CN1075277A - 动态控制薄板构件低应力无变形焊接法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于薄板构件在焊接过程中动态控制焊接 应力和变形的方法和装置。采用可跟随焊接热源移 动的急冷热潭装置，对仍处于高温状态的焊缝进行局 部急速冷却，获得强烈的拉伸效应，定量地控制和补 偿焊缝区的压缩塑性变形，降低残余应力水平，防止 薄板构件焊后的失稳变形。可定量地控制各种有色 金属、黑色金属、合金钢、耐热合金等薄板构件的焊接 应力与变形。该方法和装置适用于钨极氩弧焊和熔 化极气体保护焊等的手工焊、自动和半自动焊接方法 完成的各种形状焊缝的低应力无变形的焊接。

Description

本发明属于焊接结构制造中控制焊接应力和变形的方法和装置。

用常规的焊接方法焊接薄板构件时，由于受焊接热源局部加热，焊缝区的温度很不均匀，在焊缝区产生较大的压缩塑性变形，并因此在焊后会形成与压缩塑性应变场对应的残余应力场。对于薄板结构，如果该残余应力超过构件失稳的临界应力，就会导致构件的失稳变形。

控制和消除薄板构件焊接应力和变形通常采用的方法可分为焊前措施和焊后措施两类。焊前措施如预变形法、整体拉伸法、预置温度场等，利用对焊接区的反变形控制和补偿焊接时产生的不协调应变，来控制焊接残余应力水平，防止焊接变形。焊后消除已经发生的焊接残余应力和变形的措施有如滚压法、火焰矫正法、高温回火、振动法等，这些焊后措施在结构制造过程中增加了一道工序。而且，以上各种控制和消除焊接应力和变形的方法，有的需要繁杂庞大的设备，有的费力耗时，有的对焊接应力和变形的控制效果有限，并且都受结构焊缝形状复杂性的影响，应用范围受到限制。

由航空部第六二五研究所开发的薄壁构件低应力无变形焊接方法（中国专利N  87100959.5，简称LSND法-Low  Stress  Non-Distortion  Welding），在薄板焊接过程中利用特定的预置温度场，同时采取相应措施防止工件在焊接温度场与预置温度场共同作用下的瞬态失稳变形，保证有效的“温差拉伸效应”跟随焊接热源，可定量地控制焊缝纵向压缩塑性应变，改变焊后的残余应力场使之重新分布。从而沿用常规的焊接方法和焊接规范，即可达到低应力无变形的焊接效果。这种焊接方法属于静态控制法，必须设计制造专用的焊接夹具，而且受夹具和所设置的预置温度场的限制，目前只适于在较短的直线焊缝上的静态控制。

本发明的目的在于克服上述方法静态控制方面的局限性，提出一种直接在焊接过程中动态控制薄板构件的焊接应力和变形的新方法，达到低应力无变形的焊接效果，不仅适用于直线焊缝，对于非直线、非规则焊缝也适用。

原苏联У.И.Бирман等人发明的在焊接过程用液态射流强制冷却焊缝区，并辅以局部辅助热源的焊接方法和装置（苏联专利№984757），目的在于改善耐热合金钢的焊接性，改变焊接熔池结晶方向，防止焊接热裂纹。但与本发明的焊接应力与变形的控制方法和所需的装置均不同。

本发明的构成是采用可跟随焊接热源移动的热源，对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却，在焊接区产生局部可控的准定常状态畸变温度场，利用该畸变温度场产生的对焊缝高温区的局部拉伸作用，控制和补偿焊接产生的压缩不协调应变，从而在焊接过程中控制应力、防止变形的焊接方法和装置。

热潭的强度和位置是根据材料和结构的特性，通过对焊接热弹塑性过程分析和测试相结合的方法优选确定的。本发明设备简单，操作方便，技术经济效益高，能保证各种薄板构件的焊接质量。

