CN107186342A - 一种薄壁管件焊接成型控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁管件焊接成型控制系统及方法，该系统包括用于薄壁管件焊接成型的焊接工装和用于控制所述焊接工装焊接薄壁管件纵缝质量的质量控制装置；该方法包括步骤：一、焊接工装与待焊接薄壁管件的组装；二、焊接工装的调试；三、质量控制装置的初始化；四、开始待焊接薄壁管件的焊接；五、获取薄壁管件的实时焊接数据；六、判断薄壁管件的实时焊接数据是否异常；七、判断薄壁管件是否存在残次缺陷；八、判断薄壁管件是否变形；九、薄壁管件应力的松弛。本发明通过焊接工装为待焊接薄壁管件提供稳定的保护气流以及双重的冷却措施，通过质量控制装置实时监测待焊接薄壁管件焊接质量，消除残余应力、提高疲劳寿命和应力腐蚀能力。

Description

一种薄壁管件焊接成型控制系统及方法

技术领域

本发明属于薄壁管件焊接成型技术领域，具体涉及一种薄壁管件焊接成型控制系统及方法。

背景技术

薄壁金属材料已成为航空航天武器装备结构制造的主要材料,其薄壁结构的焊接变形、焊缝成型和质量控制也因此成为焊接技术领域研究的重点。薄壁构件由于刚性差、强度低、易变形、制造精度低等特点，其外焊接位置外形精度一致性差，焊接过程导热差且不稳定，导致晶粒粗大和焊缝一致性差，对于气体敏感性材料，保护气流不均匀且易紊流，造成焊缝表面污染，产品质量不稳定，焊接应力过大时卸掉焊接工装后发生显著变形，导致结构尺寸偏离设计技术要求,直接影响到构件乃至型号产品的性能质量，需要专用的焊接成型工装或措施保证其对接间隙、错边量和外形精度。

焊接残余应力影响工件疲劳强度和疲劳寿命，同时在腐蚀介质中存在应力腐蚀隐患。工程实际中，焊接应力应变测定基本为离线测试，不能在焊接过程实时监测和评价，同时，这对焊接过程应力应变机理研究和因应力应变产生裂纹发生扩展的机理研究未能起到积极贡献。工程实际消除应力的主要方法是焊后热处理，一定程度上损失了工件的使用性能，对温度敏感的稀有金属材料，容易受气体杂质污染，导致接头变脆或耐腐蚀性显著下降，必须采用投资较大的真空热处理炉，同时较大的耗能导致生产成本提高。另外，现有焊接裂纹检测主要采用焊后超声、磁测法、X射线等无损检测方法，需要经历较长时间、繁琐的检验工序且不能提供实时、准确的特征信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种薄壁管件焊接成型控制系统，其设计新颖合理，通过焊接工装为待焊接薄壁管件提供稳定的保护气流以及双重的冷却措施，通过质量控制装置实时监测待焊接薄壁管件焊接质量，消除残余应力、提高疲劳寿命和应力腐蚀能力，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：包括用于薄壁管件焊接成型的焊接工装和用于控制所述焊接工装焊接薄壁管件纵缝质量的质量控制装置；所述焊接工装包括用于支撑待焊接薄壁管件的柱体、固定待焊接薄壁管件的夹持板、防止待焊接薄壁管件纵缝氧化的惰性保护气源和用于冷却辅助成型的冷却循环机构，柱体的轴向表面开设有与柱体轴线平行的U型槽，柱体内靠近U型槽的位置处开设有与惰性保护气源连接的盲孔腔体和与冷却循环机构连接的U型冷却介质流动腔体，U型冷却介质流动腔体由两个竖向管腔和连接两个所述竖向管腔的弧形管腔一体加工组成，U型槽与盲孔腔体之间通过钻孔贯通，两个所述竖向管腔位于钻孔的两侧，钻孔内设置有金属丝网，金属丝网上设置有带有通孔的强制成型冷却块，强制成型冷却块位于U型槽内且强制成型冷却块远离金属丝网的一端为弧形面；

