CN103722272A - 一种控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，其步骤是：首先根据薄板厚度、坡口形式、根部间隙工艺要求的尺寸，在焊枪前方安装一个圆形凸起滚轮；然后根据焊接接头加强高工艺要求的尺寸，在焊枪后方安装一个带有凹槽的挤压轮；最后将圆形凸起滚轮和挤压轮通过支座连接在一起，并在支座上安装一个挤压力装置。本发明为随焊动态定位及约束，定位距离精确，平板翘曲变形控制灵活、效果显著，无需点接触、面接触、定位塞块等的点固和去除操作，保证自动化焊接过程顺利进行，无定位塞块及各段距离上的额外约束，焊缝在加热和冷却过程中可在面内自由膨胀与收缩，进而去除了由定位塞块或各段距离上的额外约束而导致的残余应力及变形。

Description

一种控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法
技术领域
本发明涉及一种薄板单面对焊工艺方法，具体是涉及一种随焊动态控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法。 
背景技术
铝、钛合金等均具有比强度高、比刚度高、重量轻、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、海洋武器装备等领域。同时，由于其具有特殊的理化性质，如密度低、比热小、热膨胀系数大等特点，平板拼焊中焊缝及近缝区会产生较大的内应力，其中横向的内应力及横向收缩，会导致焊接平板根部间距不断减小，最终间距消失。这将使得焊缝金属填充不均匀而导致接头质量不良；纵向的拉伸内应力，超过平板结构的临界压稳应力时，会导致平板压屈失稳而发生屈曲变形，待焊平板两侧不再共面以及错边量不断增大而导致焊接终止。如果待焊平板不采取适当的措施来限制焊缝根部间距的缩小，则无法保证单面焊双面成形工艺。为了实现铝合金、钛合金等薄板的单面焊双面成形，在焊接过程中必须使接头根部保持1～3mm的间隙；同样，在待焊焊缝方向上不采取适当的措施来抑制待焊平板翘曲变形，则会因错边严重而导致焊接过程无法继续进行，不利于实现自动化焊接。因此，如何保证薄板单面对焊接头根部间隙和限制待焊焊缝附近平板发生翘曲变形，已成为铝合金、钛合金等薄板自动化焊接的关键所在。目前，铝合金、钛合金等薄板的单面对焊常采用半自动、自动的TIG与MIG、等离子-MIG复合焊等焊接工艺，广泛采用的定位方式主要有如下几种： 
（1） 点接触定位：如图1-图3所示，即接头间隙定位焊，图中下面部分为带有成型槽的垫板，上面为待焊接平板，事先在待焊平板接头根部间隙位置，每隔30~100mm左右焊接若干个定位焊缝，然后再连接成整条焊缝。存在的问题是点焊间距过大时刚性不够，若间距较小时，则需点焊定位很多处。有时会在点焊定位处发生开裂，需要清除再焊，在国防武器装备等重要产品中有时禁止这种补焊工艺发生，可能造成产品报废。
（2） 线接触定位：如图4-图6所示，即在接头间隙内放入一根直径与要求间隙相同的焊丝用来强制保证需求间隙，临近焊接位置时，取走焊丝，图中下面部分为带有成型槽的垫板，上面为待焊接平板。有时不易获得需要尺寸的焊丝；自动化焊接时该方法，有时因焊丝来不及取走而无法保证焊缝的质量，以及因刚性不足而导致需求间隙难以保证；该方法也不能控制待焊平板翘曲变形和错边的发生。钛合金等重要产品中有时严禁使用这种方法定位。 
（3） 面接触定位：如图7-图9所示，即在待焊接平板表面焊接一些约束小板块，临近焊接时，取下该部位约束小板块。该方法有时会破坏重要产品的表面，降低使用性能，有时因焊接速度较快而来不及去除该约束小板块。对接平板很长时，会焊接大量这种约束板块，从而降低工作效率，甚至不能够实现自动化焊接。 
（4） 塞块定位：如图10-图12所示，即在待焊接平板的对接接头根部间隙点焊一定数量的与待焊材质相同的板块，临近焊接时，取下该部位的定位塞块。该方法的优点是可保证对接接头根部间隙在焊接过程中始终保持在工艺要求的尺寸范围内。该方法与上面的面接触定位相似，有时因焊接速度较快而来不及去除该定位塞块。对接平板很长时，也会焊接大量这种定位塞块，从而降低工作效率，甚至不能够实现自动化焊接。 
