CN106271243B - 焊接辅助冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接辅助冷却装置，涉及焊接技术领域，包括设置在焊道两侧、且与焊枪同步运动的柔性热交换器，及设置在焊接件下方、且在焊道两侧的固定热交换器，柔性热交换器前端与牵引部件相连、底部为柔性导热结构，柔性热交换器和固定热交换器均内通与制冷装置相连的制冷剂，柔性热交换器和固定热交换器内的制冷剂流向与焊接方向相反。利用牵引部件带动焊道两侧的柔性热交换器随焊枪的移动而移动，同时利用焊道上下两侧的柔性热交换器和固定热交换器内部循环流动的制冷剂吸收焊接过程中产生的热量，实现热交换的目的。本发明结构简单、操作方便，能够减少焊接的热影响区，改善焊接接头质量，延长焊接接头使用寿命。

Description

焊接辅助冷却装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种焊接辅助冷却装置。

背景技术

目前，焊接作为一种基础制造连接工艺，广泛应用在机械制造、石油化工、轨道车辆、航空航天、船舶制造、家用仪器和军工武器等诸多工业领域。大多数焊接过程都是通过加热（如电弧热、化学热、电阻热等）使母材以及待填充的焊接材料熔化为液态金属并混合，在随后的冷却过程中液态金属凝固而形成焊缝。在通过加热形成焊缝实现连接的同时，这种局部的加热也会形成不均匀的温度场，从而导致焊接接头的应力和变形的普遍存在。热量传导到母材区域也会导致材料性能和组织发生改变，在焊接中被称为热影响区。对于高强钢和铝合金来说，热影响区部分会因为焊缝部分传导过来的热量造成温度升高而发生软化或者脆化现象，降低焊接接头的性能。

为了解决这个问题，一条途径是提高热源能量密度、减少热输入和液态金属的填充量（降低坡口角度），但当采用的焊接方法确定时，受工艺条件限制该途径很难实现；另一个途径就是利用辅助冷却措施或者装置将多余的热量快速导出，从而降低对热影响区的不利作用，此途径是方便实现的。辅助快速冷却对于厚板焊接或复合热源焊接工艺尤其重要。厚板焊接时需要控制层间温度，即上一道焊完后并不能立即开始下一道的焊接，必须等到上一焊道冷却到某一温度后才能施焊下一道，否则可能会造成接头的韧性不达标；在复合焊接时，采用两个及以上热源同时进行加热，瞬时输入的热量成倍增加，造成局部母材在高温停留时间过长而导致性能下降。

目前，在焊接中应用的辅助冷却方法或者装置有以下几种。（1）利用焊接夹具散热，复杂的焊接生产需要辅助夹具，而夹具本身多是由金属制备，能够一定程度上吸收部分热量，但对于存在大量密集焊缝的结构，夹具升温到一定程度就丧失了冷却功能，为此有人对夹具进行水冷，以保持其冷却效果；（2）利用低温物质喷洒并发生吸热反应以达到制冷效果。此类方法在研究中应用较多，例如使用液氮、干冰或者冰盐等喷洒在刚刚凝固的焊缝区域或者热影响区，利用上述物质的升华反应吸热带走热量，以达到快速冷却的目的。但上述两种方式都存在一些问题，循环水冷夹具的制作成本高，柔性差，且循环水的降温需要专用设备，而采用液氮、干冰等低温物质冷却时，挥发出的气体会对环境造成影响，甚至威胁人体健康，因此在焊接生产中很少应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种焊接辅助冷却装置，结构简单、制作方便，能够快速吸收焊接过程中产生的热量，减少热影响区，保证焊缝质量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种焊接辅助冷却装置，包括设置在焊道两侧、且与焊枪同步运动的柔性热交换器，及设置在焊接件下方、且在焊道两侧的固定热交换器，所述柔性热交换器前端与牵引部件相连、底部为柔性导热结构，所述固定热交换器的外壳为耐高温且易导热材料，所述柔性热交换器和固定热交换器均内通与制冷装置相连的制冷剂，柔性热交换器和固定热交换器内的制冷剂流向与焊接方向相反。