所述质量控制装置包括控制主机、为薄壁管件提供动态细化晶粒超声波场的超声波发生器以及均与控制主机相接用于评估薄壁管件应力实时数据的残余应力应变评价机构、用于评估薄壁管件变形数据的变形动态测试评价机构和用于监测薄壁管件残次缺陷的声发射实时监测机构，控制主机的输出端接有用于调节薄壁管件应力参数的超声冲击处理仪和振动时效处理仪，超声波发生器由控制主机控制。

上述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述夹持板通过紧固件固定在柱体上，所述柱体上位于U型槽的两侧设置有倒T型腔体，所述紧固件包括与倒T型腔体配合且穿过夹持板的螺栓和用于固定螺栓的螺母。

上述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述柱体为紫铜圆柱体，所述夹持板为弧形紫铜夹持板，所述弧形紫铜夹持板的内弧度与所述待焊薄壁管件的外弧度相同。

上述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述惰性保护气源通过惰性气体传输接管与盲孔腔体连通，所述冷却循环机构通过冷却介质传输接管组件与U型冷却介质流动腔体连通，所述冷却介质传输接管组件由与一个所述竖向管腔连通的冷却介质输出接管和与另一个所述竖向管腔连通的冷却介质回收接管组成。

上述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述盲孔腔体和U型冷却介质流动腔体的两个竖向管腔均与U型槽平行。

上述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述钻孔的数量为多个，多个钻孔均匀垂直开设在U型槽与盲孔腔体之间，钻孔与U型冷却介质流动腔体的两个竖向管腔均垂直。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可在焊接过程中对应力应变采集，获取应力应变产生裂纹，发生扩展的机理的薄壁管件焊接成型的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、焊接工装与待焊接薄壁管件的组装：首先，清洁待焊接薄壁管件待焊接位置表面，并控制待焊接薄壁管件与焊接工装的对接间隙、错边量和外形精度；然后，选配金属丝网、强制成型冷却块和惰性保护气源；最后，将待焊接薄壁管件通过夹持板固定在柱体上，采用紧固件将夹持板与柱体紧固；

所述柱体上位于U型槽的两侧设置有倒T型腔体，所述紧固件包括与倒T型腔体配合且穿过夹持板的螺栓和用于固定螺栓的螺母；

步骤二、焊接工装的调试：首先，打开惰性保护气源，调节惰性保护气源的流速，使惰性保护气源均匀为待焊接薄壁管件提供气体保护；然后，启动冷却循环机构，调节冷却介质的循环流速，使冷却循环机构持续为待焊接薄壁管件提供冷却；

步骤三、质量控制装置的初始化：首先，启动控制主机控制超声波发生器为待焊接薄壁管件提供动态细化晶粒超声波场；然后，初始化残余应力应变评价机构、变形动态测试评价机构和声发射实时监测机构；

步骤四、开始待焊接薄壁管件的焊接：采用激光焊接的方式对待焊接薄壁管件进行焊接；

步骤五、获取薄壁管件的实时焊接数据：通过残余应力应变评价机构实时评估薄壁管件应力实时数据，通过变形动态测试评价机构实时评估薄壁管件变形数据，通过声发射实时监测机构实时监测薄壁管件的残次缺陷；

步骤六、判断薄壁管件的实时焊接数据是否异常：控制主机中提前预存薄壁管件应力数据阈值和薄壁管件变形数据阈值，当残余应力应变评价机构、变形动态测试评价机构、声发射实时监测机构获取的薄壁管件的实时焊接数据均正常时，薄壁管件焊接正常；当残余应力应变评价机构、变形动态测试评价机构或声发射实时监测机构获取的数据中任意一个超界或异常时，说明薄壁管件的实时焊接数据异常，执行步骤七；

步骤七、判断薄壁管件是否存在残次缺陷：控制主机获取声发射实时监测机构实时传输的数据，当声发射实时监测机构监测到薄壁管件的残次缺陷时，对薄壁管件进行返修或报废；当声发射实时监测机构未监测到薄壁管件的残次缺陷时，执行步骤八；

