CN109604799A - 弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具 - Google Patents

弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具 Download PDF

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Abstract

弹性‑刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，以解决焊接过程中刚性约束时产生的较大的残余应力而导致的裂纹缺陷及点约束造成对试件表面损伤的问题。本发明的夹具包括夹具外壳、三个约束装置、三个约束挡板和三个连接元件；三个约束装置均设置在夹具外壳中，且左侧上端板内侧的约束头穿出左侧约束头安装孔，右侧上端板内侧的约束头穿出右侧约束头安装孔，右竖板内侧的约束头穿出下安装孔；每排约束头的外侧均设置有一个约束挡板，约束挡板的两端分别设置在相应的毛化夹口中，约束挡板与夹具外壳通过连接元件连接，约束挡板与约束头之间有3mm～8mm缝隙。本发明用于平板焊接应力变形的调控。

Description

弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具
技术领域
本发明涉及一种焊接夹具，具体涉及一种弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具。
背景技术
焊接是把两个金属零件或多个金属零件连接成一个部件的最常用的加工方法，而得到的部件通常在各个方向均具有很高的强度。试样在焊接过程中，焊缝金属由于受热熔化、冷却凝固，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，且试件受力不平衡而产生的焊接变形，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力，这样就形成了残余焊接应力。同时在焊接残余应力的作用下，试样产生了焊接变形。试件的焊接残余应力对试件的服役性能产生了不利的影响，内部存在残余拉应力易使试件产生裂纹缺陷，减小了试件的服役强度，使用期间存在极大的风险。传统的焊接夹具为刚性约束，虽然可以控制试样的焊接变形，但是内部的残余应力较大，易产生裂纹缺陷。由于夹具与试样件的接触面是几个点，在焊接过程中点约束还容易造成对试件表面的损伤。
发明内容
本发明为了解决焊接过程中刚性约束时产生的较大的残余应力而导致的裂纹缺陷及点约束造成对试件表面损伤的问题，而提供一种弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具。
本发明的弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，所述夹具包括夹具外壳、三个约束装置、三个约束挡板和三个连接元件；
夹具外壳包括固定外壳和活动外壳，活动外壳与固定外壳组成矩形框体，矩形框体上端面设有开口，活动外壳与固定外壳接触处设有间距；
固定外壳的左侧上端板两端分别设有毛化夹口，左侧上端板上设有数个左侧约束头安装孔，数个左侧约束头安装孔位于两个左侧毛化夹口之间；
活动外壳的右侧上端板两端分别设有毛化夹口，右侧上端板上设有数个右侧约束头安装孔，数个右侧约束头安装孔位于两个右侧毛化夹口之间；
活动外壳的右竖板两端分别设有毛化夹口，右竖板上设有数个下安装孔；
三个约束装置均设置在夹具外壳中，且左侧上端板内侧的约束装置上的约束头穿出左侧约束头安装孔，右侧上端板内侧的约束装置上的约束头穿出右侧约束头安装孔，右竖板内侧的约束装置上的约束头穿出下安装孔；
每排约束头的外侧均设置有一个约束挡板，约束挡板的两端分别设置在相应的毛化夹口中，约束挡板与夹具外壳通过连接元件连接，约束挡板与约束头之间有3mm～8mm缝隙。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的目的在于控制焊接件B在焊接过程中由于热应力、组织应力以及相变应力引起的焊接变形；采用柔性-刚性耦合控制，缓释焊接残余应力，起到较好的调节效果。通过约束装置作用于焊接件B的侧面及上表面，一方面起到固定焊接件B的作用，另一方面对焊接件B施加一定的压应力，将点约束变为面约束，控制变形的同时对焊接件B的表面不造成损伤。另外，将夹具外壳和约束挡板之间的紧固位置设计为毛化夹口的形式，在用连接元件进行紧固时，增大毛化面与约束挡板之间的摩擦力，使约束挡板在受力的过程中保持稳定的紧固效果。约束装置起到了柔性控制的作用，约束挡板起到了刚性控制的作用，因此，本发明采用柔性-刚性耦合控制，缓释了焊接残余应力，焊接接头无裂纹缺陷。
