CN105643122A - 动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置及方法。所述薄板随焊变形控制装置，包括行走模块、连接装置和随焊变形控制模块，所述行走模块通过连接装置承载随焊变形控制模块；所述随焊变形控制模块包括沿焊缝纵向方向前后依次排列的动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块，所述动态热拉伸模块能够实现双TIG电弧并行横向摆动加热。所述薄板随焊变形控制方法，在焊接前使用TIG电弧对焊缝两侧进行动态热拉伸，焊接焊缝，随后使用激冷介质对焊缝进行激冷。本发明整体结构紧凑、尺寸小，在保证焊缝质量的基础上，既能降低焊接残余应力水平，又可以很好地控制压屈失稳及弯曲变形。

Description

动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置及方法

技术领域

本发明属船舶装焊技术领域，具体涉及一种动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置及方法。

背景技术

高速铝质舰船主要采用3～5mm厚铝合金薄板焊接而成，焊接残余拉/压应力较高，若超过船体壁板的临界压屈失稳应力，则导致船体产生压屈失稳变形。特别是不等厚度薄板对接焊后，较薄的薄板侧易产生压屈失稳变形，较厚的薄板侧易产生压屈失稳及弯曲变形。为解决上述问题，实际生产中常采用焊后火焰矫正和电弧矫正等后序方法，但这些方法会降低材料性能、引入残余应力，降低船体的承载能力和疲劳强度。这些后序处理工艺不仅浪费了大量人力、物力；又会破坏船体表面质量，降低船体的耐腐蚀性能，降低生产效率。

目前国内外在铝合金薄板对接焊的随焊变形控制方面主要有预拉伸法、局部加热法、随焊碾压法和焊后冷碾压法等机械力方法和温差拉伸法。如关桥等人首先提出采用“焊枪-激冷装置”双源系统，在熔池后的高温焊缝区产生强烈的局部激冷拉伸作用，抑制、抵消焊接时产生的压缩塑性变形，达到减小焊接应力和控制薄壁构件变形的目的。其在公开号为CN1075277A的中国发明专利中具体公开了一种动态控制薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置。该方法采用跟随焊接热源移动的冷却介质射流对仍处于高温状态的焊缝进行强制冷却，利用高压气体将冷却介质先行雾化后，再喷射到焊缝高温区；通过包围着冷却介质喷嘴的抽气管及时将冷却介质的蒸汽和剩余冷却介质排走；抽气管下端与工件之间的间隙用屏蔽网封严。该装置设置了冷却介质喷嘴，配置高压气流喷嘴在出口与冷却介质喷嘴汇合形成介质雾化射流喷嘴，并在其外围设置一个抽气管，抽气管与真空泵相连接，抽气管下端固定有柔性耐高温材料制成的屏蔽网，冷却喷嘴和抽气管固定在一个三向可调的装夹机构上。所述冷却介质可以是水、液化二氧化碳、液氮或其他冷却介质。

郭绍庆等人提出焊缝全长的静态温差拉伸配合随焊激冷的方法，将焊缝区和近缝区的残余压缩塑性应变控制在较低水平，有效地控制焊件的残余变形。在该方法中，温差拉伸在专门设计的分体底板琴键式夹具上进行，中部铜垫板内通水冷却焊缝及近缝区，两侧底板槽内的电热带加热两侧区域。随焊激冷以水作为冷却介质，采用喷水炬将水雾化后随焊喷洒于焊缝及近缝区(郭绍庆,袁鸿,徐文立,等.温差拉伸和随焊激冷配合使用控制焊接变形[J].焊接学报,2005,25(6):82-86.)。然而在实际生产中，需事先在待焊焊缝部位安装温差拉伸装置，而且曲面焊缝和纵长焊缝的温差拉伸装置更加庞大、复杂，限制了该方法的在船舶制造领域的应用。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置及方法，它具有结构紧凑、重量轻、灵活、适应性强、使用方便、成本低等特点，特别适用于铝合金薄壁船体结构无支撑焊缝的随焊变形控制，在保证焊缝质量的基础上，既能降低焊接残余应力水平，又可以很好地控制压屈失稳及弯曲变形。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置，包含行走模块、连接装置和随焊变形控制模块，所述行走模块通过连接装置承载随焊变形控制模块；

所述随焊变形控制模块包括沿焊缝纵向方向前后依次排列的动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块，所述动态热拉伸模块能够实现双TIG电弧并行横向摆动加热。