优选的，所述柔性热交换器内设流通制冷剂的蛇形盘管，所述柔性热交换器底部的柔性导热结构为多层细铜丝网，所述柔性热交换器的侧面及上部为多段铜板活动连接。

优选的，所述固定热交换器内设流通制冷剂的蛇形盘管，固定热交换器的外壳为铜板。

优选的，两个柔性热交换器相邻焊道一侧均包裹有隔热棉。

优选的，所述牵引部件包括电机驱动的行走机构，行走机构与柔性热交换器相连。

优选的，所述蛇形盘管为铜管、且蛇形盘管外均部设有翅片。

优选的，所述蛇形盘管为若干根盘绕的铜管并联而成或一根铜管盘绕而成。

优选的，所述固定热交换器下方设有托板，所述托板两端通过夹具与焊接件固定。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：利用牵引部件带动焊道两侧的柔性热交换器随焊枪的移动而移动，同时在焊接工件下方、且在焊道两侧设置固定热交换器，利用柔性热交换器和固定热交换器内部循环流动的制冷剂吸收焊接过程中产生的热量，实现热交换的目的。本发明具有结构简单、操作方便，能够快速吸收焊接过程中产生的热量，减少焊接的热影响区，改善焊接接头质量，延长焊接接头使用寿命，保证焊接质量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明使用状态的结构示意图；

图3是图2中的A向视图；

图4是图3的主视图；

图5是固定热交换器的一种结构示意图；

图6是图5的主视图；

图7是柔性热交换器的一种结构示意图；

图8是图7的主视图；

图9是铝合金焊接件示例的焊缝中心和柔性热交换器温度差的柱状图；

图中：1-焊道，2-焊枪，3-柔性热交换器，4-焊接件，5-固定热交换器，6-牵引部件，7-制冷装置，8-蛇形盘管，9-隔热棉，10-翅片，11-集液管，12-集气管,13-管路，14-细铜丝网,15-外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、2、3、4所示的一种焊接辅助冷却装置，包括设置在焊道1两侧、且与焊枪2同步运动的柔性热交换器3，及设置在焊接件4下方、且在焊道1两侧的固定热交换器5，所述柔性热交换器3前端与牵引部件6相连、底部为柔性导热结构，所述固定热交换器5的外壳15为耐高温且易导热材料，所述柔性热交换器3和固定热交换器5均内通与制冷装置7相连的制冷剂，制冷剂通过管路13与制冷装置7相连，柔性热交换器3和固定热交换器5内的制冷剂流向与焊接方向相反。

将外部制冷装置7循环制冷的制冷剂经管路13从柔性热交换器3和固定热交换器5的前端（对应焊接结束方向）进入，制冷剂在柔性热交换器3和固定热交换器5中流动过程中遇热会蒸发成制冷剂蒸气，这样会带走大量热量，制冷剂蒸气在柔性热交换器末端（对应焊接起始位置）流出，并经管路13进入制冷装置7进行制冷；柔性热交换器3在牵引部件6的带动下随焊枪2移动而移动，图3中箭头方向即是焊接方向，柔性热交换器3底部的柔性导热结构可随焊接件4的表面起伏而改变形状，可满足柔性热交换器3底部于焊接件上表面接触充分，能够及时将焊接过程中的散发的余热及时传导出去，避免热影响区过大影响焊接接头质量，保证焊接质量。其中，所用制冷剂为高温制冷剂，利用这种制冷剂进行热交换后并制冷冷却的过程封闭独立，不会对焊接环境造成影响，不影响焊接过程，同时其制冷量显著和制冷过程也可控。制冷装置7通常选用压缩机、冷凝器及节流阀来实现制冷的循环。

如图7、8所示，所述柔性热交换器3内设流通制冷剂的蛇形盘管8，所述柔性热交换器3底部的柔性导热结构为多层细铜丝网14，所述柔性热交换器3的侧面及上部为多段铜板活动连接，使柔性热交换器3的侧面及上部能够随着焊接件的表面曲度变化而变化，此种结构方便柔性热交换器3产生运动变形。柔性热交换器3内部蛇形盘管8也可为若干根盘绕的铜管并联而成。

如图5、6所示，所述固定热交换器5内设流通制冷剂的蛇形盘管8，固定热交换器5的外壳15为铜板。固定热交换器5内部蛇形盘管8也可为一根铜管盘绕而成。为了使固定热交换器5与焊接件4充分接触，在其下方设有托板，所述托板两端通过夹具与焊接件4固定，借助托板使固定热交换器5紧贴在焊接件4下方，同样利用其内部流通的制冷剂的相变对焊接件4进行制冷，利用铜板等耐高温且良好导热性的材料实现热传导。

