CN104002025A - 一种铝合金薄板焊接方法及其焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用简单且受焊接空间影响小的铝合金薄板焊接方法及其焊接设备，本发明提供的方法通过对焊接后尚未恢复强度的高温金属的碾压，补偿在加热过程中产生的压缩塑性应变，减少了焊缝的收缩量，使焊接过程中瞬态应力降低，进而达到降低瞬时焊接变形的目的。之后在对经过碾压仍处于冷却收缩受拉伸状态的金属进行挤压，通过挤压力的作用，抵消了部分拉应力，防止了工件热裂纹的产生。本发明提供的设备，包括车架以及设置在所述车架上的TIG焊接装置、压板装置、碾压装置、挤压装置和控制系统，所述压板装置、所述TIG焊接装置、所述碾压装置和所述挤压装置按预定间距成一直线依次排列，使用该设备可以实现本发明所提供的焊接方法。

Description

一种铝合金薄板焊接方法及其焊接设备

技术领域

本发明涉及铝合金焊接领域，尤其是一种铝合金薄板焊接方法及其焊接设备。

背景技术

铝及其合金是有色金属中用途较广的金属之一，铝合金材料具有较高的比强度、耐腐蚀、良好的导电导热性以及可焊接性等优点。而薄板类铝合金结构重量轻、工艺性能好(易加工、易成型)、联接方便等特点，因而代替了传统钢结构，被广泛地应用于各种焊接结构产品中。铝合金薄板在焊接过程中，由于它的热传导系数大、线膨胀系数大的原因，在焊接过程中导致熔池附近与四周金属的温度梯度大，焊缝附近由于温度高，极易发生挠曲变形，电弧下方的金属向上涨起，造成与平台的脱离，导致熄弧、粘住焊枪，引起焊接过程的中断。因此，目前铝合金薄板的焊接都是在大型夹具的固定下进行操作，如常用的琴键式焊接夹具。然而传统的铝合金薄板焊接的这种特殊性给实际生产带来诸多不利因素：制造大型夹具增加了生产成本，焊前对于被焊接件的装夹造成了工时过长，劳动强度提高，减低了生产效率。

TIG焊又称为惰性气体钨极保护焊，其热源为直流电弧，工作电压为10～15伏，但电流可达300安，把工件作为正极，焊炬中的钨极作为负极。惰性气体一般为氩气。现有的半自动TIG焊铝合金薄板系统，一般由固定焊枪的行走机构、平台、外加TIG焊机与被焊工件尺寸相当的大型琴键夹具组成。设备庞大、分散，这在一定程度上增加了设备成本、装夹工时，降低生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用简单且受焊接空间影响小的铝合金薄板焊接方法及其焊接设备。

为了实现上述目的，本发明提供的铝合金薄板焊接方法采用如下技术方案：

一种铝合金薄板焊接方法，包括以下步骤：

S1：焊接前对焊接设备进行检查，清洗待焊接工件焊接位置的杂物，并将焊枪放置到焊接位置的上方，同时固定待焊接工件；

S2：以0-10mm/s的焊接速度采用TIG焊对待焊接工件进行焊接，得到焊接工件；

S3：对焊接工件焊缝上凝固的尚未恢复强度的高温金属进行碾压，使处于冷凝收缩状态的金属产生塑性延展；

S4：对焊接工件焊缝上经过碾压仍处于冷却收缩受拉伸状态的金属进行挤压，挤压方向与所述处于冷却收缩状态的金属产生的拉应力方向相反；

S5：焊接完成后，移开焊枪，检查焊接质量并取出焊接工件。

作为本发明焊接方法的一种改进，在步骤S1中，调整所述焊枪与所述待焊接工件之间的高度，使所述焊枪上的乌极尖端与所述待焊接工件之间的距离在2mm-3mm之间。

采用上述焊接方法，通过对焊接后尚未恢复强度的高温金属的碾压，补偿在加热过程中产生的压缩塑性应变，减少了焊缝的收缩量，使焊接过程中瞬态应力降低，进而达到降低瞬时焊接变形的目的。之后在对经过碾压仍处于冷却收缩状态的金属进行挤压，通过挤压力的作用，抵消了部分拉应力，防止了工件热裂纹的产生。与现有技术相比，本发明的焊接方法从力学的角度减小铝合金薄板焊接过程中的应力和变形，使用简单，同时由于碾压和挤压的对象是焊接后的金属而不是整个焊接工件，受焊接空间影响小。