优选地，所述行走模块包含车身和位于其上的连接装置安装竖管，所述连接装置安装竖管用于安装所述连接装置；

所述连接装置包含第一纵向套筒、第二纵向套筒、第一横向套筒、第二横向套筒、第一横杆和第一竖杆，第一纵向套筒垂直连接于第一横向套筒的侧壁，第二横向套筒垂直连接于第二纵向套筒的侧壁，所述第一纵向套筒与连接装置安装竖管套接，第一横向套筒和第二横向套筒分别套接于第一横杆的两端，第二纵向套筒与第一竖杆套接。

优选地，所述随焊变形控制模块包含第三纵向套筒、安装横板、动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块，所述第三纵向套筒与第一竖杆套接，所述安装横板用于安装焊枪模块和随焊激冷模块。

优选地，所述动态热拉伸模块包含横向摆动调节模块和两支TIG电弧枪，所述横向摆动调节模块包含第一夹持滑块、第二夹持滑块、滑轨、减速电机、曲轴以及曲轴连杆，滑轨的一端与第三纵向套筒的侧壁连接，滑轨上设有第一夹持滑块和第二夹持滑块，曲轴与内置于第三纵向套筒内的减速电机传动连接，曲轴上的曲轴连杆固定于第一夹持滑块上的横槽处，第一夹持滑块与第二夹持滑块之间通过调节横杆相连；

所述焊枪模块包含焊枪座和焊枪，所述安装横板上开设有两条平行的横向滑道，所述焊枪座上设有一个纵向凹槽，所述纵向凹槽内设置有一个纵向滑道，所述焊枪安装在焊枪座上，所述焊枪座通过两个第二紧固件连接横向滑道和纵向滑道来固定在安装横板上；

所述随焊激冷模块包含弹性压紧装置、激冷介质喷头、激冷介质喷管和接触垫片，所示弹性压紧装置包含滑台、竖杆和第二挡块，所述竖杆穿过滑台上的竖杆穿孔，竖杆两端分别与第二挡块和激冷介质喷头连接，所述激冷介质喷管位于所述激冷介质喷头上，所述滑台与所述激冷介质喷头之间的竖杆外设置有弹簧；所述激冷介质喷头上开有喷射孔，两侧开有导气孔与喷射孔相通，喷射孔与激冷介质喷管相连，激冷介质喷头下方可拆卸地安装接触垫片，接触垫片上对应喷射孔处设有与喷射孔下部形状相匹配的激冷介质出口，所述滑台通过第三紧固件与所述安装横板连接。

优选地，第一横向套筒和第二横向套筒上分别设置有第一横向调节旋钮和第二横向调节旋钮，分别用于调节第一横向套筒和第二横向套筒在第一横杆上的横向位置；第二纵向套筒上设有纵向调节旋钮，所述纵向调节旋钮用于调节第二纵向套筒在第一竖杆上的高度。因此，所述连接装置可以调节随焊变形控制模块的高度和横向位置。

优选地，所述动态热拉伸模块和所述焊枪模块之间设有挡板，所述挡板的一端安装于所述安装横板上。

优选地，所述随焊激冷模块使用干冰作为激冷介质。

优选地，两支TIG电弧枪采用相互独立的焊接电源。

优选地，所述行走模块能够自动行进且速度快慢可调节，行走方向与焊缝纵向方向相同。

动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制方法，在焊接前使用TIG电弧对焊缝两侧进行动态热拉伸，焊接焊缝，随后使用激冷介质对焊缝进行激冷。

优选地，所述随焊变形控制方法，包括以下步骤：

将待焊平板对接，设置好引弧板和熄弧板；

将行走模块置于待焊焊缝侧面，使行走模块行进方向平行于焊缝纵向方向；调节第一横向调节旋钮和第二横向调节旋钮，使焊枪中心位于引弧板上正对于焊缝中心处；调整动态热拉伸模块、焊枪模块及随焊激冷模块三者之间的位置；调整TIG电弧枪与待焊平板之间的高度；设置各项参数；

