CN102728972A - 钛合金随焊残余应力应变控制装置 - Google Patents

Abstract

钛合金随焊残余应力应变控制装置，涉及一种能够降低焊接残余应力和变形的装置。本发明由前逐点挤压装置和旋转挤压装置组成；前逐点挤压装置包括底板，在底板上分别设置有直流电机和蜗轮减速器；直流电机的输出轴通过联轴器与蜗轮减速器的输入轴相连，蜗轮减速器的输出轴与凸轮相连；在前逐点挤压杆通孔内设置有前逐点挤压杆，凸轮与前逐点挤压杆相接触；旋转挤压装置包括底板，在底板的上方设置有导柱，导柱通过支座固定在底板上；在导柱的上方设置有支撑板，支撑板通过滑座设置在导柱上；加压螺栓通过支座的螺孔与滑座相接触；在支撑板上设置有电动机和轴承座，电动机的输出轴通过联轴器与轴的一端相连，轴的另一端通过夹头与后摩擦压杆相连。

Description

钛合金随焊残余应力应变控制装置

技术领域

本发明涉及一种能够降低焊接残余应力和变形的装置，特别是针对屈服强度高、难以均匀塑性延展的钛合金TC4薄板焊件的残余应力和变形的控制装置。

背景技术

钛合金与其他金属材料相比,有下列优点:①比强度（抗拉强度／密度）高，抗拉强度可达1000～1400MPa，而密度仅为钢的60％；②中温强度好,使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作；③耐蚀性好,在大气中钛表面立即形成一层均匀致密的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力；④低温性能好；⑤弹性模量低,热导率小，无铁磁性。这些特点使钛合金在国民生产建设中发挥着巨大的作用。

针对钛及钛合金目前主要采用熔焊(TIG、MIG、等离子焊、电子束焊、激光焊、电阻焊)、钎焊和固相焊(摩擦焊、爆炸焊、热压焊、扩散焊)等方法进行钛合金结构件的焊接。钛合金的焊接残余应力低于其屈服强度，但其绝对值并不低。在薄壁构件上，如果焊后残余应力相当的话，由于钛合金的弹性模量小，钛合金构件的焊接变形会比一般钢结构严重些。因此对钛合金构件的焊接变形控制就显的尤为重要。

引起焊接残余应力和各类焊接变形的基本原因在于焊接过程不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近金属产生非均匀的膨胀和收缩，即在焊接过程中焊缝和近缝区发生了塑性收缩。很多情况下，由于焊接结构不能满足设计要求，必须采取措施消除焊接变形。

为解决上述问题，国内外曾提出预拉伸法、静态和动态温差拉伸法、随焊碾压法、随焊锤击法等多种方法。这些方法在某些具体的生产条件下，对控制焊接残余应力变形方面均起到了较好的效果。

预拉伸法是指在焊前和焊接过程中施加大于母材屈服强度50%的弹性拉伸，从而降低焊件的残余应力,减小焊接变形。在预置拉伸应力一定的情况下，随着加载宽度的增加，试样拉伸中心部位所承受的拉应力越接近端部的预置拉应力，拉伸效果越好。在焊接情况下，为保证焊道部位的金属受到相同的拉伸效果，不得不加大加载宽度，因此需要较大的拉伸设备才能提供足够的拉伸力，这在实际生产中必然会受到一定的限制。该法对于结构比较复杂的焊接结构来说，应用起来更是有局限性。

均匀或局部加热可以减小焊接温度梯度，从而可以降低焊接残余应力和变形。静态温差拉伸法为了达到所需的温差，需要较长时间的预热，容易使加热区金属软化，并且恶化了工作条件，操作复杂、生产效率低、生产成本较高；动态温差拉伸法喷水容易污染焊接熔池，导致焊缝缺欠、影响焊接效率及质量，而液氮冷却柔性接触式成本又太高。另外，无论是静态温差拉伸还是动态温差拉伸都不能降低焊缝的横向收缩，不利于封闭焊缝失稳变形控制和热裂纹防止，因而温差拉伸法不适用于封闭焊缝的焊接。