（5）强约束夹具：如图13-图15所示，即在待焊接平板下表面垫以较大宽度的刚性垫板，然后在待焊接平板上表面施加大于或等于焊件长度的，具有较大宽度的刚性平板压铁，有时为了施加较大的约束作用，而在刚性平板压铁上面施加很大的压力载荷（P）作用，来限制待焊接平板的相对移动和面外翘曲变形。遇到待焊接平板较长时，需要制作很大尺寸的下面刚性垫板和上面的刚性压铁，刚性压铁重量很重，需要配以较大的起重机才能完成。这样的约束常常也不能达到较好的根部间隙及错边翘曲变形控制效果。 
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种能够解决现有薄板对接焊根部间隙与翘曲变形控制方法存在灵活性较差以及影响焊缝质量与焊接过程的问题的控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法。 
本发明的技术方案是这样实现的： 
本发明所述的控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，其特点是包括如下步骤：
A、根据薄板厚度、坡口形式、根部间隙工艺要求的尺寸，在焊枪前方的一定距离处安装一个可用于解决焊接过程中熔池前方因横向收缩而导致薄板根部间隙不断变小及发生面外翘曲变形的问题而保证焊接过程得以顺利进行的圆形凸起滚轮，该圆形凸起滚轮的圆形凸出部分的宽度与薄板的接头根部间隙的宽度相同；
B、根据焊接接头加强高工艺要求的尺寸，在焊枪后方的一定距离处安装一个带有凹槽的挤压轮，通过挤压轮对较高温度的焊接接头进行一次挤压延展，降低薄板结构的焊接变形与残余应力，同时限制挤压轮在焊接方向上的左右摆动，防止对焊枪前部的圆形凸起滚轮产生附加弯矩作用，保证圆形凸起滚轮较容易进入薄板的接头根部间隙中；
C 、将圆形凸起滚轮和挤压轮通过支座连接在一起，并在支座上安装一个挤压力装置，通过挤压力的作用，使得圆形凸起滚轮始终位于薄板的接头根部间隙中，同时通过焊枪后部的挤压轮对较高温度的焊接接头进行挤压延展，进一步降低薄板结构的焊接残余应力与变形。
其中，上述薄板的板厚≤4mm时，工艺规定采用I形坡口，工艺规定参数为：根部间隙1～2mm，圆形凸起滚轮的圆形凸出部分为I形结构，且圆形凸出部分的端部位于薄板下面的垫板的成型槽内且不接触成型槽。 
上述薄板的板厚＞4mm时,采用V形坡口，工艺规定参数为：根部间隙2～3mm、根部钝边为2～3mm，圆形凸起滚轮的圆形凸出部分为倒Y形结构，且圆形凸出部分的端部位于薄板下面的垫板的成型槽内且不接触成型槽。 
本发明与现有技术相比，具有如下优点： 
1、采用随焊动态控制的工艺措施和操作方法，可以解决由于薄板对接焊缝横向收缩和面外翘曲变形而导致装配间隙无法保证和错边发生的问题；
2、有利于保证上述几种方法的半自动、自动化单面焊双面成形工艺顺利进行；
3、根部间隙定位效果显著，定位滚轮移动操作简便；待焊件熔池前方的面外变形控制效果良好，错边控制效果显著，焊接质量得到良好保证；
4、工件的夹紧、脱离自如、定位间距灵活准确，翘曲变形与错边控制良好，不会损伤待焊件上表面和坡口剖面（因采用滚动方式，摩擦力小），工作效率高，显著提高工件定位的稳定可靠性，显著限制焊接件发生面外变形而产生错边，降低焊接变形与残余应力，单面焊双面成形可无阻碍连续进行。
5、用于随焊定位的圆形凸起滚轮只设置有一个，解决了传统的大量定位塞块的点固和去除操作，免除了焊接作业人员频繁装卸定位塞块的劳动强度；而且与焊枪间的距离，也比传统的定位塞块更近，单面对焊接头根部间隙定位精确，焊枪前的翘曲变形和错边控制效果良好。 
下面结合附图对本发明作进一步的说明。 
附图说明
图1为现有I形坡口薄板单面对焊接头根部间隙点接触定位焊示意图。 
图2为现有不带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙点接触定位焊示意图。 
图3为现有带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙点接触定位焊示意图。 
图4为现有I形坡口薄板单面对焊接头根部间隙线接触定位焊示意图。 
图5为现有不带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙线接触定位焊示意图。 