焊接时，随着行走模块的前进，TIG电弧枪产生的电弧横向摆动，对焊缝两侧进行同等程度的动态热拉伸，焊枪焊接焊缝，随焊激冷模块喷射干冰对焊缝进行激冷拉伸。

本发明中所述动态热拉伸模块通过减速电机和曲轴连杆带动两支TIG电弧枪产生的双TIG电弧实现并行横向摆动。所述双TIG电弧作为可调热源通过在焊缝两侧摆动形成并行的加热带，对焊接熔池前方金属产生动态预拉伸作用，降低焊缝及近缝区在加热阶段产生的压缩塑性应变，此时焊缝中心处温度较低，构成马鞍形温度场，实现对待焊焊缝前方待焊接金属的拉伸作用。所述双TIG电弧紧固在夹持滑块上，可分别调节二者高度。所述两支TIG电弧枪采用相互独立的焊接电源，可单独调节每支TIG电弧枪的电流、电压等工艺参数。在不等厚薄板对接焊时可分别调节参数，使焊缝两侧不等厚薄板的热拉伸作用保持一致。

所述焊枪位于动态热拉伸模块后方，两者之间由挡板隔开，避免焊枪工作时焊接电弧受双TIG电弧摆动的干扰。所述焊枪采用惰性气体进行保护。所述焊枪安装在焊枪座上，焊枪的高度、前后位置以及倾斜角度可调节。

所述随焊激冷模块通过激冷枪喷射固态干冰激冷介质，对焊缝区域进行急速冷却。利用干冰直接雾化升华对处于高温状态的焊缝区域进行局部急冷，使其局部急剧收缩，从而产生对该焊缝区的强烈拉伸效应，由此产生的拉伸塑性变形抵消焊缝中加热阶段残留的压缩塑性变形。特别指出的是，随焊激冷模块中通过设置弹簧使激冷介质喷头保持压紧在焊缝处，同时适用于平面焊缝和曲面焊缝的焊接。同时，激冷介质喷头与焊缝接触位置形状经过特别设计，能够与焊缝紧密贴合、喷射面积小。在干冰喷射时，独特的喷口位置和导流设计，使干冰升华冷却效率更高。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明由行走模块承载随焊变形控制模块，且随焊变形控制模块将动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块整合在一起，整体结构紧凑、尺寸小、重量轻、灵活、适应性强、使用方便、成本低等特点，特别适用于铝合金薄壁船体结构无支撑焊缝的随焊变形控制，在保证焊缝质量的基础上，既能降低焊接残余应力水平，又可以很好地控制压屈失稳及弯曲变形，在船厂适用性广。

2、本发明动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置及方法与已公开专利不同，本发明在原有的热源—热潭的焊接变形控制体系上进行优化，随焊变形控制模块采用一体化方案，在焊接过程内即完成动态热拉伸—焊接—随焊激冷的复杂过程，实现焊接以及变形控制。在通过焊枪前的局域动态热拉伸以及焊枪后方的随焊激冷拉伸的双重作用，可以在焊接过程中动态控制了焊接应力与变形，防止了薄板构件的压屈失稳及弯曲变形。本发明方法可以有效弥补单一激冷方法在焊接热输入较大和不等厚薄板对接焊时难以完全抵消压缩塑性应变的情况。

3、所述动态热拉伸模块采用双TIG电弧作为加热带，与常规的火焰预热相比，具有能量调节方便、升温速度快以及加热区域尺寸小等优点。在随焊变形控制模块随行走模块行进时，较短时间内即可将焊缝两侧区域加热到所需温度。同时，双TIG电弧可并行自动横向摆动，实现带状加热，产生理想的热拉伸作用。

4、所述变形控制模块中，可视不同应用场合和工艺要求采用不同种类的焊枪，如：熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊枪和带有送丝机构的钨极氩弧焊(TIG)焊枪。所述随焊激冷模块采用干冰作为激冷介质，冷却效果好，便于储存，安全性好，成本低。