本发明提供的铝合金薄板焊接设备采用如下技术方案：

一种铝合金薄板焊接设备，包括车架以及设置在所述车架上的TIG焊接装置、压板装置、碾压装置、挤压装置和控制系统，所述压板装置、所述TIG焊接装置、所述碾压装置和所述挤压装置按预定间距成一直线依次排列。

作为本发明焊接设备的一种改进，所述TIG焊接装置包括焊枪，所述焊枪通过可调节所述焊枪位置的焊枪夹持部件连接在所述车架上，所述焊枪竖直放置或与水平面倾斜放置。

作为本发明焊接设备的一种改进，所述压板装置包括压轮和设置在压轮上方的第一配重块。

作为本发明焊接设备的一种改进，所述碾压装置包括一个或多个碾压轮，所述挤压装置包括两个挤压轮，所述碾压轮和所述挤压轮通过同一个压轮固定部件连接在所述车架上，所述压轮固定部件上方还设置有第二配重块。

作为本发明焊接设备的进一步改进，所述挤压轮为圆台状挤压轮，所述碾压轮为圆柱状碾压轮。

作为本发明焊接设备的进一步改进，所述压轮固定部件包括固定在所述车架上的固定盘以及上端穿设在所述固定盘上的梯轴，所述梯轴上端与所述固定盘配合处穿插有防止所述梯轴转动的方键，所述梯轴的下端铰接有滑动块，所述碾压轮和所述挤压轮安装在所述滑动块上。

作为本发明焊接设备的更进一步改进，所述梯轴的中间位置设置有螺纹段，其上安装有与所述螺纹段配合的支撑螺母，所述支撑螺母和所述固定盘之间穿套有压缩弹簧。

作为本发明焊接设备的更进一步改进，所述滑动块上设置有用于调整所述碾压轮和所述挤压轮之间距离的通槽。

采用上述技术方案，将压板装置、TIG焊接装置、碾压装置和挤压装置按预定间距成一直线依次排列，通过压板装置实现对焊接工件的局部固定，然后再使用TIG焊接装置进行焊接，之后依次使用碾压装置和挤压装置实现对焊接工件焊接位置金属的碾压和挤压，实现本发明的铝合金薄板焊接方法，结构简单、使用方便，与现有的TIG焊接设备相比，不需要设置夹具，节省了使用时装夹工件的时间，提供了生产效率。

进一步，通过焊枪夹持部件固定焊枪，使得焊枪的位置和角度可调节，提升了焊接设备的使用范围，采用压轮和第一配重块作为压板装置，结构简单，同时可以作为焊接设备的行走装置。此外，通过将挤压轮设置成圆台状挤压轮，挤压轮倾斜面与待焊工件接触，产生垂直于待焊工件表面方向和平行于待焊工件方向的两个分力，垂直分力压住待焊工件，限制其向上翘曲，水平分力指向焊缝，抵消薄板焊缝区域焊接冷却过程受到的拉应力，防止热裂纹的产生。通过设置压缩弹簧，保证碾压轮与挤压轮工作时与待焊工件表面的贴合。通过设置通槽，使得碾压轮与挤压轮之间距离的调节更加方便。