碾压强化和钝化工艺是一种改善焊接接头力学性能的有效手段。碾压强化研究始于六十年代初,前苏联学者Куркин等人最先研究了焊后碾压焊缝提高АМг6焊接接头强度的可能性，发现碾压后焊接接头的硬度显著升高，硬度值随碾压力的增加而增大。不仅焊缝金属的硬度升高而且近缝区金属的硬度也有不同程度的升高。对于冷作硬化状态的АМг6合金焊接接头经碾压焊缝后的接头强度可接近母材强度。但是随焊碾压法设备庞大，制造成本高，应用对象主要集中于长直平板的拼焊焊缝、较大型筒体纵缝及环缝的焊接，且对被焊件形状要求比较严格，由于主要靠碾压轮轴承受压力，所以碾压轮的尺寸较大，可到达性差，无法满足实际生产的要求。

锤击消除焊接接头残余应力是通过锤击处理焊接接头过程中，被处理金属在面内产生两维塑性伸长释放了焊接过程中产生的残余拉伸应变，从而达到释放焊接残余应力的目的。锤击能够在接头焊趾区外表面造成压应力，减少焊趾区的缺口尖锐度，降低应力集中程度，因此可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度。随焊锤击法由于锤尖直接锤击焊道两侧，锤击面粗糙，工作表面光洁度差，同时锤头偏摆振动较大，需要额外添加导向机构，在实际焊接封闭焊缝时实现起来比较困难。

对于薄壁钛合金焊接构件，如果焊后残余应力相当的话，由于钛合金的弹性模量小，钛合金构件的焊接变形会比一般钢结构严重。虽然六角密排结构的TC4合金在室温下具有较好的塑韧性，但其变形抗力大、属于难变形材料。因而焊后控制钛合金薄壁结构的变形是不易实现的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种钛合金随焊残余应力应变控制装置。该装置在高温、低应变速率下，随焊对钛合金进行机械挤压，利用钛合金材料在该条件下的热变形抗力下降的特点，实现低外载、低应变速率、大变形的钛合金焊缝金属塑性延展，抵消焊接热收缩产生的压缩塑性应变，控制钛合金的焊接残余应力与变形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种钛合金随焊残余应力应变控制装置，由前逐点挤压装置和旋转挤压装置组成；

所述前逐点挤压装置包括具有前逐点挤压杆通孔的第一底板，在第一底板上分别设置有直流电机和蜗轮减速器；所述直流电机的输出轴通过第一联轴器与蜗轮减速器的输入轴相连接，蜗轮减速器的输出轴与采用直线运动形式的凸轮相连接；在所述前逐点挤压杆通孔内设置有具有压头的前逐点挤压杆，所述凸轮与前逐点挤压杆的非压头端相接触；所述前逐点挤压杆通孔内具有挡块，所述前逐点挤压杆上具有挡板，在挡块与挡板间的前逐点挤压杆上设置有弹簧；

所述旋转挤压装置包括第二底板，在第二底板的上方设置有导柱，所述导柱通过支座固定在第二底板上；在所述导柱的上方设置有支撑板，所述支撑板通过具有导孔的滑座设置在导柱上，在所述支座与滑座间的导柱上设置有压缩弹簧；在所述支座的螺孔内设置有加压螺栓，所述加压螺栓通过支座的螺孔与滑座相接触；在所述支撑板上分别设置有电动机和轴承座，电动机的输出轴通过第二联轴器与设置在轴承座上的轴的一端相连接，轴的另一端通过夹头与后摩擦压杆相连接。