附图说明

图1为本发明动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置的等轴侧图。

图2为本发明中行走模块的结构示意图。

图3为本发明中连接装置的结构示意图。

图4为本发明中随焊变形控制模块的结构示意图。

图5为本发明中随焊变形控制模块的前视图。

图6为本发明中随焊变形控制模块的俯视图。

图7为本发明中随焊变形控制模块的左视图。

图8为本发明中焊枪座的详细示意图。

图9为激冷模块的详细示意图。

图10为实施例2中本发明的工作示意图。

图11为实施例3中本发明的工作示意图。

附图标记为：

1行走模块，11车身，12连接装置安装竖管，2连接装置，21第一纵向套筒，22第一横向套筒，222第一横向调节旋钮，23第一横杆，24第二横向套筒，242第二横向调节旋钮，25第二纵向套筒，251第一紧固件，254纵向调节旋钮，26第一竖杆，3随焊变形控制模块，31动态热拉伸模块，311第一TIG电弧枪，312第二TIG电弧枪，32焊枪模块，321焊枪座，322焊枪，纵向凹槽323，纵向滑道324，325座体，326焊枪压块，327第二紧固件，337第三紧固件，34第三纵向套筒，35安装横板，横向滑道351，36横向摆动调节模块，361第一夹持滑块，362第二夹持滑块，363第一挡块，364减速电机，365曲轴，366曲轴连杆，367滑轨，368调节横杆，369滑块压块，37挡板，4第一曲面薄板，5第二曲面薄板，6第二平板，7第三平板，8随焊激冷模块，81弹性压紧装置，811滑台，812竖杆，813第二挡块，814弹簧，82激冷介质喷头，821导气孔，83激冷介质喷管，84接触垫片，841圆槽，842凹陷部，91引弧板，92熄弧板。

具体实施方式

为了更好的说明本发明，下面结合附图和具体实施方式做进一步说明。

实施例1、薄板随焊变形控制装置

参考图1和图2，本实例中动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置，包含行走模块1、连接装置2和随焊变形控制模块3，所述行走模块1通过连接装置2承载随焊变形控制模块3。其中，所述行走模块1选用自动行走小车，包含车身11和其上设置的连接装置安装竖管12，车身11设置有配重，以保证工作过程中随焊变形控制模块3的稳定性。所述行走模块1能够自动行进且速度快慢可调节，行走方向与焊缝纵向方向相同。

如图1和图3所示，所述连接装置2包含第一纵向套筒21、第二纵向套筒25、第一横向套筒22、第二横向套筒24、第一横杆23和第一竖杆26；第一纵向套筒21垂直固定连接于第一横向套筒22的侧壁；第二横向套筒24垂直连接于第二纵向套筒25的侧壁，二者之间通过第一紧固件251固定，因此可以通过调整第二纵向套筒25和第二横向套筒24之间的角度来调节第一竖杆26的角度，进而调节随焊变形控制模块3的角度；所述第一纵向套筒21与行走模块1中的连接装置安装竖管12套接，第一横向套筒22和第二横向套筒24分别套接于第一横杆23的两端，第二纵向套筒25与第一竖杆26套接。

优选地，第一纵向套筒21、第二纵向套筒25、第一横向套筒22、第二横向套筒24都含有一个环形筒身，环形筒身上沿其轴向方向开有一条开口，开口两侧各有一个耳部，每个耳部上开设有一至两个通孔。螺栓螺母等紧固件穿过耳部上的通孔，进而将套筒固定在第一横杆或第一竖杆上。

第一横向套筒22和第二横向套筒24上分别设置有第一横向调节旋钮222和第二横向调节旋钮242，他们分别用于调节第一横向套筒22和第二横向套筒24在第一横杆23上的横向位置；第二纵向套筒25上设有纵向调节旋钮254，所述纵向调节旋钮254用于调节第二纵向套筒25在第一竖杆26上的高度。优选地，所述第一横杆23和第一竖杆26上设置有刻度，刻度与调节旋钮相配合能够实现更精准的调节。因此，通过连接装置2不仅可以使行走模块1承载随焊变形控制模块3，还可以调整随焊变形控制模块3相对于行走模块1的位置。

如图4-图7所示，所述随焊变形控制模块3包括第三纵向套筒34、安装横板35以及沿焊缝纵向方向前后依次排列的动态热拉伸模块31、焊枪模块32和随焊激冷模块8，所述第三纵向套筒34通过紧固件与第一竖杆26套接，所述安装横板35用于安装焊枪模块32和随焊激冷模块8。

所述动态热拉伸模块31能够实现双TIG电弧并行横向摆动，在焊接前对焊缝两侧加热。优选地，所述动态热拉伸模块31包含横向摆动调节模块36和两支TIG电弧枪，所述两支TIG电弧枪分别为第一TIG电弧枪311和第二TIG电弧枪312，所述横向摆动调节模块36包含第一夹持滑块361、第二夹持滑块362、两根上下平行排列的滑轨367、第一挡块363、减速电机364、曲轴365以及曲轴连杆366，滑轨367的一端与第三纵向套筒34的侧壁连接，滑轨367外套设有第一夹持滑块361和第二夹持滑块362，滑轨367的另一端还安装有第一挡块363以免第二夹持滑块362滑出滑轨。