附图说明

图1为本发明焊接设备的结构简图；

图2为本发明焊接设备的结构示意图；

图3为本发明焊接设备的俯视图，图中省略第一配重块和第二配重块；

图4为本发明焊接设备的夹具的结构示意图。

图中对应标示如下：

1-车架；                 11-横梁；

12-纵梁；                121-通槽；

13-纵梁；                131-通槽；

2-TIG焊接装置；          21-焊枪；

22-焊枪夹持部件；        221-连接板；

222-夹具；               223-下V型块；

224-上V型块；            225-锁紧盘；

226-螺栓；               3-压板装置；

31-压轮；                32-第一配重块；

4-碾压装置；             41-碾压轮；

5-挤压装置；             51-挤压轮；

6-控制系统；             7-轮固定部件；

71-固定盘；              72-梯轴；

73-方键；                74-滑动块；

75-通槽；                76-通槽；

77-支撑螺母；            78-压实弹簧；

8-第二配重块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的铝合金薄板焊接方法，包括以下步骤：

S1：焊接前对焊接设备进行检查，清洗待焊接工件焊接位置的杂物，并将焊枪放置到焊接位置的上方，调整焊枪与待焊接工件之间的高度，使焊枪上的乌极尖端与待焊接工件之间的距离在2mm-3mm之间，需要说明的是，焊枪上的乌极尖端与待焊接工件之间的距离可以根据实际需要设定，并不一定是本实施例中的距离在2mm-3mm之间，如果焊接过程中发现钨极容易粘在焊接工件上，需要适当增加焊枪上的乌极尖端与待焊接工件之间的距离，同时，固定待焊接工件；

S2：采用TIG焊对待焊接工件进行焊接，以0-10mm/s的焊接速度采用TIG焊对待焊接工件进行焊接，得到焊接工件，TIG焊可以采用常规的半自动TIG焊焊接；

S3：对焊接工件焊缝上凝固的尚未恢复强度的高温金属进行碾压，使处于冷凝收缩状态的金属产生塑性延展，降低焊接过程中的瞬态应力；

S4：对焊接工件焊缝上经过碾压仍处于冷却收缩受拉伸状态的金属进行挤压，挤压方向与所述处于冷却收缩状态的金属产生的拉应力方向相反；

S5：焊接完成后，移开焊枪，检查焊接质量并取出焊接工件。

本发明的铝合金薄板焊接设备的结构简图如图1所示，包括车架1以及设置在车架1上的TIG焊接装置2、压板装置3、碾压装置4、挤压装置5和控制系统6，上述压板装置3、TIG焊接装置2、碾压装置4和挤压装置5按预定间距成一直线依次排列。

如图1和图2所示，车架1为便拆式结构，主要由角钢和薄钢条组装而成，为配合其他零部件的装配，在车架1的一些特定位置开有通槽和通孔，方便安装及拆卸。TIG焊接装置2包括焊枪21，焊枪21通过可调节焊枪21位置的焊枪夹持部件22固定在车架1上，焊枪21可以根据实际需要选择竖直放置或与水平面倾斜放置。焊枪夹持部件22包括与车架1上的横梁11连接在一起的连接板221，横梁11由角钢加工而成，其竖直的一面上开设有两平行通槽，连接板221也设置成有一定弯曲角度的弯曲结构，其一端通过螺钉与横梁11连接，当螺钉处于紧固状态时，连接板221与横梁11固定连接，当螺钉未拧紧时，连接板221可在横梁11的通槽上滑移，从而使得焊枪夹持部件22具有调节横向位置的功能。车架1的纵梁12和13上还分别开设有等长的通槽121和131，横梁11通过螺钉与纵梁12和13连接，当螺钉处于紧固状态时，横梁11与纵梁12和13固定连接，当螺钉未拧紧时，横梁11可带着焊枪夹持部件22在通槽121和131上滑移，从而使得焊枪夹持部件22具有调节纵向位置的功能。连接板221的另一端连接有用于夹紧焊枪21的夹具222，如图4所示，夹具222包括下V型块223、上V型块224、锁紧盘225和螺栓226，下V型块223和上V型块224开口相对，一端相互铰接，另一端通过螺栓226连接，锁紧盘225也安装在螺栓226上，用于紧固下V型块223和上V型块224。装夹时，旋转锁紧盘225，使下V型块223和上V型块224通过螺栓226连接的一端分离，然后将焊枪21的枪柄放在上V型块224与下V型块223之间的卡槽内，最后旋转锁紧盘225，使下V型块223和上V型块224通过螺栓226连接的一端相互靠合直至夹紧焊枪21。通过此结构和方式装夹焊枪21非常方便、受空间限制小，并且适应不同尺寸焊枪21。

