CN111546017B - 一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，包括步骤S1)焊接件加工，S2)焊接残余应力和变形分析，S3)预应力喷丸路径及载荷设计，S4)超声波喷丸校形，S5)外形检验及补充校形，S6)焊缝表面超声波强化。本发明的主要优点是：不改变产品现有焊接工艺和流程，利用撞针式超声波喷丸设备进行校形及强化，通过更换不同大小的工作头，实现校形和强化功能，操作方便高效。本发明方法是焊件冷却后利用未释放的残余应力作为预应力载荷施加，可以大大降低校形所需能量，同时避免高温状态校形对材料表面造成的损伤。本发明方法尤其适合经热处理强化的轻质高强材料的焊接变形的控制处理。

Description

一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法
技术领域：
本发明属于焊接校形及强化的技术领域，更具体地，涉及一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法。
背景技术：
轻质铝合金或钛合金中厚板焊接是航空航天领域不可缺少的关键工艺，但焊接后由于焊缝处的热胀冷缩会导致零件产生变形，过大的焊接变形，不仅影响产品尺寸精度，而且会降低其承载能力，缩短使用寿命，因此需要对焊后的变形进行校正。除了带工装整体校形方法外，一般的方法是焊接后拆卸工装让焊接应力释放，根据零件的变形情况进行校正。
对于薄壁件可以在焊接后拆卸工装，利用激光喷丸、手提式喷丸或者冲压等方向实现变形校正，但大尺寸中厚板零件焊接后释放应力过大，冲压校形可能会导致焊缝开裂，而激光喷丸或者手提式喷丸校形效率较低。另一方面，焊接后释放的应力较大，因此是否可以将该部分应力充分利用，提高校形的效率以及校形质量，这对于实际工程应用具有十分重要的意义。
发明内容：
为解决现有技术存在的问题，本发明目的提供了一种多撞针式超声波喷丸设备对焊接后的零件进行校形和强化，利用未释放的残余应力作为预应力载荷施加，可以大大降低校形所需能量，提高校形效率。另外，利用撞针式超声波喷丸设备进行校形及强化，通过更换不同大小的工作头，实现校形和强化功能，操作方便高效。
为此，根据本发明的一个方面，提供一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其中，该方法包括如下步骤：
S1)焊接件加工：采用一定的焊接工艺参数对轻质合金中厚板进行单面焊双面成型，焊接后保持工件处于夹持状态固定并冷却；
S2)焊接残余应力和变形分析：根据焊接热输入，焊接顺序以及工件约束情况，综合计算分析焊接后工件的应力状态，以及焊接约束释放后的变形量；
S3)预应力喷丸路径及载荷设计：根据计算的变形量，将未释放的残余应力作为预应力载荷施加，计算分析工件校正所需要的超声波喷丸载荷(撞针直径、振幅、覆盖率)和喷丸路径；
S4)超声波喷丸校形：选用一定直径的撞针，利用超声波喷丸设备按设定的振幅和覆盖率对焊缝及焊缝周边区域进行喷丸校形；
S5)外形检验及补充校形：拆卸焊接工装，将工件放置于检验工装上检查其贴合度，用超声波喷丸设备对局部变形区域补充手工校形；
S6)焊缝表面超声波强化：选择小直径撞针，对校形后的焊缝表面及根部区域(包括焊缝及热影响区)进行均匀冲击，使得焊缝表面的覆盖率控制在100％～150％之间。
进一步优选地，上述超声波强化的步骤还包括：
a)根据焊缝区域的疲劳寿命要求，确定强化用的撞针直径(1.2mm和2mm)、撞针振幅(0～100％)、覆盖率(100％～150％)；
b)利用超声波喷丸强化设备焊缝对焊缝表面及根部区域(包括焊缝及热影响区)进行强化处理。
进一步优选地，在S3步骤之前建立撞针直径的数据：1.2mm、2mm、3mm、4mm，撞针振幅的范围0～100％、覆盖率20％～80％以及材料厚度与试板纵向和横向变形曲率的关系数据库。
进一步优选地，，在S6步骤之前建立撞针直径为1.2mm和2mm、撞针振幅范围0～100％、覆盖率的范围为100％～150％以及材料厚度与试板疲劳性能之间的关系数据库。
进一步优选地，采用的超声波喷丸设备为多撞针式工作头，可以通过替换工作头的方式来选用不同直径的撞针。
进一步优选地，为了防止撞针变形和断裂，校形时候选择直径为2mm的撞针，采用振幅的范围为0％-50％，冲击角度为90°。
进一步优选地，工作头采用循环冷却水冷却。
进一步优选地，所采用焊接方法包括搅拌摩擦焊接或激光焊或电弧焊。
本发明的主要有益效果是：
1.本发明方法不改变产品现有焊接工艺和流程，利用撞针式超声波喷丸设备进行校形及强化，通过更换不同大小的工作头，实现校形和强化功能，操作方便高效。
2.本发明方法是焊件冷却后利用未释放的残余应力作为预应力载荷施加，可以大大降低校形所需能量，同时避免高温状态校形对材料表面造成的损伤。
