CN112609067B - 一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，步骤为：基于铝合金构件的结构、材料特性和残余应力分布，确定阵列高能声束激励方案；采用工装装置对铝合金构件进行固定；基于确定的阵列高能声束激励方案，装配高能声束激励装置，通过高能声束激励装置发出的超声波对铝合金构件的残余应力进行调控；在铝合金构件的焊接过程中，实时监测铝合金构件的焊接残余应力动态变化，将监测到的残余应力变化信号作为所述高能声束激励装置的反馈信号，形成非线性时变滞后残余应力闭环调控。本发明可使铝合金构件内部残余应力随着焊接过程持续不断地保持低幅度和均匀的平衡状态，完全满足大型三维复杂铝合金构件内部残余应力控制的需要。

Description

一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法

技术领域

本发明属于焊接的技术领域，尤其涉及一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法。

背景技术

大型铝合金轻质轻体构件是新型航天与国防高端装备用典型核心件，要求较高的均匀强韧性和承载能力。这类铝合金构件通常具有长厚比或宽厚比大、尺寸大或形廓规格大、结构复杂等特点。由于尺寸过大，焊接部位多，残余应力难以有效控制，存在大范围的焊接残余应力分布不均匀或集中区域，导致构件产生不可预测的几何形变、断裂或加剧腐蚀，当局部残余应力引起的变形无法释放而且残余应力数值超过材料的屈服强度或极限强度时，构件局部将出现塑性变形或开裂，严重影响大型铝合金构件服役可靠性。

目前，国内外对于残余应力消减和均化方法的研究和应用，不论是传统的自然时效法、热时效法、振动法，还是超声冲击法和电击法等，都有其局限性，无法实现大型三维复杂铝合金构件内部残余应力的原位现场调控。

专利号为CN101954546A的专利公开了一种低应力残余应力的焊接工艺方法，该方法通过对焊缝区和近焊缝区持续加热的条件下对焊接件的焊缝进行焊接，采用局部退火的原理来降低焊接件的残余应力。该方法适合形状规则的板类、管道和容器类焊接件，对于大型复杂三维构件则有很大的局限性，且该方法需要将焊接件加热到合适的高温才有效，一旦温度降低，残余应力消减效果将大打折扣，超过这个温度则会导致焊接部位或母材屈服强度显著下降，同时，焊接过程需要消耗大量的能量。

专利号为CN102168236A的专利公开了一种降低铝合金箱梁焊接结构残余应力的超声冲击处理工艺，该方案选用合适的冲击头，对铝合金箱梁焊接结构焊缝进行冲击处理，通过提高表面压缩残余应力的原理来降低焊接件的残余应力水平。该方法施工简便，可根据残余应力水平无限次的重复。但是这种方法仅能在构件表面产生压缩残余应力，无法改变构件内部残余应力，且铝合金构件表面由于受到冲击头冲击影响，容易带来凹坑冲击损伤甚至是裂缝或微小裂纹，导致铝合金材料非包容性破坏，影响构件的安全性和可靠性。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，实现大型三维复杂铝合金构件焊接残余应力平衡，满足大型三维复杂铝合金构件内部残余应力控制的需要。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，包括以下步骤：

S1：基于铝合金构件的结构、材料特性和残余应力分布，确定阵列高能声束激励方案；

S2：采用工装装置对铝合金构件进行固定；

S3：基于步骤S1确定的阵列高能声束激励方案，装配高能声束激励装置，通过高能声束激励装置发出的超声波对铝合金构件的残余应力进行调控；

S4：在铝合金构件的焊接过程中，实时监测铝合金构件的焊接残余应力动态变化，将监测到的残余应力变化信号作为所述高能声束激励装置的反馈信号，形成非线性时变滞后残余应力闭环调控。

由上，将铝合金构件基体固定于工装装置内，防止高能声束入射过程中铝合金构件发生形变；基于铝合金构件残余应力分布，协调地激励出多个模态的超声波，从而实现高效无损的对所述大型三维复杂铝合金构件内部残余应力定向和量化调控。