步骤八、判断薄壁管件是否变形：控制主机获取变形动态测试评价机构实时传输的数据，当变形动态测试评价机构监测到薄壁管件的变形数据超过薄壁管件变形数据阈值时，对薄壁管件进行校形或报废；当变形动态测试评价机构监测薄壁管件的变形数据未超过薄壁管件变形数据阈值时，说明残余应力应变评价机构获取的薄壁管件应力超过薄壁管件应力数据阈值，执行步骤九；

步骤九、薄壁管件应力的松弛：通过控制主机控制振动时效处理仪对薄壁管件整体进行应力松弛；或通过控制主机控制超声冲击处理仪对薄壁管件应力超标的关键位置进行应力松弛；或通过控制主机先控制振动时效处理仪对薄壁管件整体进行应力松弛，再控制超声冲击处理仪对薄壁管件应力超标的关键位置进行应力松弛；实现薄壁管件应力的松弛后循环步骤五。

上述的方法，其特征在于：所述强制成型冷却块为紫铜强制成型冷却块或陶瓷强制成型冷却块，所述惰性保护气源为质量纯度不小于99.99％的氩气气源。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的成型控制系统中的焊接工装通过在固定待焊接薄壁管件的柱体轴向外表面开设U型槽定位焊接纵缝，为焊接纵缝提供焊接空间，通过在柱体内设置供惰性保护气源流通的盲孔腔体，盲孔腔体通过钻孔贯通，钻孔内设置金属丝网保证焊接过程保护气体均匀和稳定，金属丝网上设置带有通孔且焊接面为弧形面的强制成型冷却块，显著减小了焊接热影响区，同时保证了背面焊缝成型质量，增加了薄壁管件刚度，有效控制焊接变形；另外，通过在柱体内靠近U型槽处开设U型冷却介质流动腔体，为待焊接薄壁管件的焊接过程提供稳定的冷却措施，使用效果好，便于推广使用。

2、本发明采用的成型控制系统中的质量控制装置通过超声波发生器为焊接过程中施加动态超声波场，利用超声的空化效应和声流效应，击碎固液界面初生晶体和正在长大的晶体,而破碎的晶体在声流的搅拌作用下,再次分布到焊接熔池中,提高了生核率,从而改变固液界面的结晶方式,使晶粒细化，焊缝成型美观；通过应力、变形和声发射实时监测，改变原有拉应力场为压应力场，消除了应力腐蚀隐患，明显减少焊接变形，焊接保护和变形控制效果好、智能化操作及质量控制全面且科学可靠，能够有效地解决薄壁管件焊接变形和焊缝质量问题。

3、本发明采用的成型控制方法，步骤简单，可通过残余应力应变评价机构、变形动态测试评价机构和声发射实时监测机构获取薄壁管件的实时焊接数据，连续判断薄壁管件焊接是否存在残次缺陷、变形以及应力超标，并及时对薄壁管件做出报废、返修、校形、应力松弛以及合格的结果，在批量生产过程中，可根据实际情况对应力超标的薄壁管件通过振动时效处理仪或超声冲击处理仪处理薄壁管件应力超标的位置，对薄壁管件应力进行松弛；或者对薄壁管件应力超标的位置先进行振动时效处理仪处理再进行超声冲击处理仪处理，实现薄壁管件应力的松弛，明显减少焊接变形，达到效率、效益和质量的有效结合，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过焊接工装为待焊接薄壁管件提供稳定的保护气流以及双重的冷却措施，通过质量控制装置实时监测待焊接薄壁管件焊接质量，消除残余应力、提高疲劳寿命和应力腐蚀能力，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的成型控制系统中的焊接工装结构示意图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为图2中II处的局部放大图。

图4为本发明采用的成型控制系统中质量控制装置的电路原理框图。

图5为本发明方法的流程框图。

附图标记说明:

