CN108544118B - 随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法，该方法包括：在焊接热源施加前和施加过程中，在焊件其它部位施加一定功率的冷源；若冷源功率不够，则同时在焊缝长度方向和垂直焊缝方向施加位移控制的机械拉伸载荷。该方法是在焊接热源作用的同时，在焊件其它部位作用有一定功率冷源，该区域的冷却收缩所产生的总变形量，若能等于升温部位的自由热膨胀总变形量的话，则该升温部位的膨胀不受阻碍，应力会为零，不会产生塑性变形。如果冷源的功率受到限制时，冷却收缩所产生的总变形量小于升温部位的自由热膨胀总变形量，则可同时在焊件四周施加机械拉伸载荷，在整个焊件或局部产生一定拉伸弹性变形来补偿或抵消一部分升温部位的自由热膨胀变形。实践上可实现低应力、无塑性变形的焊接，降低焊件内的压应力，避免薄板产生失稳变形。

Description

随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法
一、技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法。
二、背景技术
焊接时焊接结构会产生较高的应力，焊接结构易产生较大变形、甚至产生裂纹。焊接应力对结构的安全构成很大威胁。根据其与焊接工艺相对先后顺序，目前已有的控制焊接结构应力的措施可划分为焊前、焊中和焊后三种模式。焊前措施有预热、沿焊缝长度方向预拉伸、反变形等；焊中措施包括随焊碾压、逐点挤压、随焊锤击、温差拉伸、LSND、随焊旋转挤压等；焊后措施有焊后热处理、过载拉伸、振动时效、锤击、爆炸处理、低温拉伸、逆焊接温差处理等。上述方法中焊后热处理效果最好，但只适合小型结构件的整体热处理，而大型结构件的局部热处理效果仍不能令人满意。而且焊后热处理会消耗大量能源，热处理温度和时间控制不当的话会导致脆化，甚至产生再热裂纹。焊前措施中如果预测不准确会达不到效果，事后措施若不及时也会无济于事。由于焊接残余应力跟焊接过程中产生的压缩塑性变形有关，因此采用焊中措施不让焊接加热过程和冷却过程产生塑性变形是降低焊接应力的一种有效思路。
文献[1]中认为焊前对焊件进行恒定应力水平的纵向拉伸会有效降低焊接残余应力和减少纵向挠曲变形。文献[2]报道了一种双向预置应力法来控制应力和变形，在平行于焊缝的方向施加纵向预置拉伸应力，减小甚至消除焊接挠曲变形，在垂直于焊缝的方向施加横向预置挤压应力，防止热裂纹的产生和扩展。上述所施加载荷与板材屈服强度有关，与焊接热输入无关，而且是静态载荷，在焊接过程中不变化。中国专利ZL93101690.8介绍了一种动态控制低应力无变形焊接技术，其基本过程是采用跟随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。该方法能将焊缝中心的残余拉应力降低到 60MPa，甚至转变为压应力，而且使得薄板不产生失稳变形。在该方法中对冷却介质喷在焊缝上，而且离热源很近，如隔离措施不到位时，会对焊接熔池和电弧区产生影响。该方法中对冷却介质的热输入没有明确的限制，焊接夹具的作用主要用于限制面外变形。(参考文献： [1]李敬勇，章明明，李鹰等。《预拉伸对铝合金焊接残余应力和变形的影响》[J].热加工工艺，2005(12):15-17。[2]周广涛。《双向预置应力控制铝合金薄板焊接变形与热裂纹研究》[D].哈尔滨工业大学，2009。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种低应力、无塑性变形的随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法，该方法能够有效降低形成焊接热裂纹、冷裂纹的风险，降低板内压应力，避免薄板产生失稳变形。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：在焊接热源施加前和施加过程中，在焊件其它部位施加一定功率的冷源；若冷源功率不够，则同时在焊缝长度方向和垂直焊缝方向施加位移控制的机械拉伸载荷，该机械拉伸载荷随焊件吸收热量成比例递增加载；在焊接结构焊后冷却过程中，冷源与焊接热源同时卸载，机械拉伸载荷与热量散失速度成比例卸载。
上述焊接热源的种类无限制。
上述冷源可采用冷却工质或制冷设备，其中冷却工质可为干冰。
上述焊接结构存在多层多道焊缝时，每道焊缝均应采用本方法所述程序进行焊接。
本发明方法的参数计算及具体实施步骤如下：
1、确定焊件的长度L、宽度B、厚度H、焊缝的长度Lw(一般情况下Lw＝L)、焊接速度vw、焊接电流I和焊接电压U。
2、确定冷源的实施范围，焊接冷源的作用区域应远离焊缝和热影响区，假设该区域为关于焊缝中心线对称的两个长方体，长度Lc(一般情况下Lc＝L)、宽度Bc、厚度与板厚相同；若焊件允许的最大温度降幅为ΔTc，单侧最大冷源热输入功率为
Figure BDA0001723674490000031
其中c为比热，ρ为材料密度。其中冷源的功率为所有冷源喷嘴总功率，可以通过增加冷源喷嘴数量来提高冷源功率。
3、若冷源功率小于热输入功率，则需加载位移控制拉伸载荷，垂直于焊缝的拉伸载荷的位移增长速率为