作为一种优选结构，两个柔性热交换器3相邻焊道1一侧均包裹有隔热棉9。一来可以防止焊接的瞬时高温对柔性热交换器3产生破坏，二来可以避免低温的柔性热交换器3焊接进行时的热交换影响焊接热输入

其中，所述牵引部件6包括电机驱动的行走机构，行走机构与柔性热交换器3相连。通过电机及传动部件驱动带有滚轮的行走机构前行，实现牵引柔性热交换器3的作用。

为了加快热交换速度，所述蛇形盘管8为铜管、且蛇形盘管8外均部设有翅片10。

如图5-8，所述蛇形盘管8为若干根盘绕的铜管并联而成或一根铜管盘绕而成。当蛇形盘管8为若干根盘绕的铜管并联而成时，制冷剂进口端通过集液管11连通，出口端通过集气管12连通。柔性热交换器3和固定热交换器5内部铺设大量翅片10和蛇形盘管8在焊接过程一直发生热交换，制冷剂液体在柔性热交换器3和固定热交换器5内受热相变成制冷剂蒸气，此过程吸收大量热，与固定热交换器5接触的焊接件4达到热交换目的。

下面以铝合金焊接件的MIG焊接进行举例，对装置运行进行简单介绍。

设焊接件为350mm×150mm×6mm，输入电压为21V，输入电流为210A，焊接速度40cm/min，焊接热效率η=75%，经计算焊接热输入为Q=5KJ/cm，热传导的热量大约4KJ/cm。取柔性热交换器宽度为40mm，柔性热交换器的环境温度为0℃，由于随焊冷却，柔性热交换器的冷却过程可以看做一个近似稳态的热传导过程，经计算（柔性热交换器也按铝的导热系数计算）柔性热交换器可以带走2KJ/cm的热量，焊接进行中焊道位置形成的焊缝中心和柔性热交换器温度差如图9所示。

同理，经计算试件下侧的固定热交换器可以交换1KJ/cm的热量，这样焊接过程可以通过制冷装置的循环系统交换3/4的焊接余热。

综上所述，本发明具有结构简单、操作方便、热交换效率高的优点，利用牵引部件带动焊道两侧的柔性热交换器随焊枪的移动而移动，同时在焊接工件下方、且在焊道两侧设置固定热交换器，利用柔性热交换器和固定热交换器内部循环流动的制冷剂吸收焊接过程中产生的热量，实现热交换的目的。利用本发明能够快速吸收焊接过程中产生的热量，减少焊接的热影响区，改善焊接接头质量，延长焊接接头使用寿命，保证焊接质量。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种焊接辅助冷却装置，其特征在于：包括设置在焊道(1)两侧、且与焊枪(2)同步运动的柔性热交换器(3)，及设置在焊接件(4)下方、且在焊道(1)两侧的固定热交换器(5)，所述柔性热交换器(3)前端与牵引部件(6)相连、底部为柔性导热结构，所述固定热交换器(5)的外壳(15)为耐高温且易导热材料，所述柔性热交换器(3)和固定热交换器(5)均内通与制冷装置(7)相连的制冷剂，柔性热交换器(3)和固定热交换器(5)内的制冷剂流向与焊接方向相反；所述柔性热交换器(3)底部的柔性导热结构为多层细铜丝网(14)，所述柔性热交换器(3)的侧面及上部为多段铜板活动连接；两个柔性热交换器(3)相邻焊道(1)一侧均包裹有隔热棉(9)；

所述牵引部件(6)包括电机驱动的行走机构，行走机构与柔性热交换器(3)相连。

2.根据权利要求1所述的焊接辅助冷却装置，其特征在于：所述柔性热交换器(3)内设流通制冷剂的蛇形盘管(8)。

3.根据权利要求2所述的焊接辅助冷却装置，其特征在于：所述固定热交换器(5)内设流通制冷剂的蛇形盘管(8)，固定热交换器(5)的外壳(15)为铜板。

4.根据权利要求3所述的焊接辅助冷却装置，其特征在于：所述蛇形盘管(8)为铜管、且蛇形盘管(8)外均部设有翅片(10)。

5.根据权利要求4所述的焊接辅助冷却装置，其特征在于：所述蛇形盘管(8)为若干根盘绕的铜管并联而成或一根铜管盘绕而成。

6.根据权利要求1所述的焊接辅助冷却装置，其特征在于：所述固定热交换器(5)下方设有托板，所述托板两端通过夹具与焊接件(4)固定。