1—柱体；2—夹持板；3-1—螺母；

3-2—螺栓；4—惰性保护气源；5—惰性气体传输接管；

6—冷却循环机构；7—冷却介质传输接管组件；

8—U型冷却介质流动腔体；9—钻孔；

10—U型槽；10-1—强制成型冷却块；

10-2—金属丝网；11—盲孔腔体；12—倒T型腔体；

13—控制主机；15—超声波发生器；

16—残余应力应变评价机构；17—变形动态测试评价机构；

18—声发射实时监测机构；19—超声冲击处理仪；

20—振动时效处理仪。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明所述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，包括用于薄壁管件焊接成型的焊接工装和用于控制所述焊接工装焊接薄壁管件纵缝质量的质量控制装置；所述焊接工装包括用于支撑待焊接薄壁管件的柱体1、固定待焊接薄壁管件的夹持板2、防止待焊接薄壁管件纵缝氧化的惰性保护气源4和用于冷却辅助成型的冷却循环机构6，柱体1的轴向表面开设有与柱体1轴线平行的U型槽10，柱体1内靠近U型槽10的位置处开设有与惰性保护气源4连接的盲孔腔体11和与冷却循环机构6连接的U型冷却介质流动腔体8，U型冷却介质流动腔体8由两个竖向管腔和连接两个所述竖向管腔的弧形管腔一体加工组成，U型槽10与盲孔腔体11之间通过钻孔9贯通，两个所述竖向管腔位于钻孔9的两侧，钻孔9内设置有金属丝网10-2，金属丝网10-2上设置有带有通孔的强制成型冷却块10-1，强制成型冷却块10-1位于U型槽10内且强制成型冷却块10-1远离金属丝网10-2的一端为弧形面；

所述质量控制装置包括控制主机13、为薄壁管件提供动态细化晶粒超声波场的超声波发生器15以及均与控制主机13相接用于评估薄壁管件应力实时数据的残余应力应变评价机构16、用于评估薄壁管件变形数据的变形动态测试评价机构17和用于监测薄壁管件残次缺陷的声发射实时监测机构18，控制主机13的输出端接有用于调节薄壁管件应力参数的超声冲击处理仪19和振动时效处理仪20，超声波发生器15由控制主机13控制。

需要说明的是，焊接工装和质量控制装置的结合解决智能化操作及质量控制科学、可靠、全面，确保焊缝成型美观，焊接保护和变形控制效果好，能够有效地解决薄壁管件焊接变形和焊缝质量问题，焊接工装中U型槽的设置是为了便于定位待焊接薄壁管件的焊接纵缝，为焊接纵缝提供焊接空间，U型槽沿柱体1轴向外表面开设，柱体1为待焊接薄壁管件提供定性支撑的基础；通过在柱体1内靠近U型槽10处开设供冷却介质流通的U型冷却介质流动腔体8，为待焊接薄壁管件的焊接过程提供稳定的一级冷却；通过在柱体1内设置供惰性保护气源4流通的盲孔腔体11，U型冷却介质流动腔体8和盲孔腔体11均开设在柱体1内，节省空间，有效利用柱体1；钻孔9的设置是为了贯通盲孔腔体11和U型槽10，为待焊接薄壁管件提供保护气源，U型冷却介质流动腔体8由两个竖向管腔和连接两个所述竖向管腔的弧形管腔一体加工组成，两个所述竖向管腔位于钻孔9的两侧的目的是提供对称的结构实现待焊接薄壁管件均匀冷却，钻孔9内设置金属丝网10-2保证焊接过程保护气体均匀和稳定，金属丝网10-2上设置带有通孔且焊接面为弧形面的强制成型冷却块10-1，强制成型冷却块10-1的设置显著减小了焊接热影响区，同时保证了背面焊缝成型质量，增加了薄壁管件刚度，有效控制焊接变形，同时为待焊接薄壁管件的焊接过程提供稳定的二级冷却。