压板装置3包括压轮31和设置在压轮上方的第一配重块32，第一配重块32的作用在于增加压轮31对待焊接工件的压力，其重量可以根据实际需要设计。在本实施例中，压轮31有两个，第一配重块32设置在两压轮31之间的上方，其具体安装方式可以是常规的方式，如直接压在两压轮31的轮轴上。两压轮31之间的距离可以根据实际需要设定，但需确保压轮31固定待焊接薄板后，不能影响其后面TIG焊接装置2、碾压装置4和挤压装置5的工作，即挤压装置5在工作时，该焊接位置的薄板是不会移动的。压轮31也可以只设置一个，但此时压轮31的宽度需远大于焊缝的宽度。

碾压装置4包括一个或多个碾压轮41，在本实施例中，碾压轮41只有一个，为常规的圆柱状碾压轮。为适应不同电流电弧下焊缝区域大小要求，碾压轮41也设计成多组并列放置，其轮子的总宽度从5mm-20mm变化。挤压装置5包括两个挤压轮51，两个挤压轮51之间的距离可以根据实际需要设置，一般在10mm-40mm之间。在本实施例中，挤压轮51为圆台状挤压轮，即其横向剖面为梯形，圆台状挤压轮的倾斜角度最好设置在1°-5°之间。碾压轮41和挤压轮51通过同一个压轮固定部件7连接在所述车架1上，压轮固定部件7上方还设置有第二配重块8，第二配重块8的作用在于为碾压轮41和挤压轮51提供适当的压力，其重量可以根据实际需要设计。

通常情况下，碾压轮41、挤压轮51与焊枪21之间的距离越近越好，这样焊枪21后方的金属尚处于高温，强度较低，只需用比较小的碾压力作用于焊缝金属，便可起到对焊缝的塑性延展作用。但也不能太近，如果这几个部件的距离太近，会导致焊缝金属尚处于熔融状态就进行碾压工序，很容易将焊缝压塌，无法完成焊接过程。而如果碾压轮41与焊枪21的距离太远，碾压时焊缝金属已完全凝固，并恢复了强度，即便用再大的力也很难对焊缝进行延展，达不到预期的效果。因此，为了达到较好的碾压和挤压效果，碾压轮41与挤压轮51需作用于焊接熔池后方的拉伸塑性区，经计算，该拉伸塑性区大概在焊枪21后方距其20mm-40mm之间，具体的最佳距离可以根据待焊接工件的具体材料牌号、大小以及厚度来计算确定。

压轮固定部件7包括固定在车架1上的固定盘71以及上端穿设在固定盘71上的梯轴72，梯轴72上端与固定盘71配合处穿插有防止梯轴72转动的方键73，方键73可以是现有技术中常见的结构，只要其能起到防止梯轴72转动的目的即可。梯轴72的下端铰接有滑动块74，滑动块74上设置有用于调整碾压轮41和挤压轮51之间距离的通槽75和76，碾压轮41和挤压轮51分别通过通槽75和76安装在滑动块74上，其连接方式也是通过螺钉连接，当螺钉处于紧固状态时，碾压轮41和/或挤压轮51与滑动块74固定连接，当螺钉未拧紧时，碾压轮41和/或挤压轮51可以在通槽121和/或131上滑移。梯轴72的中间位置设置有螺纹段，其上安装有与其螺纹段配合的支撑螺母77，支撑螺母77和固定盘71之间穿套有压缩弹簧78，压缩弹簧78的作用在于将第二配重块8提供的压力稳定的往下传递。

上述TIG焊接装置2、压板装置3、碾压装置4、挤压装置5的工作时序由控制系统6控制，在本实施例中，控制系统6为现有技术中常见的控制系统，在此不再详述。

下面结合本发明铝合金薄板的焊接方法和焊接设备，以焊接2mm厚、320mm×200mm的LY12硬铝合金薄板为例，详细说明一下焊接步骤：

S1：焊接前对焊接设备进行检查，清洗待焊接工件焊接位置的杂物，在工件纵向的中心位置画一条标记线，焊缝中心应该大致位于此标记线上，同时将焊接设备放置在待焊接工件上；

S2：调整焊接设备上各个装置的位置，确保两个压轮31的中心连线的中点、焊枪21、碾压轮41以及两个挤压轮51的中心连线的中点在同一直线上，该直线与步骤S1中画的标记线重合，同时，压轮31压住待焊接工件。