二、本发明的焊接夹具是通过高强弹簧的压缩力对焊接件B侧面以及上表面施加一定压力，前期依靠高强弹簧的压缩力进行约束，当焊接件B的变形量超过规定的大小(极限)时，通过约束挡板对焊接件B进行刚性约束，阻止焊接件B进一步变形。在焊后的冷却阶段，焊接件B收缩时高强弹簧依然对其施加一定的压缩力，帮助其收缩。约束挡板3进行的约束为面约束(也叫刚性约束)，可以避免焊接件B的表面发生损伤。利用本发明的夹具可以避免薄板焊接件B在焊接时的变形量较大的问题，还能获得变形量较小的优质焊接接头。
三、本发明可用于薄板对接的工件，可用于电子束焊接的真空室中，通过施加一定的约束对试样的应力及变形进行调控。
附图说明
图1是本发明的一种弹性-刚性耦合的电子束焊接夹具的整体结构主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是夹具外壳1的主视图；
图4是图3的俯视图；
图5是约束装置2的侧视图；
图6是活动外壳1-2的侧视图；
图7是约束挡板3的侧视图；
图8是图7的左视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式为弹性-刚性耦合的调节平板电子束焊接应力变形夹具，它包括夹具外壳1、三个约束装置2、三个约束挡板3和三个连接元件4；
夹具外壳1包括固定外壳1-1和活动外壳1-2，活动外壳1-2与固定外壳1-1组成矩形框体，矩形框体上端面设有开口1-3，活动外壳1-2与固定外壳1-1接触处设有间距(1-4)，该间距1-4为1mm～2mm；
固定外壳1-1的左侧上端板1-1-1两端分别设有毛化夹口A，左侧上端板1-1-1上设有数个左侧约束头安装孔1-1-1-2，数个左侧约束头安装孔1-1-1-2位于两个左侧毛化夹口1-1-1-1之间，左侧上端板1-1-1的壁厚上设有左侧连接元件安装孔1-1-1-3，左侧连接元件安装孔1-1-1-3用于安装连接元件4；
活动外壳1-2的右侧上端板1-2-1两端分别设有毛化夹口A，右侧上端板1-2-1上设有数个右侧约束头安装孔1-2-1-2，数个右侧约束头安装孔1-2-1-2位于两个右侧毛化夹口1-2-1-1之间，右侧上端板1-2-1的壁厚上设有右侧连接元件安装孔1-2-1-3，右侧连接元件安装孔1-2-1-3用于安装连接元件4；
活动外壳1-2的右竖板1-2-2两端分别设有毛化夹口A，右竖板1-2-2上设有数个下安装孔1-2-2-2，右竖板1-2-2的壁厚上设有下端连接元件安装孔1-2-2-3，下端连接元件安装孔1-2-2-3用于安装连接元件4；
三个约束装置2均设置在夹具外壳1中，且左侧上端板1-1-1内侧的约束装置2上的约束头2-2穿出左侧约束头安装孔1-1-1-2，右侧上端板1-2-1内侧的约束装置2上的约束头2-2穿出右侧约束头安装孔1-2-1-2，右竖板1-2-2内侧的约束装置2上的约束头2-2穿出下安装孔1-2-2-2；
每排约束头2-2的外侧均设置有一个约束挡板3，约束挡板3的两端分别设置在相应的毛化夹口A中，约束挡板3与夹具外壳1通过连接元件4连接，约束挡板3与约束头2-2之间有3mm～8mm缝隙。
上述毛化夹口A的毛化面A-1的粗糙度为Ra＝25左右。
固定外壳1-1由左侧上端板1-1-1、左竖板1-1-2、下板1-1-3和右凸板1-1-4组成，左侧上端板1-1-1与下板1-1-3上下设置，左竖板1-1-2位于左侧上端板1-1-1与下板1-1-3之间，右凸板1-1-4设置在下板1-1-3的右侧，左侧上端板1-1-1、左竖板1-1-2、下板1-1-3和右凸板1-1-4制成一体；
活动外壳1-2由右侧上端板1-2-1和右竖板(1-2-2)组成，右竖板1-2-2设置在右侧上端板1-2-1的右端，右竖板1-2-2与右侧上端板1-2-1垂直设置，右竖板1-2-2与右侧上端板1-2-1制成一体；
夹具外壳1整体呈“凹”字形，其上的左侧约束头安装孔1-1-1-2、右侧约束头安装孔1-2-1-2和下安装孔1-2-2-2的尺寸为φ10。
连接元件4采用φ4的螺丝对约束挡板3进行紧固，实现挡板的固定，实现其对于变形的控制。
本发明的夹具应用的焊接对象是薄板型焊接件B，其焊接对象尺寸范围的长、宽、厚分别为：长度取值范围可为(100mm-300mm)、宽度w范围为(30mm-70mm)、厚度h范围(0.2mm-5mm)。
例如：焊接件B的长、宽、厚取值为200mm、50mm、2mm；焊接件B的长、宽、厚取值为150mm、35mm、1mm；焊接件B的长、宽、厚取值为250mm、40mm、3mm；焊接件B的长、宽、厚取值为100mm、25mm、0.5mm；焊接件B的长、宽、厚取值为150mm、60mm、4mm；焊接件B的长、宽、厚取值为250mm、45mm、3.5mm。