图6为现有带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙线接触定位焊示意图。 
图7为现有I形坡口薄板单面对焊接头根部间隙面接触定位焊示意图。 
图8为现有不带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙面接触定位焊示意图。 
图9为现有带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙面接触定位焊示意图。 
图10为现有I形坡口薄板单面对焊接头根部间隙的塞块定位焊示意图。 
图11为现有不带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙的塞块定位焊示意图。 
图12为现有带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙的塞块定位焊示意图。 
图13为现有I形坡口薄板单面对焊接头根部间隙的强约束夹具定位焊示意图。 
图14为现有不带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙的强约束夹具定位焊示意图。 
图15为现有带钝边V形坡口薄板单面对焊接头根部间隙的强约束夹具定位焊示意图。 
图16为本发明圆形凸起滚轮与薄板接头根部间隙的装配结构示意图。 
图17为本发明的整体结构示意图。 
图18为本发明圆形凸起滚轮方案1的剖面结构示意图。 
图19为本发明圆形凸起滚轮方案2的剖面结构示意图。 
图20为本发明挤压轮的剖面结构示意图。 
图21为本发明的I形坡口定位示意图。 
图22为本发明的不带钝边V形坡口定位示意图。 
图23为本发明的带钝边V形坡口定位示意图。 
具体实施方式
如图16-图23所示，本发明所述的随焊动态控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，包括如下步骤： 
首先，根据薄板厚度、坡口形式、根部间隙工艺要求的尺寸，在焊枪1前方的一定距离处安装一个圆形凸起滚轮2，该圆形凸起滚轮2的圆形凸出部分21的宽度与薄板4的接头根部间隙41的宽度相同，可用于解决焊接过程中熔池前方因横向收缩而导致薄板4根部间隙不断变小及发生面外翘曲变形的问题，保证焊接过程得以顺利进行；
然后，根据焊接接头加强高工艺要求的尺寸，在焊枪1后方的一定距离处安装一个带有凹槽31的挤压轮3，该挤压轮3是根据接头的加强高43的形貌制作形成，用于对较高温度的焊接接头进行一次挤压延展，降低薄板结构的焊接变形与残余应力，同时通过已形成焊缝42的加强高43来限制挤压轮3在焊接方向上的左右摆动，防止对焊枪1前部的圆形凸起滚轮2产生附加弯矩作用，保证圆形凸起滚轮2较容易进入薄板4的接头根部间隙41中，从而保证焊枪1始终位于待焊接头根部间隙41的中心，形成左右对称的焊缝，且可对较高温度的焊缝及近缝区金属进行一次挤压，既对较高温度的焊接接头进行挤压延展，降低薄板结构的焊接变形与残余应力，又可细化焊接接头近表面的组织晶粒，提高焊接接头的强度和疲劳性能；
最后，将圆形凸起滚轮2和挤压轮3通过支座6连接在一起，并在支座6上安装一个挤压力装置7，通过挤压力的作用，使得圆形凸起滚轮2始终位于薄板4的接头根部间隙41中，同时通过焊枪1后部的挤压轮3对较高温度的焊接接头进行挤压延展，进一步降低薄板结构的焊接残余应力与变形。
本发明所述的随焊动态控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，是针对铝合金薄板的单面对焊，采用TIG焊、单面焊双面成形焊接工艺，在焊接过程中要求焊接接头根部间隙保持在1.5～2.5mm，翘曲变形的错边量要小于0.5mm。而且，当薄板4的板厚≤4mm时，而通常采用的薄板4的板厚为2～4mm，工艺规定采用I形坡口，工艺规定参数为：根部间隙1～2mm，圆形凸起滚轮2的圆形凸出部分21为I形，且圆形凸出部分21的端部位于薄板4下面的垫板5的成型槽51内且不接触成型槽51。当薄板4的板厚＞4mm时,采用V形坡口，工艺规定参数为：根部间隙2～3mm、根部钝边高度为2～3mm，圆形凸起滚轮2的圆形凸出部分21为倒Y形，且圆形凸出部分21的端部位于薄板4下面的垫板5的成型槽51内且不接触成型槽51。 