S3：调整焊枪21的高度，使其钨极尖端与待焊接工件之间的距离在2mm-3mm之间，同时调整压轮31、碾压轮41和挤压轮51和焊枪21之间的距离至预定距离，其中，焊枪21与碾压轮41之间的距离为30mm，焊枪21与挤压轮51之间的距离为53mm。

S4：采用TIG焊对待焊接工件进行焊接得到焊接工件，焊接速度为4mm/s，焊接电流为70A，焊接保护气体流量为20L/min，冷却方式为空气冷却，在焊接的同时，控制系统6驱动压轮31往前移动；

S3：碾压轮41在压轮31的带动下往前运动，对焊接工件焊缝上凝固的尚未恢复强度的高温金属进行碾压，使处于冷凝收缩状态的金属产生塑性延展；

S4：挤压轮51在压轮31的带动想往前运动，挤压轮51通过与其接触的焊缝附件的金属对焊接工件焊缝上经过碾压仍处于冷却收缩状态的金属进行挤压，挤压方向与所述处于冷却收缩状态的金属产生的拉应力方向相反；

S5：焊接完成后，移开焊接设备，检查焊接质量并取出焊接工件。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，如使用其他结构的夹具代替本发明中的夹具222等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝合金薄板焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：焊接前对焊接设备进行检查，清洗待焊接工件焊接位置的杂物，并将焊枪放置到焊接位置的上方，同时固定待焊接工件；

S2：以0-10mm/s的焊接速度采用TIG焊对待焊接工件进行焊接，得到焊接工件；

S3：对焊接工件焊缝上凝固的尚未恢复强度的高温金属进行碾压，使处于冷凝收缩状态的金属产生塑性延展；

S4：对焊接工件焊缝上经过碾压仍处于冷却收缩受拉伸状态的金属进行挤压，挤压方向与所述处于冷却收缩状态的金属产生的拉应力方向相反；

S5：焊接完成后，移开焊枪，检查焊接质量并取出焊接工件。

2.如权利要求1所述的铝合金薄板焊接方法，其特征在于，在步骤S1中，调整所述焊枪与所述待焊接工件之间的高度，使所述焊枪上的乌极尖端与所述待焊接工件之间的距离在2mm-3mm之间。

3.一种采用权利要求1所述的铝合金薄板焊接方法的焊接设备，其特征在于，包括车架以及设置在所述车架上的TIG焊接装置、压板装置、碾压装置、挤压装置和控制系统，所述压板装置、所述TIG焊接装置、所述碾压装置和所述挤压装置按预定间距成一直线依次排列。

4.如权利要求3所述的焊接设备，其特征在于，所述TIG焊接装置包括焊枪，所述焊枪通过可调节所述焊枪位置的焊枪夹持部件连接在所述车架上，所述焊枪竖直放置或与水平面倾斜放置。

5.如权利要求3或4所述的焊接设备，其特征在于，所述压板装置包括压轮和设置在压轮上方的第一配重块。

6.如权利要求3或4所述的焊接设备，其特征在于，所述碾压装置包括一个或多个碾压轮，所述挤压装置包括两个挤压轮，所述碾压轮和所述挤压轮通过同一个压轮固定部件连接在所述车架上，所述压轮固定部件上方还设置有第二配重块。

7.如权利要求6所述的焊接设备，其特征在于，所述挤压轮为圆台状挤压轮，所述碾压轮为圆柱状碾压轮。

8.如权利要求6所述的焊接设备，其特征在于，所述压轮固定部件包括固定在所述车架上的固定盘以及上端穿设在所述固定盘上的梯轴，所述梯轴上端与所述固定盘配合处穿插有防止所述梯轴转动的方键，所述梯轴的下端铰接有滑动块，所述碾压轮和所述挤压轮安装在所述滑动块上。

9.如权利要求8所述的焊接设备，其特征在于，所述梯轴的中间位置设置有螺纹段，其上安装有与所述螺纹段配合的支撑螺母，所述支撑螺母和所述固定盘之间穿套有压缩弹簧。

10.如权利要求8所述的焊接设备，其特征在于，所述滑动块上设置有用于调整所述碾压轮和所述挤压轮之间距离的通槽。