在焊接过程中，用热潭跟随焊接热源对仍处于高温状态的焊缝局部急冷来获得强烈拉伸效应，“热源-热潭”系统是本发明独具的特点。常规焊时，由于焊缝区受焊接热源的局部加热而急速膨胀，但其膨胀却受到周围温度较低金属的拘束，焊缝高温区因此被强烈压缩，并且由于高温区材料的屈服极限较低，从而在焊缝区产生了很大的压缩塑性变形，随着焊件温度的降低，焊缝区由于不协调压缩塑性变形的产生，其收缩又受到周围金属的拘束，从而产生很大的残余拉应力，而周围金属则产生残余压应力。对于薄板构件，由于其本身的刚度小，稳定性差，很容易在焊接残余应力作用下发生诸如局部翘曲和扭转等比较明显的失稳变形。采用可跟随焊接热源移动的热潭装置，形成“热源-热潭”的多源系统，可在焊接热源后适当位置，对焊缝高温区局部急冷。虽然在焊接热源作用下，焊缝区产生了一定的压缩塑性变形，但由于在焊接热源后，热量开始向周围温度较低的区域扩散，使附近区域的温度升高而产生膨胀。在这种情况下，利用热潭对处于高温状态的焊缝区的局部急冷，使其局部急剧收缩，就会产生对该焊缝区的强烈拉伸效应，由此而产生的拉伸塑性变形补偿了已产生的压缩塑性变形，同时，由于热潭的吸热，构件的受热区变窄，控制了压缩塑性变形区的扩展，从而在残余状态下的焊接应力可以降到很低的水平，甚至在焊缝中心会出现拉伸塑性变形及与其相对应的残余压应力。这样就在焊接过程中动态地控制了焊接应力与变形，防止了薄板构件的失稳变形，达到低应力无变形的焊接效果。这种动态低应力无变形焊接方法不受焊缝形状和专用夹具的限制，热潭可跟随焊接热源焊接任何长度的直线、非直线、非规则焊缝，实现对薄板构件焊接应力和变形的动态控制。

为了全面了解本发明的内容，现结合有关附图作如下具体说明，其中：

图1为本发明多源焊接系统装置示意图。

图2为常规焊接和动态LSND焊接后，薄板构件上纵向残余应力分布（a）和相应的不协调应变分布示意图（b）。

图3是常规焊接和动态LSND焊接后，薄板构件宏观失稳变形量的对比。

图1是本发明多源焊接系统装置示意图。根据本发明所述薄板构件动态低应力无变形焊接装置，包括焊接热源①和热潭系统。热潭系统包括由冷却介质喷嘴②和高压气流喷嘴③组合形成的介质雾化射流喷嘴和抽气管④。⑥为焊接件，⑤和⑦是一般焊接使用的压块和垫板。

该装置的热潭系统设计是基于以下考虑：

1、冷却介质可根据焊接件的材料选用水、液氮或液化二氧化碳及其它冷却液。

2、在冷却喷嘴外部设置一个抽气管，可防止冷却介质汽化对焊接热源的干扰，保证焊接正常进行。抽气管与真空泵相连接，在焊接过程中，真空泵能及时将冷却介质蒸汽及多余介质排走。抽气管下端采用柔性耐高温材料（根据具体情况选用玻璃纤维布、石棉布、金属丝刷等）制成的屏蔽网与工件接触，实现抽气管与焊件间的动态封严。这样，热潭可跟随焊接热源适应各种形式的焊缝，实现动态控制。

3、热潭冷却位置定量可调。在同样的热潭强度下，热潭不同的冷却位置对焊接应力和变形的控制效果不同。本发明将冷却喷嘴和抽气管固定在一个三向可调的装夹机构上，可将热潭的冷却方便地调节到最佳位置上，还可通过自动控制，使热潭实现对焊接热源的自适应跟随。

4、热潭强度定量可调。在同一热潭冷却位置，不同的热潭强度对焊接应力和变形的控制效果不同。本发明给冷却介质和高压气流均配置了流量计，可实现对热潭强度的定量调节。

5、热潭冷却效果的加强。为了增强热潭对焊缝高温区的局部急冷拉伸作用，必须加强冷却介质与焊缝高温区的换热。如果用冷却液直接喷射到焊缝高温区，虽然换热较强，但由于喷到焊缝上的冷却液汽化后，在焊缝表面会形成一层汽膜，阻碍冷却液的进一步汽化和热交换。为此本发明用高压气体通过高压气流喷嘴将冷却液先行雾化后，再喷射到焊缝高温区，这样，大大增加了冷却液与焊缝的接触面积，加强了冷却液的汽化，提高了换热系数，增强了热潭的冷却效果。