质量控制装置中超声波发生器15为焊接过程中施加动态超声波场，利用超声的空化效应和声流效应，击碎固液界面初生晶体和正在长大的晶体,而破碎的晶体在声流的搅拌作用下,再次分布到焊接熔池中,提高了生核率,从而改变固液界面的结晶方式,使晶粒细化，焊缝成型美观；焊接过程焊件受力变形、相变、结晶凝固及裂纹产生与扩展的情况均有能量释放，产生弹性波，通过残余应力应变评价机构16、变形动态测试评价机构17和声发射实时监测机构18分别对应力、变形和声发射实时监测，残余应力消除比率采用振动时效处理方式可消除30％～55％，采用超声冲击处理方式可消除80％～100％，超声冲击处理仪19和振动时效处理仪20的设置是为了改变原有拉应力场为压应力场，消除了应力腐蚀隐患，可动态评估和实时诊断，可探测焊接过程裂纹缺陷变化，明显减少焊接变形，焊接保护和变形控制效果好、智能化操作及质量控制全面且科学可靠，能够有效地解决薄壁管件焊接变形和焊缝质量问题。

本实施例中，所述夹持板2通过紧固件固定在柱体1上，所述柱体1上位于U型槽10的两侧设置有倒T型腔体12，所述紧固件包括与倒T型腔体12配合且穿过夹持板2的螺栓3-2和用于固定螺栓3-2的螺母3-1。

需要说明的是，夹持板2的设置是为了将待焊接薄壁管件固定在柱体1上，采用紧固件将夹持板2与柱体1紧固，紧固件包括螺栓3-2和用于固定螺栓3-2的螺母3-1，倒T型腔体12的设置是为了给螺栓3-2提供安装位置，实际使用中，将螺栓3-2倒置与倒T型腔体12配合，螺栓3-2可在倒T型腔体12内滑动，根据实际的安装位置滑动定位螺栓3-2，调节范围大，螺栓3-2位置确定后，可安装夹持板2，再提供螺母3-1拧紧，使用效果好。

本实施例中，所述柱体1为紫铜圆柱体，所述夹持板2为弧形紫铜夹持板，所述弧形紫铜夹持板的内弧度与所述待焊薄壁管件的外弧度相同。

本实施例中，紫铜圆柱体和弧形紫铜夹持板散热效果好，显著减小了焊接热影响区，保证了背面焊缝成型质量，增加了薄壁管件刚度，有效控制焊接变形。

需要说明的是，柱体1还可以为紫铜长方体柱体，夹持板2为与紫铜长方体柱体配合的长方体紫铜夹持板，根据实际待焊接薄壁管件形态调整柱体1与夹持板2的形状。

本实施例中，所述惰性保护气源4通过惰性气体传输接管5与盲孔腔体11连通，所述冷却循环机构6通过冷却介质传输接管组件7与U型冷却介质流动腔体8连通，所述冷却介质传输接管组件7由与一个所述竖向管腔连通的冷却介质输出接管和与另一个所述竖向管腔连通的冷却介质回收接管组成。

本实施例中，所述盲孔腔体11和U型冷却介质流动腔体8的两个竖向管腔均与U型槽10平行。

需要说明的是，盲孔腔体11和U型冷却介质流动腔体8的两个竖向管腔均与U型槽10平行是为了保证焊件纵缝长度方向上保护气体与冷却介质对待焊接薄壁管件的均匀处理。

本实施例中，所述钻孔9的数量为多个，多个钻孔9均匀垂直开设在U型槽10与盲孔腔体11之间，钻孔9与U型冷却介质流动腔体8的两个竖向管腔均垂直。

需要说明的是，多个钻孔9均匀垂直开设在U型槽10与盲孔腔体11之间保证焊接过程保护气体均匀和稳定。

如图5所示的一种薄壁管件焊接成型控制方法，包括以下步骤：

步骤一、焊接工装与待焊接薄壁管件的组装：首先，清洁待焊接薄壁管件待焊接位置表面，并控制待焊接薄壁管件与焊接工装的对接间隙、错边量和外形精度；然后，选配金属丝网10-2、强制成型冷却块10-1和惰性保护气源4；最后，将待焊接薄壁管件通过夹持板2固定在柱体1上，采用紧固件将夹持板2与柱体1紧固；