为了减少振动，在所述加压螺栓与滑座之间设置有滑块。

所述蜗轮减速器的输出轴与采用直线运动形式的凸轮通过平键相连接。

所述导柱设置为两根，两根导柱平行设置，由支座和端盖进行轴向定位。

本发明的有益效果：

本发明的控制装置在高温、低应变速率下，随焊对钛合金进行机械挤压，利用钛合金材料在该条件下的热变形抗力下降的特点，实现低外载、低应变速率、大变形的钛合金焊缝金属塑性延展，抵消焊接热收缩产生的压缩塑性应变，控制钛合金的焊接残余应力与变形。

附图说明

图1是本发明的钛合金随焊残余应力应变控制装置的使用状态示意图；

图2是本发明的前逐点挤压装置的结构示意图；

图3是本发明的旋转挤压装置的结构示意图；

图中，1-焊枪，2-前逐点挤压杆，3-后摩擦压杆，4-母材，5-第一底板，6-直流电机，7—第一联轴器，8—蜗轮减速器的输入轴，9—蜗轮减速器，10-蜗轮减速器的输出轴，11-平键，12-前逐点挤压装置，13-凸轮，14-弹簧，15-压头，16-端盖，17-支撑板，18—电动机，19—第二联轴器，20—加压螺栓，21—轴承座，22-轴，23-夹头，24-旋转挤压装置，25-第二底板，26-支座，27-压缩弹簧，28-滑块，29-导柱，30-滑座，31-挡板，32-挡块，33-长圆孔。

具体实施方式

一种钛合金随焊残余应力应变控制装置，由前逐点挤压装置12和旋转挤压装置24组成；

如图2所示，所述前逐点挤压装置12包括具有前逐点挤压杆通孔的第一底板5，在第一底板5上分别设置有直流电机6和蜗轮减速器9；所述直流电机6的输出轴通过第一联轴器7与减速比为20的蜗轮减速器的输入轴8相连接，起到了输入动力的作用，蜗轮减速器的输出轴10与采用直线运动形式的凸轮13相连接；在所述前逐点挤压杆通孔内设置有具有压头15的前逐点挤压杆2，所述凸轮13与前逐点挤压杆2的非压头端相接触，通过凸轮13的旋转不断地推动前逐点挤压杆2，从而达到了挤压的作用；所述前逐点挤压杆通孔内具有挡块32，所述前逐点挤压杆2上具有挡板31，为了达到往复运动的要求，在挡块32与挡板31间的前逐点挤压杆2上设置有圆柱形螺旋弹簧14，起到将压下的压头15回复原有位置的作用。

如图3所示，所述旋转挤压装置24包括第二底板25，在第二底板25的上方设置有导柱29，所述导柱29通过支座26固定在第二底板25上；在所述导柱29的上方设置有支撑板17，所述支撑板17通过具有导孔的滑座30设置在导柱29上，滑座30可带动支撑板17及其连接部件在导柱29上滑动；在所述支座26与滑座30间的导柱29上设置有压缩弹簧27；在所述支座26的螺孔内设置有加压螺栓20，所述加压螺栓20从支座26的螺孔旋入顶在滑座30的表面，推动支座26向前滑移，压缩压缩弹簧27从而起到限制滑座30及其连接部件的轴向位移和预紧弹簧的作用；在所述支撑板17上分别设置有电动机18和轴承座21，电动机18的输出轴通过第二联轴器19与设置在轴承座21上的轴22的一端相连接，轴22的另一端通过夹头23与后摩擦压杆3相连接。

为了减少振动，在所述加压螺栓20与滑座30之间设置有滑块28。

为了周向的固定以传递转矩，所述蜗轮减速器的输出轴10与采用直线运动形式的凸轮13通过平键11相连接，所述平键11标准为GB1096-79的普通B型平键。

所述导柱29设置为两根，两根导柱29平行设置，由支座26和端盖16进行轴向定位。

所述轴承座21、电动机18和滑座30通过螺栓固定在支撑板17上，支座26通过螺栓固定在第二底板25上。

结合钛合金的机械性能在不同温度和变形速率的情况下的特征，控制变形的温度应是在一个连续的区域：在高温（β→а相变温度以上）采用较快的变形速度得到较大的变形，从而获得充足的变形量来补偿焊接时产生多余的压缩塑性变形量；在较高的温度（平衡冷却时的а+β区）区间采用低的变形速度（10-3/s）进行平整校形同时起到控制回弹量的作用。