3.本发明方法尤其适合经热处理强化的轻质高强材料的焊接变形的控制处理。
附图说明：
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了本发明一实施例中，约束释放状态下焊接前后变形示意图；
图2揭示了本发明一实施例中，超声波喷丸校形变形示意图；
图3揭示了本发明一实施例中，焊后预应力校形及强化流程图；
图4揭示了本发明一实施例中，多撞针式超声波喷丸工作头示意图。
具体实施方式：
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
图1为约束释放状态下焊接前后变形示意图，可以看出焊接件产生明显的角变形，且两侧向上翘起。
图2为超声波喷丸校形变形示意图，其变形趋势与焊接后变形正好相反，因此可以在约束未释放状态下，利用超声波喷丸方法校正焊接后的变形，实现高效和低成本的变形校正。
参考图3，图3揭示了本发明一实施例中，焊后预应力校形及强化流程图。有如下步骤
S1)中厚板的焊接件加工：采用MIG焊接工艺对8mm厚铝合板金进行单面焊双面成型，焊接后保持工件处于夹持状态固定并冷却；
S2)焊接残余应力和变形分析：根据焊接参数，焊接顺序以及工件约束情况，利用有限元分析软件计算分析焊接后工件的应力状态，以及焊接约束释放后的变形量；
S3)预应力喷丸路径及载荷设计：根据计算的焊接变形量，将未释放的残余应力作为预应力载荷施加，计算分析工件校正所需要的超声波喷丸载荷(撞针直径、振幅、覆盖率)和喷丸路径；
S4)超声波喷丸校形：选用2mm直径的撞针，利用超声波喷丸设备工作头(图4)按设定的振幅(80％)和覆盖率(50％)对焊缝及焊缝周边区域进行喷丸校形；
S5)外形检验及补充校形：拆卸焊接工装，将工件放置于检验工装上检查其贴合度，用超声波喷丸设备对局部变形区域补充手工校形；
S6)焊缝表面超声波强化：选择小直径撞针，对校形后的焊缝表面及根部区域(包括焊缝及热影响区)进行均匀冲击，使得焊缝表面的覆盖率控制在100～120％之间。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1，焊接件加工：采用焊接工艺参数对轻质合金中厚板进行单面焊双面成型，焊接后保持工件处于夹持状态固定并冷却；
S2， 焊接残余应力和变形分析：根据焊接热输入、焊接顺序以及工件约束情况，综合计算分析焊接后工件的应力状态以及焊接约束释放后的变形量；
S3， 预应力喷丸路径及载荷设计：根据计算的变形量，将未释放的残余应力作为预应力载荷施加，计算分析工件校正所需要的超声波喷丸载荷和喷丸路径；
S4， 超声波喷丸校形：选用一定直径的撞针，利用超声波喷丸设备按设定的振幅和覆盖率对焊缝及焊缝周边区域进行喷丸校形；
S5， 外形检验及补充校形：拆卸焊接工装，将工件放置于检验工装上检查其贴合度，用超声波喷丸设备对局部变形区域补充手工校形；
S6， 焊缝表面超声波强化：选择小直径的撞针，对校形后的焊缝表面及根部区域进行均匀冲击，使得焊缝表面的覆盖率控制在100%~150%之间，其中根部区域包括焊缝及热影响区。
2.根据权利要求1所述的一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，在所述S3步骤之前且在S2步骤之后建立撞针直径为1.2mm或2mm或3mm或4mm、撞针振幅的范围为0~100%、覆盖率的范围为20%~80%以及工件的材料厚度与试验件纵向和横向变形曲率的关系数据库。
3.根据权利要求1所述的一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，在所述S6步骤之前且在S5步骤之后建立撞针直径为1.2mm或2mm、撞针振幅的范围为0%~100%，覆盖的范围为100%~150%以及工件的材料厚度与试验件疲劳性能之间的关系数据库。
4.根据权利要求1所述的一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，采用的超声波喷丸设备为多撞针式工作头，能够通过替换多撞针式工作头来选用不同直径的撞针。
5.根据权利要求1所述的一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，在所述S4步骤中校形时选择直径为2mm的撞针，采用振幅的范围为0%-50%，冲击角度为90°。
6.根据权利要求1所述的一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，超声波喷丸设备的工作头采用循环冷却水冷却。
7.根据权利要求1所述的一种轻质合金中厚板焊后预应力校形及强化方法，其特征在于，S1步骤中的焊接所采用的方法包括搅拌摩擦焊接或激光焊或电弧焊。
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