本发明的夹具自身尺寸：长、宽、高的范围分别为L(150mm-300mm)、W(115mm-200mm)、H(55mm-70mm)。
夹具制造过程；
依据二维图纸通过机械加工制造。
(1)利用电火花线切割、车床、铣床将夹具外壳、约束装置、挡板等部件加工成形，定制弹簧。
(2)对加工后的各部件进行表面打磨处理，提高表面的光滑度，减小装配误差。
(3)对夹具外壳进行钻孔处理，将定制的弹簧装配到约束装置上，为装配做准备。
(4)将各部件按照图纸进行装配成形，其中弹簧以及约束装置可以根据焊件的不同进行调整替换。
具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式的约束装置2由底板2-1、数个约束头2-2和数个高强弹簧2-3组成，数个约束头2-2均布垂直设置在底板2-1上，每个约束头2-2上套装有一个高强弹簧2-3。高强弹簧2-3分为水平方向的以及竖直方向的两种，其中水平方向有3个，竖直方向有6个，共9个。弹簧的自然长度L为25.5mm-60.3mm，最大收缩量△L＝10mm，弹性系数K＝125N/mm，可提供的最大弹力F＝K×△L＝125×10＝1250N。在水平方向可提供的最大力Fmax由弹簧的最大收缩量决定(当夹具的尺寸长、宽、高为150mm×155mm×55mm，焊接100mm×50mm×5mm厚的铝板时，如果限定其最大的变形量为2mm时，每根弹簧的最大力Fmax＝312.5N(实际压缩量为2.5mm)，竖直方向施加的总作用力为1875N)。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的固定外壳1-1的下板1-1-3上端面设有凹槽1-1-3-1，该凹槽1-1-3-1的尺寸为5mm×5mm，该凹槽2-1-1可防止电子束将试样焊透而作用在夹具上，保护夹具底板2-1。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的约束挡板3由约束板3-1和两个短板3-2组成，两个短板3-2对称且垂直设置在约束板3-1的两端，每个短板3-2上设有调节长孔3-2-1，约束板3-1与两个短板3-2制成一体。调节长孔3-2-1可实现约束挡板3控制变形的连续可调，当焊接件B的变形量达到一定程度时，使高强弹簧2-3的柔性约束(一次控制焊接件B的变形)变为约束挡板3的刚性约束，控制焊接件B的变形(二次控制焊接件B的变形)。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式的两个右侧毛化夹口1-2-1-1与所述两个左侧毛化夹口1-1-1-1一一正对。这样设计使得左右两侧的约束挡板3控制约束头2-2能平衡。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式的夹具外壳1、约束装置2、约束挡板3和连接元件4均采用316不锈钢材质，其国际牌号为06Cr17Ni12Mo2。这种材质无磁性且刚度较大，能避免了磁性对于焊接时电子束的影响；材质的刚度可以有效的控制焊接件B的变形。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或五相同。
本发明的使用方法：
步骤一、对焊接件B进行预处理：将待焊接的两块薄板焊接件B进行预处理；将两块薄板焊接件B的对接面及距对接面10mm区域内进行机械打磨和化学清洗；机械打磨和化学清洗均为现有技术；
步骤二、装夹：将两块薄板焊接件B放入下板1-1-3、左竖板1-1-2与底板2-1之间，且对接面对应凹槽1-1-3-1的位置，调整两块薄板焊接件B的相对位置，使得两块薄板焊接件的对接面的错边应小于0.2mm，对接面之间的间隙应小于0.1mm，此时，对薄板焊接件B的压力为高强弹簧2-3的压缩力，即弹性约束；此步骤是通过高强弹簧2-3的约束作用对焊接件B进行约束；
步骤三、焊接件B和夹具置于真空室：将固定好的两块薄板焊接件B的夹具放入真空室内，抽真空；
步骤四、焊接：焊接过程中两块薄板焊接件B会产生应力及变形，随着焊接件B在焊接过程中的变形，高强弹簧2-3受到压缩，当变形使得高强弹簧2-3压缩到极限时，高强弹簧2-3不再压缩，这时，由于两块薄板焊接件B继续变形，这个变形力往上和侧面顶，从而使得约束头2-2被往上和侧面移动，当移动至约束头2-2与约束板3-1接触时，对薄板焊接件B的压力为约束挡板3的压应力，即刚性约束；
步骤五、冷却：焊接结束后待真空室冷却，随着焊接件B的冷却收缩，高强弹簧2-3依然对试样有约束，用以调节平板焊接的应力和变形，满足焊接件B精度的条件下，最大程度的减小残余应力，真空室常温后，取出焊接件B及焊接夹具，焊接完成。
上述步骤四中的焊接方式为电子束焊接。