第一夹持滑块361与第二夹持滑块362之间通过两根调节横杆368相连，调节横杆368的两端通过紧固件分别固定在第一夹持滑块361和第二夹持滑块362上，可以实现第一夹持滑块361和第二夹持滑块362同步同幅度摆动。调节横杆368的长度可以调节，进而调节第一夹持滑块361和第二夹持滑块362之间的距离。

所述第一夹持滑块361与第二夹持滑块362分别包含有一个滑块主体和一个滑块压块369。所述滑块主体上设有截面为圆弧形的大凹槽，滑块压块369上对应的设有截面为圆弧形的小凹槽，大小凹槽围成的空间内安装TIG电弧枪311，再通过紧固件将所述滑块压块369安装在滑块主体上。

曲轴365与内置于第三纵向套筒34内的减速电机364传动连接，曲轴365上安装有曲轴连杆366，曲轴连杆366通过紧固件与第一夹持滑块361上的横槽连接，通过调整曲轴连杆366在该横槽上的位置，可以调节双TIG电弧的摆动幅度。减速电机364带动曲轴365转动，曲轴365的转动转换成曲轴连杆366的来回摆动，曲轴连杆366的摆动进一步带动第一夹持滑块361来回摆动，因第一夹持滑块361和第二夹持滑块362通过调节横杆固定连接，所以，第二夹持滑块362与第一夹持滑块361同步来回摆动。因此，所述动态热拉伸模块可以产生来回摆动的双TIG电弧。

如图8所示，所述焊枪模块32包含焊枪座321和焊枪322，所述焊枪322安装在焊枪座321上，所述安装横板35上开设有两条平行的横向滑道351，所述焊枪座321的后侧壁上设有一个纵向凹槽323，所述纵向凹槽323的侧壁(焊枪座端部)上设置有一个纵向滑道324，使用两个第二紧固件327连接纵向滑道324和两个横向滑道351来将焊枪座321固定在安装横板35上，每个横向滑道351中设置一个第二紧固件327，两个第二紧固件327在纵向滑道324中上下排列。通过同时调整第二紧固件327在纵向滑道324和横向滑道351上的位置，可以调节焊枪座321的倾斜角度。通过同时单独调整两个第二紧固件327在横向滑道351上的位置，可以调整焊枪模块32与动态热拉伸模块31、随焊激冷模块8的距离。

优选地，所述焊枪座321包含一座体325和两个焊枪压块326，所述座体325上设有截面为圆弧形的大凹槽，每个焊枪压块上对应的设有截面为圆弧形的小凹槽，大小凹槽围成的空间内安装焊枪322，通过紧固件将焊枪压块326安装在座体325上。

优选地，两支TIG电弧枪采用相互独立的焊接电源，其TIG电弧枪的电流电压等参数可以分开调节，以实现对不同厚度的待焊薄板实现相同的热拉伸作用的目的。

所述动态热拉伸模块与所述焊枪模块之间设有挡板37，所述挡板37的一端安装于所述安装横板35上，以防止热拉伸模块的电弧影响焊接电弧稳定性。

如图9所示，所述随焊激冷模块8包含弹性压紧装置81、激冷介质喷头82、激冷介质喷管83和接触垫片84，所示弹性压紧装置包含滑台811、竖杆812和第二挡块813，所述滑台811上设有竖杆穿孔，所述竖杆812穿过所述竖杆穿孔，竖杆812的两端均设有螺纹，分别与第二挡块813和激冷介质喷头82上的螺孔螺纹连接，所述激冷介质喷管83位于所述激冷介质喷头82上，与外部激冷机相连，用于将激冷介质输入到激冷介质喷头82中。所述滑台811与所述激冷介质喷头82之间的竖杆812外设置有弹簧814，所述弹性压紧装置81用于使激冷介质喷头82压紧焊缝，与焊缝紧密贴合，喷射面积小，节省激冷介质。第二挡块813安装在竖杆812的顶端可以防止滑台811自竖杆顶端脱离。

所述激冷介质喷头82上开有喷射孔，两侧开有导气孔821与喷射孔相通，喷射孔与激冷介质喷管83相连，激冷介质喷头82下方可拆卸地安装接触垫片84，接触垫片84上对应喷射孔处设有与喷射孔下部形状相匹配的激冷介质出口。