图2为不同焊接方法试验结果中的一个典型例证。厚度为1mm的低碳钢板件用常规的钨极氩弧焊和多源系统焊后测定分析了动态LSND焊接法对板件内纵向残余应力的控制结果。两种焊接方法规范相同，均为焊接电流50A，电弧电压10V，焊速12m/h。多源系统焊接时，冷却介质用自来水，流量为60ml/min，热源热潭中心间距20mm。由图可以看到，常规焊时，焊缝区有很大的残余压缩塑性变形量，相应残余应力水平很高（图2（a）与图2（b）的曲线1）。而用多源系统焊接的结果，压缩塑性变形得以补偿和控制，焊缝区的残余拉应力水平大幅度下降（图2（a）与图2（b）的曲线2），在焊缝中心甚至可转变为残余压应力（图2（a）与图2（b）的曲线3），相应两侧的残余压应力被控制到极低的水平。低于板件临界失稳应力的残余压应力不再引起薄板构件的失稳变形。图3中关于两种焊接方法所得到的焊后失稳变形量的对比有力地表明多源焊接系统所达到的低应力无变形焊接效果。

综上可以看到，本发明的动态LSND焊接法及其装置，可针对待焊工件的材料特性、几何尺寸、设计或制造工艺的要求，以及达到的控制最终残余应力和变形的容限值，通过对焊接热弹塑性过程分析和测试相结合的方法优选最佳的热潭位置和热潭强度，实现薄板构件各种形式焊缝的低应力无变形焊接。本发明的动态LSND焊接法，适合于各种有色金属、黑色金属、合金钢和耐热合金等结构材料。并且由于热潭的局部急冷作用，对一些材料的焊缝还可达到改善结晶组织、细化晶粒、消除热裂纹的效果。本发明的动态LSND焊接法效果显著，适用范围广。在常规的钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊条件下，装备上本发明的装置即可实现手工焊、自动焊和半自动焊。设备成本小，操作简便，具有很好的技术经济价值和广泛的应用前景。

Claims (5)

1、采用可跟随焊接热源移动起急冷作用的热潭对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却，在薄板构件的焊接过程中，直接控制焊接应力和变形的方法，其特征在于根据材料和构件特性优选热潭强度和热潭位置等参数，同时采取措施保证冷却介质不干扰焊接热源，获得焊缝高温区的局部急冷拉伸效应，定量地控制和补偿焊缝区产生的压缩塑性变形，达到动态控制的低应力无变形焊接效果。

2、按权项1所说的焊接方法，焊缝高温区的局部冷却方法是用高压气流将冷却介质雾化后，直接喷射到焊缝上的射流冷却，强化了冷却效果，提高了换热系数，冷却介质可选用水、液化二氧化碳、液氮及其它冷却液。

3、按权项1所说的焊接方法，用于排除冷却介质干扰焊接热源的热潭装置，其特征为在冷却雾化喷嘴外设置抽气管与真空泵相连，焊接过程中，真空泵及时将冷却介质蒸汽及剩余介质排出，同时，抽气管下端连接柔性耐高温材料（如玻璃纤维布、石棉布、金属丝刷等）制成的屏蔽网与工件接触，实现抽气管与焊件间的动态封严。

4、按权项1、2、3所说的焊接方法和装置，针对材料特性、构件焊缝形状和设计技术要求，优选冷却介质、热潭强度和热潭位置等参数，控制局部急冷拉伸效应，其特征为：调节冷却介质和高压气的流量，以定量地控制热潭强度，调节热潭装置的装夹机构以调节热潭位置，该热潭强度和位置可通过预置参数用自动控制实现自适应调节。

5、按权项1、2、3所说的焊接方法和装置，其特征为用钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊等的手工焊、自动和半自动焊接方法完成薄板构件的各种形状焊缝的低应力无变形的焊接，构件材料可为各种有色金属、黑色金属、合金钢和耐热合金等。

Images