可选的，在步骤S4中，在所述非线性时变滞后残余应力闭环调控中，判断铝合金构件的残余应力是否满足要求，如果满足，则铝合金构件的低应力焊接工艺结束；如果不满足，则进入步骤S1，基于新的残余应力分布设计高能声束激励方案。

进一步的，在步骤S4中，在所述非线性时变滞后残余应力闭环调控中，调控未达要求时，可在焊接工艺完成后，继续进行残余应力调控。

由上，残余应力高能声束调控过程是随着调控时间增长而逐渐下降且有缓慢回弹的过程，由于铝合金具有较缓的回弹特性，须对调控过程中残余应力动态变化进行实时监测，同时，将监测到的残余应力变化信号作为高能声束调控的反馈信号，从而实现对铝合金构件内部残余应力定向和量化调控。

可选的，在步骤1中，所述阵列高能声束激励方案至少包括：高能超声激励装置阵列排布方案、高能声束时序参数、超声波模态组合方案。

进一步的，在步骤S3中，在铝合金构件处于焊接工艺的装夹状态下、原位的弹性变形状态时，高能声束激励装置激励出多个模态的超声波，对铝合金构件的表面、表层、法向、板内多个维度残余应力的有效消减、均化和平衡。

可选的，所述高能超声激励装置阵列排布方案至少包括以下之一：

基于环向焊缝的均匀分布排列、基于纵向焊缝的均匀分布排列、基于确定调控位置的分布排列。

由上，由于所述大型三维复杂铝合金构件最终加工程序后体积大，需要在加工过程中逐步消减残余应力，为确保消减过程均匀，不再发生额外变形，高能超声激励装置分别针对环向焊缝、纵向焊缝和确定调控位置的分布排列，确保所述大型三维复杂铝合金构件残余应力的消减和均化以及尺寸形状的稳定性。

可选的，所述高能声束时序参数，至少包括以下之一：

频率、幅度、声束入射方向和聚焦区域内的能量。

由上，高能声束具有一定的声束聚焦指向特性，通过有效调控所述高能声束的频率、幅度、声束入射方向、以及聚焦区域内的能量，将所述高能声束聚焦区域调控在所述大型三维复杂铝合金构件内的指定位置，从而实现在不改变所述大型三维复杂铝合金构件晶格织构和机械物理特性前提下，达到消减和均化残余应力的目的。

可选的，所述超声模态组合方案，至少包括以下之一：

高能纵波、高能横波、表面波和导波。

由上，高能纵波消减和均化沿纵波方向分布的残余应力是最敏感和最有效的；高能横波消减和均化垂直横波传播方向的残余应力是最敏感和有效的；超声表面波对平行方向和法向的残余应力均有消减和均化作用；导波是横波与纵波的叠加波，可以同时对波导构件内部三维方向的残余应力进行消减和均化。

可选的，高能声束入射方向至少包括以下之一：

垂直入射法、楔块斜入射法。

由上，为了实现高能声束无损地注入到大型三维复杂铝合金构件待调控区域，要求高能声束注入方向对齐待调控区位置。高能声束采用垂直入射法适合待调控位置空间水平且适合激励器垂直安装时，高能声束采用楔块斜入射法适合待调控位置空间有一定倾角时。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法的流程图；

图2为大型复杂铝合金舱体低应力焊接示意图；

图3为残余应力的非线性时变滞后调控过程示意图。

图中：1-大型三维复杂铝合金舱体、2-高能声束激励装置、3-高能声束激励装置固定工装。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1至图3所示，以大型三维复杂铝合金舱体1为例对本发明进行说明，本发明提供的大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，其包括以下步骤：

S110、基于大型三维复杂铝合金舱体1的结构、材料特性和焊接残余应力分布设计阵列高能声束激励方案，所述方案内容至少包括：高能超声激励装置阵列排布方案、高能声束时序参数、超声波模态组合方案。其包括以下子流程：

S1110、设计高能超声激励器阵列排布方案。

高能声束激励装置2的排布方案保证大型三维复杂铝合金舱体1焊接残余应力消减过程均匀，不再发生额外变形，至少包括：基于环向焊缝的均匀分布排列、基于纵向焊缝的均匀分布排列、基于确定调控位置的分布排列。