优选地，喷射孔位于激冷介质喷头82的前部，喷射孔下部开口为狭长形开口，所述导气孔821自喷头侧壁内侧向侧壁外侧方向向上倾斜设置，倾斜角度优选35°～45°。喷射孔位置前置时，焊缝能得到更高的冷却效率。采用狭长形开口可以使激冷剂喷射的区域宽度较窄形成更好的激冷拉伸效果。所述导气孔的开孔位置、形状以及开口尺寸经过流体力学模拟优化，使激冷干冰雾化升华时产生的大量气体充分向焊缝两侧排出，避免激冷干冰在喷口位置因体积膨胀而堆积。

优选地，所述接触垫片84上对应焊缝处设有凹陷部842。所述凹陷部作为预留的焊缝余高可以使接触垫片与焊缝更加紧密接触。所述接触垫片为弹性耐热高分子材料垫片，如聚四氟乙烯或硅橡胶等。接触垫片84的前方和侧方开有圆槽841，所述圆槽中嵌入“U”形弹性胶条，所述弹性胶条直径大于圆槽宽度。因此，在将“U”形弹性胶条嵌入圆槽后，接触垫片下方会发生一定形变，在弹性压紧装置作用下，可以更好适应曲面板对接焊缝及不等厚薄板对接焊缝，始终与焊缝表面及近缝区表面接触，并防止干冰升华影响焊枪电弧稳定性以及防止干冰CO₂通过熔池进入焊缝中。

所述滑台811通过紧固件与所述安装横板35连接。所述滑台811包含相互垂直的横部和竖部，竖部位于横部的一端，使滑台811整体呈L型。所述横部上设置有竖杆穿孔，所述竖部上设置有紧固件安装孔。使用第三紧固件337穿过竖部上的紧固件安装孔和安装横板35上的横向滑道351而将随焊激冷模块8与安装横板35连接起来。通过滑动第三紧固件337可以调节随焊激冷模块8与焊枪模块32之间的距离。

本发明中使用的激冷介质为干冰。干冰的温度为零下78.5℃，升华时吸收大量的热，冷却效果好，安全性好，存储条件要求低。干冰储存在本发明装置外部，通过激冷介质喷管83进入激冷介质喷头82并喷出。

在使用时，所述行走模块1放置与焊缝一侧，其行走方向与焊缝纵向方向相同；所述第一横杆23与焊缝垂直，所述动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块沿焊缝纵向方向前后依次排列，所述两支TIG电弧枪垂直与焊缝纵向方向，分立于焊缝两侧。

实施例2、曲面薄板随焊变形控制方法(等厚曲面薄板对接焊)

本发明动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的两块等厚3mm的铝合金第一曲面薄板4和第二曲面薄板5对接，如图10所示，根据待焊薄板材料及厚度工艺要求，确定引弧板91和熄弧板92的材质、厚度、尺寸，通过点焊将引弧板91和熄弧板92固定在如图10所示位置。

(2)将自动行走小车置于焊缝侧面，使自动行走小车行进方向平行于焊缝纵向方向。扭动第一横向调节旋钮222和第二横向调节旋钮242使焊枪322中心位于引弧板91上正对于焊缝中心处。调整动态热拉伸模块31、焊枪模块32以及随焊激冷模块8三者之间的距离，以及他们与第一曲面薄板4和第二曲面薄板5之间的上下高度。

根据待焊曲面薄板参数设置动态热拉伸模块的减速电机364转速，第一TIG电弧枪311和第二TIG电弧枪312之间的间距，第一夹持滑块361和第二夹持滑块362的摆幅。调整后两支TIG电弧枪横向摆动速度约为30mm/s。两支TIG电弧枪采用直流反接，电压为19.2V、电流95～100A，选用流速为15L/min的纯氩气作为保护气体。设置焊接电源，焊枪322采用直流反接，焊接电压21V，焊接电流180～200A。保护气体选用纯氩气，流量约为20L/min。具体参数设置如表1所示。

表1、实施例2中TIG电弧枪和焊枪的参数设置

项目	电压(V)	电流(A)	保护气流量Ar	横向摆动速度	焊接电源类型
						第一TIG电弧枪311	19.2	95～100	15(L/min)	30mm/s	直流反接
第二TIG电弧枪312	19.2	95～100	15(L/min)	30mm/s	直流反接
						焊枪322	21	180～200	20(L/min)	——	直流反接