所述柱体1上位于U型槽10的两侧设置有倒T型腔体12，所述紧固件包括与倒T型腔体12配合且穿过夹持板2的螺栓3-2和用于固定螺栓3-2的螺母3-1；

实际使用中，对直径Φ为65mm，纵缝宽度δ为0.5mm，待焊接薄壁管件长L为200mm的TA2薄壁管进行纵缝激光焊接成型，本实施例中，所述金属丝网10-2为镍合金金属丝网，所述强制成型冷却块10-1为紫铜强制成型冷却块或陶瓷强制成型冷却块，所述惰性保护气源4为质量纯度不小于99.99％的氩气气源。

钻孔9为孔径Φ为1mm的圆孔，强制成型冷却块10-1的弧形面为长轴1.0mm，短半轴0.05mm的弧形面。

步骤二、焊接工装的调试：首先，打开惰性保护气源4，调节惰性保护气源4的流速，使惰性保护气源4均匀为待焊接薄壁管件提供气体保护；然后，启动冷却循环机构6，调节冷却介质的循环流速，使冷却循环机构6持续为待焊接薄壁管件提供冷却；

步骤三、质量控制装置的初始化：首先，启动控制主机13控制超声波发生器15为待焊接薄壁管件提供动态细化晶粒超声波场；然后，初始化残余应力应变评价机构16、变形动态测试评价机构17和声发射实时监测机构18；

实际使用中，残余应力应变评价机构16采用超声波残余应力测试系统，变形动态测试评价机构17采用位移传感器测试变形，声发射实时监测机构18采用8通道SAMOS(PCI-8)型声发射实时监测系统，超声冲击处理仪19采用LM-20型超声冲击处理仪，振动时效处理仪20采用VSR-60型振动时效处理仪。

步骤四、开始待焊接薄壁管件的焊接：采用激光焊接的方式对待焊接薄壁管件进行焊接；

步骤五、获取薄壁管件的实时焊接数据：通过残余应力应变评价机构16实时评估薄壁管件应力实时数据，通过变形动态测试评价机构17实时评估薄壁管件变形数据，通过声发射实时监测机构18实时监测薄壁管件的残次缺陷；

步骤六、判断薄壁管件的实时焊接数据是否异常：控制主机13中提前预存薄壁管件应力数据阈值和薄壁管件变形数据阈值，当残余应力应变评价机构16、变形动态测试评价机构17、声发射实时监测机构18获取的薄壁管件的实时焊接数据均正常时，薄壁管件焊接正常；当残余应力应变评价机构16、变形动态测试评价机构17或声发射实时监测机构18获取的数据中任意一个超界或异常时，说明薄壁管件的实时焊接数据异常，执行步骤七；

步骤七、判断薄壁管件是否存在残次缺陷：控制主机13获取声发射实时监测机构18实时传输的数据，当声发射实时监测机构18监测到薄壁管件的残次缺陷时，对薄壁管件进行返修或报废；当声发射实时监测机构18未监测到薄壁管件的残次缺陷时，执行步骤八；

步骤八、判断薄壁管件是否变形：控制主机13获取变形动态测试评价机构17实时传输的数据，当变形动态测试评价机构17监测到薄壁管件的变形数据超过薄壁管件变形数据阈值时，对薄壁管件进行校形或报废；当变形动态测试评价机构17监测薄壁管件的变形数据未超过薄壁管件变形数据阈值时，说明残余应力应变评价机构16获取的薄壁管件应力超过薄壁管件应力数据阈值，执行步骤九；

步骤九、薄壁管件应力的松弛：通过控制主机13控制振动时效处理仪20对薄壁管件整体进行应力松弛；或通过控制主机13控制超声冲击处理仪19对薄壁管件应力超标的关键位置进行应力松弛；或通过控制主机13先控制振动时效处理仪20对薄壁管件整体进行应力松弛，再控制超声冲击处理仪19对薄壁管件应力超标的关键位置进行应力松弛；实现薄壁管件应力的松弛后循环步骤五。