本发明将控制装置分为两部分：一部分为高温β区工作的机械装置，即：前逐点挤压装置12，该部分是可动的，通过凸轮13来控制变形量的大小；另一部分为а+β区工作的机械装置，即：旋转挤压装置24，考虑到该部分的变形速度非常低，采用具有一定的旋转速度的压头15，通过控制压头15在单位时间内的压入量即可以控制变形金属在厚度方向上的变形速度。

下面结合附图说明本发明的一次工作过程：

在前逐点挤压装置12的第一底板5和旋转挤压装置24的第二底板25上均设置有长圆孔33，工作前，可通过调整前逐点挤压装置12和旋转挤压装置24位于底板上的长圆孔33上的位置来调整工作的位置，并保证随焊控制过程中前逐点挤压杆2和后摩擦压杆3能位于焊缝中心。调整完成后，先引燃电弧施焊，待熔池出现后使母材4向电弧后方行进，紧接着开动电动机18和直流电机6对焊缝进行随焊控制。如图1所示，前逐点挤压杆2紧随焊接电弧之后，通过逐点挤压的方式对焊缝及近缝区部位的焊缝金属进行高温挤压。由于前逐点挤压杆2挤压时，作用的区域离焊接熔池较近，温度较高，具有较好的塑性加工性能，其屈服强度较低，可以进行较大的变形处理。从而对焊接时钛合金在纵向上的挠曲变形起到大的反变形的作用，降低了变形量。后摩擦压杆3垂直作用于焊缝部位，对应于超塑性温度区间，对处于具有超塑性状态的焊缝金属进行旋转挤压。后摩擦压杆3的端面向下旋转挤压时，迫使焊缝金属向两侧流动，将焊缝金属在冷却过程中形成的纵向和横向压缩塑性变形以及由前逐点挤压杆2在焊缝中引起的横向压缩变形都充分延展，主要起到降低残余应力减小焊接变形的效果。

Claims (4)

1.一种钛合金随焊残余应力应变控制装置，其特征在于由前逐点挤压装置和旋转挤压装置组成；

所述前逐点挤压装置包括具有前逐点挤压杆通孔的第一底板，在第一底板上分别设置有直流电机和蜗轮减速器；所述直流电机的输出轴通过第一联轴器与蜗轮减速器的输入轴相连接，蜗轮减速器的输出轴与采用直线运动形式的凸轮相连接；在所述前逐点挤压杆通孔内设置有具有压头的前逐点挤压杆，所述凸轮与前逐点挤压杆的非压头端相接触；所述前逐点挤压杆通孔内具有挡块，所述前逐点挤压杆上具有挡板，在挡块与挡板间的前逐点挤压杆上设置有弹簧；

所述旋转挤压装置包括第二底板，在第二底板的上方设置有导柱，所述导柱通过支座固定在第二底板上；在所述导柱的上方设置有支撑板，所述支撑板通过具有导孔的滑座设置在导柱上，在所述支座与滑座间的导柱上设置有压缩弹簧；在所述支座的螺孔内设置有加压螺栓，所述加压螺栓通过支座的螺孔与滑座相接触；在所述支撑板上分别设置有电动机和轴承座，电动机的输出轴通过第二联轴器与设置在轴承座上的轴的一端相连接，轴的另一端通过夹头与后摩擦压杆相连接。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金随焊残余应力应变控制装置，其特征在于在所述加压螺栓与滑座之间设置有滑块。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金随焊残余应力应变控制装置，其特征在于所述蜗轮减速器的输出轴与采用直线运动形式的凸轮通过平键相连接。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金随焊残余应力应变控制装置，其特征在于所述导柱设置为两根，两根导柱平行设置，由支座和端盖进行轴向定位。

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