后部，两个施力丝杠2的右端分别与右附座8转动连接；右附座8可以通过螺栓7固定设置在底板6上。
具体实施方式二：(参见图1-图2)本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述夹紧装置9包括固定螺母10和一端固设有螺杆18的夹紧头17，所述左附座1和右附座8沿前、后方向分别开有左夹紧装置安装槽11和右夹紧装置安装槽19，所述若干个夹紧装置9的螺杆18分别穿过左夹紧装置安装槽11和右夹紧装置安装槽19与固定螺母10螺纹连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：(参见图1-图2)本实施方式与具体实施方式二的不同点在于所述夹紧装置9上的夹紧头17内设置有通过螺栓15和螺母16固定的上夹块12和下夹块13。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。工作时，用螺栓15和螺母16将上夹块12和下夹块13紧固在工件上，用夹紧装置9上的夹紧头17扣合，此加力方式为压夹式；螺栓15和螺母16起定位作用，不承载，起主要传力作用的是上夹块12和下夹块13，并连接在左附座1和右附座8上，启动两个施力丝杠2施加纵向预置应力，其数值由静态数字应变仪读出，达到要求的数值后，进行焊接。
具体实施方式四：(参见图1-图4)本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点在于所述两个夹紧附座4沿前、后方向开有若干个螺纹通孔21，所述设置在两个夹紧附座4上的若干个夹紧头3的一端为与螺纹通孔21相配合的外螺纹杆20且设置在两个夹紧附座4上的夹紧头3的外螺纹杆20分别从外侧穿过两个夹紧附座4的螺纹通孔21；所述设置在两个夹紧附座4上的若干个夹紧头3的外螺纹杆20的端头部开有横向卡槽5。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。本实施方式在焊接前，先将薄板工件插入设置在夹紧附座4上的夹紧头3头部的横向卡槽5内，有效保证工件保持在不失稳的状态。
本发明专利所述底板6上还可以设置焊接平台14，用以支撑焊接工件，进一步保证工件焊接的稳定性。

Claims (5)

1、采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具，其特征在于它包括底板(6)、置于底板(6)左侧上方的左附座(1)、固定设置在底板(6)右侧上方的右附座(8)、两个施力丝杠(2)、分别与左附座(1)和右附座(8)固定连接的若干个夹紧装置(9)、对称设置在底板(6)的前后部的两个夹紧附座(4)以及分别设置在两个夹紧附座(4)上的若干个夹紧头(3)，所述左附座(1)的前、后部分别开有与两个施力丝杠(2)配合连接的内螺纹孔，两个施力丝杠(2)的左端分别穿过左附座(1)的前、后部，两个施力丝杠(2)的右端分别与右附座(8)转动连接。
2、根据权利要求1所述的采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具，其特征在于所述夹紧装置(9)包括固定螺母(10)和一端固设有螺杆(18)的夹紧头(17)，所述左附座(1)和右附座(8)沿前、后方向分别开有左夹紧装置安装槽(11)和右夹紧装置安装槽(19)，所述若干个夹紧装置(9)的螺杆(18)分别穿过左夹紧装置安装槽(11)和右夹紧装置安装槽(19)与固定螺母(10)螺纹连接。
3、根据权利要求2所述的采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具，其特征在于所述夹紧装置(9)上的夹紧头(17)内设置有通过螺栓(15)和螺母(16)固定的上夹块(12)和下夹块(13)。
4、根据权利要求1、2或3所述的采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具，其特征在于所述两个夹紧附座(4)沿前、后方向开有若干个螺纹通孔(21)，所述设置在两个夹紧附座(4)上的若干个夹紧头(3)的一端为与螺纹通孔(21)相配合的外螺纹杆(20)且夹紧头(3)的外螺纹杆(20)分别从外侧穿过两个夹紧附座(4)的螺纹通孔(21)。
5、根据权利要求4所述的采用双向预置应力控制薄板焊接变形和裂纹的夹具，其特征在于所述设置在两个夹紧附座(4)上的若干个夹紧头(3)的外螺纹杆(20)的端头部开有横向卡槽(5)。
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