本发明在批量生产过程使用时，综合生产效率、设备成本方面的因素，可根据实际情况对应力超标的薄壁管件通过振动时效处理仪或超声冲击处理仪处理薄壁管件应力超标的位置，对薄壁管件应力进行松弛；或者对薄壁管件应力超标的位置先进行振动时效处理仪处理再进行超声冲击处理仪处理，实现薄壁管件应力的松弛，明显减少焊接变形，达到效率、效益和质量的有效结合；振动时效处理是通过振动，使薄壁管件内部残余的内应力与附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和减轻，固有频率下降、共振峰值增高、频带变窄；超声冲击处理利用大功率的能量推动冲击头以每秒约2万次的频率冲击薄壁管件表面，高频、高效和聚焦下的能量使金属表层产生较大的压缩塑性变形，同时超声冲击改变了原有的应力场，产生有益的压应力，使作用区表层金属组织发生变化，冲击部位得以强化，采用本发明能显著减小了焊接热影响区，保证了背面焊缝成型质量，有效控制焊接变形，通过实时监测数据并实时评价焊接质量，用数据科学采取措施，保证焊接质量和使用性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：包括用于薄壁管件焊接成型的焊接工装和用于控制所述焊接工装焊接薄壁管件纵缝质量的质量控制装置；所述焊接工装包括用于支撑待焊接薄壁管件的柱体(1)、固定待焊接薄壁管件的夹持板(2)、防止待焊接薄壁管件纵缝氧化的惰性保护气源(4)和用于冷却辅助成型的冷却循环机构(6)，柱体(1)的轴向表面开设有与柱体(1)轴线平行的U型槽(10)，柱体(1)内靠近U型槽(10)的位置处开设有与惰性保护气源(4)连接的盲孔腔体(11)和与冷却循环机构(6)连接的U型冷却介质流动腔体(8)，U型冷却介质流动腔体(8)由两个竖向管腔和连接两个所述竖向管腔的弧形管腔一体加工组成，U型槽(10)与盲孔腔体(11)之间通过钻孔(9)贯通，两个所述竖向管腔位于钻孔(9)的两侧，钻孔(9)内设置有金属丝网(10-2)，金属丝网(10-2)上设置有带有通孔的强制成型冷却块(10-1)，强制成型冷却块(10-1)位于U型槽(10)内且强制成型冷却块(10-1)远离金属丝网(10-2)的一端为弧形面；

所述质量控制装置包括控制主机(13)、为薄壁管件提供动态细化晶粒超声波场的超声波发生器(15)以及均与控制主机(13)相接用于评估薄壁管件应力实时数据的残余应力应变评价机构(16)、用于评估薄壁管件变形数据的变形动态测试评价机构(17)和用于监测薄壁管件残次缺陷的声发射实时监测机构(18)，控制主机(13)的输出端接有用于调节薄壁管件应力参数的超声冲击处理仪(19)和振动时效处理仪(20)，超声波发生器(15)由控制主机(13)控制。

2.按照权利要求1所述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述夹持板(2)通过紧固件固定在柱体(1)上，所述柱体(1)上位于U型槽(10)的两侧设置有倒T型腔体(12)，所述紧固件包括与倒T型腔体(12)配合且穿过夹持板(2)的螺栓(3-2)和用于固定螺栓(3-2)的螺母(3-1)。

3.按照权利要求1所述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述柱体(1)为紫铜圆柱体，所述夹持板(2)为弧形紫铜夹持板，所述弧形紫铜夹持板的内弧度与所述待焊薄壁管件的外弧度相同。

4.按照权利要求1所述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述惰性保护气源(4)通过惰性气体传输接管(5)与盲孔腔体(11)连通，所述冷却循环机构(6)通过冷却介质传输接管组件(7)与U型冷却介质流动腔体(8)连通，所述冷却介质传输接管组件(7)由与一个所述竖向管腔连通的冷却介质输出接管和与另一个所述竖向管腔连通的冷却介质回收接管组成。

5.按照权利要求1所述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述盲孔腔体(11)和U型冷却介质流动腔体(8)的两个竖向管腔均与U型槽(10)平行。

6.按照权利要求1所述的一种薄壁管件焊接成型控制系统，其特征在于：所述钻孔(9)的数量为多个，多个钻孔(9)均匀垂直开设在U型槽(10)与盲孔腔体(11)之间，钻孔(9)与U型冷却介质流动腔体(8)的两个竖向管腔均垂直。