(3)自动行走小车开始向前行走，行进速度为3mm/s。同时，第一TIG电弧枪311和第二TIG电弧枪312引弧，在减速电机364和曲轴连杆366带动下横向摆动，对较宽范围内进行热拉伸，一方面降低随后焊接电弧周围的温度梯度，另一方面，双TIG电弧摆动的加热带产生的热拉伸作用，使得焊缝是在受拉基础上形成的，进而产生的不协调压缩塑性应变量减小。焊枪322在引弧板91处引弧，对焊缝进行焊接。

打开随焊激冷模块的开关，随后激冷介质喷头82喷射冷却介质，冷却介质选用干冰，流量设置为16kg/h。干冰对焊缝区域喷射，喷射面形状近似为椭圆形，长度约为20～25mm，宽度控制与焊缝宽度近似相等，约为10mm。采用随焊激冷使得电弧后方产生局部温差拉伸效应，进一步减小焊缝区存在的压缩塑性应变，减小与之对应的残余压应力，有效地控制了压屈失稳变形。

实施例3、薄板随焊变形控制方法(不等厚薄板焊接)

(1)将待焊的5mm第三平板6和3mm第四平板7对接，材质为铝合金。如图11所示，通过点焊将引弧板91和熄弧板92固定在如图11所示位置。

(2)将自动行走小车置于焊缝侧面，使自动行走小车行进方向平行于焊缝纵向方向。扭动第一横向调节旋钮222和第二横向调节旋钮242使焊枪322中心位于引弧板91上正对于焊缝中心处。调整动态热拉伸模块31、焊枪模块32以及随焊激冷模块8三者之间的距离，以及他们与第一平板4之间的上下高度。

根据待焊不等厚薄板材料设置动态热拉伸模块的减速电机364转速，调整后，两支TIG电弧枪横向摆动速度约为30mm/s。由于两支TIG电弧枪预热对象板厚不同，故采用不同的参数：第一TIG电弧枪311的电流为95～100A、电压19.2V，第二TIG电弧枪312电流为100～110A、电压20.1V；两支TIG电弧枪均采用直流反接，选择流量为15L/min的纯氩气作为保护气体。调整两支TIG电弧枪之间的间距，第一夹持滑块361和第二夹持滑块362的摆幅。

根据待焊不等厚薄板的焊接特性结合板的厚度设置焊枪322对应的焊接参数，采用直流反接，焊接电压22V、焊接电流200～230A。保护气体选用纯氩气，流量约为20L/min。最后随焊激冷模块8的激冷剂选用干冰，喷射流量设置为19kg/h。具体参数设置如表2所示。

表2、实施例3中TIG电弧枪和焊枪的参数设置

项目	电压(V)	电流(A)	保护气流量Ar	横向摆动速度	焊接电源类型
						第一TIG电弧枪311	20.1	100～110	15(L/min)	30mm/s	直流反接
第二TIG电弧枪312	19.2	95～100	15(L/min)	30mm/s	直流反接
						焊枪322	22	220～230	20(L/min)	——	直流反接

(3)打开电源，小车开始向前行走，行进速度约等于3mm/s。同时，两支TIG电弧枪在引弧板91引弧，在减速电机364和曲轴连杆366带动下横向摆动，由于采用不同电流电压参数对较宽范围内进行加热拉伸，使不等厚板焊缝两侧达到近似相同的热拉伸作用。焊枪322引弧，开始对预热拉伸区域焊接。此时通过不等厚薄板两侧的动态热拉伸作用，减小焊缝及近缝区在加热阶段产生的压缩塑性应变。打开随焊激冷模块的开关，激冷介质喷头82开始喷射介质，喷射面形状近似为长24mm、宽12mm的椭圆形。通过随焊激冷模块的激冷拉伸作用，进一步抵消焊缝在加热阶段残留的压缩塑性应变，二者联合作用后，有效降低了残余压应力，控制了压屈失稳变形；同时该方法使得不等厚板的焊缝纵向不再缩短，则有效控制了因惯性矩偏离而造成的弯曲变形。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：包含行走模块、连接装置和随焊变形控制模块，所述行走模块通过连接装置承载随焊变形控制模块；

所述随焊变形控制模块包括沿焊缝纵向方向前后依次排列的动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块，所述动态热拉伸模块能够实现双TIG电弧并行横向摆动加热。

2.根据权利要求1所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：所述行走模块包含车身和位于其上的连接装置安装竖管，所述连接装置安装竖管用于安装所述连接装置；