Claims (6)

1.一种弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，其特征在于：所述焊接夹具包括夹具外壳(1)、三个约束装置(2)、三个约束挡板(3)和三个连接元件(4)；夹具外壳(1)包括固定外壳(1-1)和活动外壳(1-2)，活动外壳(1-2)与固定外壳(1-1)组成矩形框体，矩形框体上端面设有开口(1-3)，活动外壳(1-2)与固定外壳(1-1)接触处设有间距(1-4)；
固定外壳(1-1)的左侧上端板(1-1-1)两端分别设有毛化夹口(A)，左侧上端板(1-1-1)上设有数个左侧约束头安装孔(1-1-1-2)，数个左侧约束头安装孔(1-1-1-2)位于两个左侧毛化夹口(1-1-1-1)之间；
活动外壳(1-2)的右侧上端板(1-2-1)两端分别设有毛化夹口(A)，右侧上端板(1-2-1)上设有数个右侧约束头安装孔(1-2-1-2)，数个右侧约束头安装孔(1-2-1-2)位于两个右侧毛化夹口(1-2-1-1)之间；
活动外壳(1-2)的右竖板(1-2-2)两端分别设有毛化夹口(A)，右竖板(1-2-2)上设有数个下安装孔(1-2-2-2)；
三个约束装置(2)均设置在夹具外壳(1)中，且左侧上端板(1-1-1)内侧的约束装置(2)上的约束头(2-2)穿出左侧约束头安装孔(1-1-1-2)，右侧上端板(1-2-1)内侧的约束装置(2)上的约束头(2-2)穿出右侧约束头安装孔(1-2-1-2)，右竖板(1-2-2)内侧的约束装置(2)上的约束头(2-2)穿出下安装孔(1-2-2-2)；
每排约束头(2-2)的外侧均设置有一个约束挡板(3)，约束挡板(3)的两端分别设置在相应的毛化夹口(A)中，约束挡板(3)与夹具外壳(1)通过连接元件(4)连接，约束挡板(3)与约束头(2-2)之间有3mm～8mm缝隙。
2.根据权利要求1所述弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，其特征在于：所述约束装置(2)由底板(2-1)、数个约束头(2-2)和数个高强弹簧(2-3)组成，数个约束头(2-2)均布垂直设置在底板(2-1)上，每个约束头(2-2)上套装有一个高强弹簧(2-3)。
3.根据权利要求2所述弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，其特征在于：所述固定外壳(1-1)的下板(1-1-3)上端面设有凹槽(1-1-3-1)。
4.根据权利要求1、2或3所述弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，其特征在于：所述约束挡板(3)由约束板(3-1)和两个调节板(3-2)组成，两个调节板(3-2)对称且垂直设置在约束板(3-1)的两端，每个调节板(3-2)上设有调节长孔(3-2-1)，约束板(3-1)与两个调节板(3-2)制成一体。
5.根据权利要求4所述弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，其特征在于：所述两个右侧毛化夹口(1-2-1-1)与所述两个左侧毛化夹口(1-1-1-1)一一正对。
6.根据权利要求1、2、3或5所述弹性-刚性耦合调控铝合金薄板电子束焊接应力变形夹具，其特征在于：夹具外壳(1)、约束装置(2)、约束挡板(3)和连接元件(4)均采用316不锈钢材质。
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