7.一种利用如权利要求1所述系统进行薄壁管件焊接成型控制的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、焊接工装与待焊接薄壁管件的组装：首先，清洁待焊接薄壁管件待焊接位置表面，并控制待焊接薄壁管件与焊接工装的对接间隙、错边量和外形精度；然后，选配金属丝网(10-2)、强制成型冷却块(10-1)和惰性保护气源(4)；最后，将待焊接薄壁管件通过夹持板(2)固定在柱体(1)上，采用紧固件将夹持板(2)与柱体(1)紧固；

所述柱体(1)上位于U型槽(10)的两侧设置有倒T型腔体(12)，所述紧固件包括与倒T型腔体(12)配合且穿过夹持板(2)的螺栓(3-2)和用于固定螺栓(3-2)的螺母(3-1)；

步骤二、焊接工装的调试：首先，打开惰性保护气源(4)，调节惰性保护气源(4)的流速，使惰性保护气源(4)均匀为待焊接薄壁管件提供气体保护；然后，启动冷却循环机构(6)，调节冷却介质的循环流速，使冷却循环机构(6)持续为待焊接薄壁管件提供冷却；

步骤三、质量控制装置的初始化：首先，启动控制主机(13)控制超声波发生器(15)为待焊接薄壁管件提供动态细化晶粒超声波场；然后，初始化残余应力应变评价机构(16)、变形动态测试评价机构(17)和声发射实时监测机构(18)；

步骤四、开始待焊接薄壁管件的焊接：采用激光焊接的方式对待焊接薄壁管件进行焊接；

步骤五、获取薄壁管件的实时焊接数据：通过残余应力应变评价机构(16)实时评估薄壁管件应力实时数据，通过变形动态测试评价机构(17)实时评估薄壁管件变形数据，通过声发射实时监测机构(18)实时监测薄壁管件的残次缺陷；

步骤六、判断薄壁管件的实时焊接数据是否异常：控制主机(13)中提前预存薄壁管件应力数据阈值和薄壁管件变形数据阈值，当残余应力应变评价机构(16)、变形动态测试评价机构(17)、声发射实时监测机构(18)获取的薄壁管件的实时焊接数据均正常时，薄壁管件焊接正常；当残余应力应变评价机构(16)、变形动态测试评价机构(17)或声发射实时监测机构(18)获取的数据中任意一个超界或异常时，说明薄壁管件的实时焊接数据异常，执行步骤七；

步骤七、判断薄壁管件是否存在残次缺陷：控制主机(13)获取声发射实时监测机构(18)实时传输的数据，当声发射实时监测机构(18)监测到薄壁管件的残次缺陷时，对薄壁管件进行返修或报废；当声发射实时监测机构(18)未监测到薄壁管件的残次缺陷时，执行步骤八；

步骤八、判断薄壁管件是否变形：控制主机(13)获取变形动态测试评价机构(17)实时传输的数据，当变形动态测试评价机构(17)监测到薄壁管件的变形数据超过薄壁管件变形数据阈值时，对薄壁管件进行校形或报废；当变形动态测试评价机构(17)监测薄壁管件的变形数据未超过薄壁管件变形数据阈值时，说明残余应力应变评价机构(16)获取的薄壁管件应力超过薄壁管件应力数据阈值，执行步骤九；

步骤九、薄壁管件应力的松弛：通过控制主机(13)控制振动时效处理仪(20)对薄壁管件整体进行应力松弛；或通过控制主机(13)控制超声冲击处理仪(19)对薄壁管件应力超标的关键位置进行应力松弛；或通过控制主机(13)先控制振动时效处理仪(20)对薄壁管件整体进行应力松弛，再控制超声冲击处理仪(19)对薄壁管件应力超标的关键位置进行应力松弛；实现薄壁管件应力的松弛后循环步骤五。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述强制成型冷却块(10-1)为紫铜强制成型冷却块或陶瓷强制成型冷却块，所述惰性保护气源(4)为质量纯度不小于99.99％的氩气气源。