实例板材坡口及根部间隙尺寸见表1所示： 
表1 实例板材坡口机根部间隙尺寸
坡口形式 厚度δ（mm） 夹角（°） 根部间隙b（mm） 根部钝边高度h（mm）
I形 δ≤4 —— 1.5 ——
V形 4＜δ≤8 65 2.5 1.5～2
实施例一：
随焊动态控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，包括：铝合金薄板的厚度δ=3mm，按照表1中δ≤4mm，采用I形坡口焊接，见图9，根部间隙为1.5mm；
制作随焊定位控制根部间隙的圆形凸起滚轮2，圆形凸出部分21的截面为I形结构，凸起高度为4mm（其中包括圆形顶部），超过板厚δ的1mm位于铝合金薄板下面的垫板5的成形槽51中；
将圆形凸起滚轮2、TIG焊枪（带填丝）、挤压轮3依次组装好，将该装置放在待焊的铝合金薄板上，起焊位置采用引弧板先固定，然后开始半自动化的TIG填丝焊接，由于下面具有圆形成型槽，顺利完成3mm铝合金薄板的TIG焊单面焊双面成型。
实施例二： 
随焊动态控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，包括：铝合金薄板的厚度δ=5mm，按照表1中δ＞4mm，采用V形坡口焊接，见图11，坡口角度为65°，根部钝边高为2mm，坡口间隙为2.5mm；
制作随焊定位控制根部间隙的圆形凸起滚轮2，圆形凸起滚轮2的圆形凸出部分21的截面为倒Y形结构，凸起总高度为6.5mm（其中包括圆形顶部），超过板厚δ的1.5mm位于铝合金薄板下面的垫板5的成形槽51中；
将圆形凸起滚轮2、TIG焊枪（带填丝）、挤压轮3、挤压力装置7依次组装好，将该装置放在待焊铝合金薄板上，起焊位置采用引弧板先固定，然后开始半自动化的TIG填丝焊接，由于下面具有圆形成型槽，顺利完成5mm铝合金薄板的TIG焊单面焊双面成型。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，其特征在于包括如下步骤：
A、根据薄板厚度、坡口形式、根部间隙工艺要求的尺寸，在焊枪（1）前方的一定距离处安装一个可用于解决焊接过程中熔池前方因横向收缩而导致薄板（4）根部间隙不断变小及发生面外翘曲变形的问题而保证焊接过程得以顺利进行的圆形凸起滚轮（2），该圆形凸起滚轮（2）的圆形凸出部分（21）的宽度与薄板（4）的接头根部间隙（41）的宽度相同；
B、根据焊接接头加强高工艺要求的尺寸，在焊枪（1）后方的一定距离处安装一个带有凹槽的挤压轮（3），通过挤压轮（3）对较高温度的焊接接头进行一次挤压延展，降低薄板结构的焊接变形与残余应力，同时限制挤压轮（3）在焊接方向上的左右摆动，防止对焊枪（1）前部的圆形凸起滚轮（2）产生附加弯矩作用，保证圆形凸起滚轮（2）较容易进入薄板（4）的接头根部间隙（41）中；
C 、将圆形凸起滚轮（2）和挤压轮（3）通过支座（6）连接在一起，并在支座（6）上安装一个挤压力装置（7），通过挤压力的作用，使得圆形凸起滚轮（2）始终位于薄板（4）的接头根部间隙（41）中，同时通过焊枪（1）后部的挤压轮（3）对较高温度的焊接接头进行挤压延展，进一步降低薄板结构的焊接残余应力与变形。
2.根据权利要求1所述控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，其特征在于上述薄板（4）的板厚≤4mm时，工艺规定采用I形坡口，工艺规定参数为：根部间隙1～2mm，圆形凸起滚轮（2）的圆形凸出部分（21）为I形结构，且圆形凸出部分（21）的端部位于薄板（4）下面的垫板（5）的成型槽（51）内且不接触成型槽（51）。
3.根据权利要求1所述控制薄板单面对焊接头根部间隙及翘曲变形的方法，其特征在于上述薄板（4）的板厚＞4mm时,采用V形坡口，工艺规定参数为：根部间隙2～3mm、根部钝边为2～3mm，圆形凸起滚轮（2）的圆形凸出部分（21）为倒Y形结构，且圆形凸出部分（21）的端部位于薄板（4）下面的垫板（5）的成型槽（51）内且不接触成型槽（51）。
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