所述连接装置包含第一纵向套筒、第二纵向套筒、第一横向套筒、第二横向套筒、第一横杆和第一竖杆，第一纵向套筒垂直连接于第一横向套筒的侧壁，第二横向套筒垂直连接于第二纵向套筒的侧壁，所述第一纵向套筒与连接装置安装竖管套接，第一横向套筒和第二横向套筒分别套接于第一横杆的两端，第二纵向套筒与第一竖杆套接。

3.根据权利要求2所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：所述随焊变形控制模块包含第三纵向套筒、安装横板、动态热拉伸模块、焊枪模块和随焊激冷模块，所述第三纵向套筒与第一竖杆套接，所述安装横板用于安装焊枪模块和随焊激冷模块。

4.根据权利要求3所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：所述动态热拉伸模块包含横向摆动调节模块和两支TIG电弧枪，所述横向摆动调节模块包含第一夹持滑块、第二夹持滑块、滑轨、减速电机、曲轴以及曲轴连杆，滑轨的一端与第三纵向套筒的侧壁连接，滑轨上设有第一夹持滑块和第二夹持滑块，曲轴与内置于第三纵向套筒内的减速电机传动连接，曲轴上的曲轴连杆固定于第一夹持滑块上的横槽处，第一夹持滑块与第二夹持滑块之间通过调节横杆相连；

所述焊枪模块包含焊枪座和焊枪，所述安装横板上开设有两条平行的横向滑道，所述焊枪座上设有一个纵向凹槽，所述纵向凹槽内设置有一个纵向滑道，所述焊枪安装在焊枪座上，所述焊枪座通过两个第二紧固件连接横向滑道和纵向滑道来固定在安装横板上；

所述随焊激冷模块包含弹性压紧装置、激冷介质喷头、激冷介质喷管和接触垫片，所示弹性压紧装置包含滑台、竖杆和第二挡块，所述竖杆穿过滑台上的竖杆穿孔，竖杆两端分别与第二挡块和激冷介质喷头连接，所述激冷介质喷管位于所述激冷介质喷头上，所述滑台与所述激冷介质喷头之间的竖杆外设置有弹簧；所述激冷介质喷头上开有喷射孔，两侧开有导气孔与喷射孔相通，喷射孔与激冷介质喷管相连，激冷介质喷头下方可拆卸地安装接触垫片，接触垫片上对应喷射孔处设有与喷射孔下部形状相匹配的激冷介质出口，所述滑台通过第三紧固件与所述安装横板连接。

5.根据权利要求2所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：第一横向套筒和第二横向套筒上分别设置有第一横向调节旋钮和第二横向调节旋钮，分别用于调节第一横向套筒和第二横向套筒在第一横杆上的横向位置；第二纵向套筒上设有纵向调节旋钮，所述纵向调节旋钮用于调节第二纵向套筒在第一竖杆上的高度。因此，所述连接装置可以调节随焊变形控制模块的高度和横向位置。

6.根据权利要求1所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：所述动态热拉伸模块和所述焊枪模块之间设有挡板，所述挡板的一端安装于所述安装横板上。

7.根据权利要求1所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：所述随焊激冷模块使用干冰作为激冷介质。

8.根据权利要求4所述的薄板随焊变形控制装置，其特征在于：两支TIG电弧枪采用相互独立的焊接电源。

9.动态热拉伸与激冷联用的薄板随焊变形控制方法，其特征在于：在焊接前使用TIG电弧对焊缝两侧进行动态热拉伸，焊接焊缝，随后使用激冷介质对焊缝进行激冷。

10.根据权利要求9所述的薄板随焊变形控制方法，其特征在于：所述随焊变形控制方法，包括以下步骤：

将待焊平板对接，设置好引弧板和熄弧板；

将行走模块置于待焊焊缝侧面，使行走模块行进方向平行于焊缝纵向方向；调节第一横向调节旋钮和第二横向调节旋钮，使焊枪中心位于引弧板上正对于焊缝中心处；调整动态热拉伸模块、焊枪模块及随焊激冷模块三者之间的位置；调整TIG电弧枪与待焊平板之间的高度；设置各项参数；

焊接时，随着行走模块的前进，TIG电弧枪产生的电弧横向摆动，对焊缝两侧进行同等程度的动态热拉伸，焊枪焊接焊缝，随焊激冷模块喷射干冰对焊缝进行激冷拉伸。