Figure 2
，平行于焊缝的拉伸载荷的位移增长速率为
Figure 3
。
4、热源卸载后需同时卸载冷源，在自然冷却过程中，机械拉伸位移载荷随散热量同步成比例卸载，完全冷却时机械拉伸位移载荷完全卸载，机械拉伸位移载荷卸载时间，也即冷却时间约为
Figure BDA0001723674490000034
其中h为焊件与周围空气的对流换热系数，假设焊件上下表面均与周围空气存在对流换热。垂直于焊缝的拉伸载荷的位移卸载速率为
Figure 4
，平行于焊缝的拉伸载荷的位移卸载速率为
Figure 5
。也可使卸载速率稍大一些，此时焊缝存在压应变，有利于防止产生热裂纹和冷裂纹。
传统的焊接方法在焊接过程中，被加热部位的自由热膨胀和冷却时的自由热收缩受到阻碍，因而焊件内产生较大的应力。如果创造条件使得这种自由变形不受阻碍或所受阻碍变小的话，即可在一定程度上减少焊接应力。本发明方法就是基于该思路提出的，其实质是在焊接热源作用的同时，在焊件其它部位作用有一定功率冷源，该区域的冷却收缩所产生的总变形量，若能等于升温部位的自由热膨胀总变形量的话，则该升温部位的膨胀不受阻碍，应力会为零，不会产生塑性变形。如果由于焊件的降温幅度受到限制(例如，最低温度不能低于韧脆转变温度或其它安全温度)，冷源的功率受到限制时，冷却收缩所产生的总变形量小于升温部位的自由热膨胀总变形量，则可同时在焊件四周施加机械拉伸载荷，在整个焊件或局部产生一定拉伸弹性变形来补偿或抵消一部分升温部位的自由热膨胀变形。该拉伸载荷的变形量受到控制，且随升温部位的自由热膨胀总变形量的增加而增加。焊接结束时，焊接热源卸载，所施加的冷源也同时卸载，所施加的拉伸载荷也需卸载，但其位移卸载速度需受到控制。如果整个焊接过程中计算、测量、控制精确的话，理论上可实现无应力、无塑性变形焊接，实践上可实现低应力、无塑性变形的焊接，降低焊件内的压应力，避免薄板产生失稳变形。
四、附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明焊件及冷源作用范围的结构示意图。
五、具体实施方式
如图1、图2所示焊件1的长度L＝0.2m、宽度B＝0.15m、厚度 H＝0.004m、焊缝的长度Lw＝0.2m，冷源作用范围长度Lc＝0.2m、宽度 Bc＝0.04m，焊接速度vw＝0.003m/s、焊接电流I＝180A、焊接电压U＝27V，冷源作用范围内钢板允许的最大温度降幅为ΔTc＝20℃，冷源功率为 P_＝1000w。钢的比热容c＝460J/(kg℃)，密度ρ＝7850kg/m3，膨胀系数α＝1.2E-5/℃，钢板表面对流换热系数h＝10W/(m2℃)。
本发明方法包括如下具体步骤：
1、计算相关参数：垂直于焊缝的拉伸载荷的位移增长速率为
Figure 6
，平行于焊缝的拉伸载荷的位移增长速率为
Figure 7
。机械拉伸位移载荷卸载时长约为
Figure BDA0001723674490000053
垂直于焊缝的拉伸载荷的位移卸载速率为
Figure 8
，平行于焊缝的拉伸载荷的位移卸载速率为
Figure 11
。
2、将焊件1进行点焊组对，并在焊缝的长度方向和垂直方向设置用于施加拉伸载荷作用的纵向夹具5及横向夹具4，其中点焊焊缝总长度应保证焊件1在实施过程中施加横向拉伸载荷作用时不会破坏。如果焊件四周处于自由状态，则夹具固定在焊件边缘上，夹具应确保能控制焊件纵向和横向的位移。若焊件四周与其它部件相连固定，则夹具的安装位置不局限于图1所示位置。夹具应与焊件中间部位的上下表面紧密贴合，在夹具上施加载荷后，能带动焊件在相应方向产生弹性变形。横向夹具的数量应尽可能多，单个夹具的作用宽度越小，控制越精确。纵向夹具主要集中在焊缝及热影响区附近。
3、焊接热源—焊枪2开始作用后，冷源喷嘴3分布于焊枪2两侧，并与焊枪2一起同步移动。焊接热源作用时长为66.7s。
5、焊接热源—焊枪2作用同时加载拉伸载荷。平行于焊缝的纵向夹具5上拉伸载荷的位移增长速率为0.021mm/s。垂直于焊缝的横向夹具4上拉伸载荷应在的位移增长速率为0.016mm/s，
6、焊缝中心线上的温度从峰值温度开始下降时，垂直于焊缝的横向夹具4上拉伸载荷可以卸载，卸载速率为7.3E-4mm/s，直至完全卸载。
7、焊接结束后同时关闭冷源喷嘴3，平行于焊缝的纵向夹具5 上拉伸载荷开始卸载，卸载速率为9.6E-4mm/s，直至完全卸载。

Claims (2)

1.一种随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法，其特征是：该方法包括：在焊接热源施加前和施加过程中，在焊件远离焊缝和热影响区部位施加一定功率的冷源的同时，在焊缝长度方向和垂直焊缝方向施加位移控制的机械拉伸载荷，该机械拉伸载荷随焊件吸收热量成比例递增加载；在焊接结构焊后冷却过程中，冷源与焊接热源同时卸载，机械拉伸载荷与热量散失速度成比例卸载。
2.根据权利要求1所述的随焊加载冷源及位移控制载荷的焊接方法，其特征是：所述冷源可采用冷却工质或制冷设备，其中冷却工质采用干冰。
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