S1120、设计高能声束时序参数，至少包括以下之一：频率、幅度、声束入射方向和聚焦区域内的能量。

通过有效调控高能声束时序参数，保证大型三维复杂铝合金舱体1的待调控区域残余应力逐渐释放，且防止因过调控而导致铝合金材料性能下降的问题。其中，高能声束入射方向保证高能声束无损的注入大型三维复杂铝合金舱体1，高能声束频率和幅度保证待调控区域内能量的定量聚焦。

S1130、设计超声模态组合方案，至少包括以下之一：纵波、横波、表面波和导波。

高能纵波消减和均化沿纵波方向分布的残余应力是最敏感和最有效的；高能横波消减和均化垂直横波传播方向的残余应力是最敏感和有效的；超声表面波对平行方向和法向的残余应力均有消减和均化作用；所述导波是横波与纵波的叠加波，可以同时对波导构件内部三维方向的残余应力进行消减和均化。

S120、大型三维复杂铝合金舱体1基体由工装装置固定。

大型三维复杂铝合金舱体1在焊接工艺进行时可能发生变形，将大型三维复杂铝合金舱体1基体由工装装置固定，确保不发生焊接延迟变形。

S130、基于所设计的高能超声激励器阵列排布方案和激励方案装配激励装置。

高能声束激励装置2通过高能声束激励装置固定工装3固定，保证与大型三维复杂铝合金舱体1紧密接触，高能声束激励装置2与大型三维复杂铝合金舱体1之间充满耦合剂，保证高能声束无损注入待调控位置。

S140、焊接工艺进行时，基于所设计的阵列高能声束激励方案对大型三维复杂铝合金舱体1的待控位置的残余应力实施瞬态消减和均化，并监测大型三维复杂铝合金舱体1焊接残余应力动态变化。其包含步骤S1410的三个子部分：焊接、大型三维复杂铝合金舱体1的残余应力调控和监测大型三维复杂铝合金舱体1的焊接残余应力的动态变化。

S1410、在大型三维复杂铝合金舱体1还处于焊接工艺的装夹状态下时，对大型三维复杂铝合金舱体1的待控位置的残余应力实施瞬态消减和均化，并且实时监测构件焊接残余应力动态变化，将监测到的残余应力变化信号作为高能声束调控的反馈信号，形成非线性时变滞后闭环调控。

S150、判断大型三维复杂铝合金舱体1的焊接残余应力是否满足要求，如果满足，则大型三维复杂铝合金舱体1的低应力焊接工艺结束；如果不满足，则进入步骤S110，基于新的残余应力分布设计消减与均化方案。残余应力的非线性时变滞后调控过程如图3所示。

综上，本实施例基于大型三维复杂铝合金舱体1的结构、材料特性和残余应力分布，确定阵列高能声束排列方案，设计高能声束时序参数和超声波模态组合方案，在大型三维复杂铝合金舱体1还处于焊接工艺的装夹状态下、还处于原位的弹性变形状态时，将高能声束按声束方向注入到材料内部，使大型三维复杂铝合金舱体1内部残余应力随着焊接过程而持续不断地保持低幅度和均匀的平衡状态，使焊接后的构件具有持久的完整性、抗腐蚀能力和保持形状能力，完全满足大型三维复杂铝合金舱体1内部残余应力控制的需要，为一种高效且无损的低应力焊接方法。

因此，本发明的大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，用激励器将高能量弹性波按声束方向注入材料内部，完全可以在室温下和构件处于焊接工艺的装夹状态或原位状态下进行残余应力的消减和均化调控，使其内部残余应力随着焊接过程持续不断地保持低幅度和均匀的平衡状态，使焊接后的铝合金构件具有持久的完整性、抗腐蚀能力和保持形状能力，完全满足大型三维复杂铝合金构件内部残余应力控制的需要。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于铝合金构件的结构、材料特性和残余应力分布，确定阵列高能声束激励方案，

所述阵列高能声束激励方案至少包括：高能超声激励装置阵列排布方案、高能声束时序参数、超声波模态组合方案，

所述超声波模态组合方案为高能纵波和高能横波的叠加波；

S2：采用工装装置对铝合金构件进行固定；

S3：基于步骤S1确定的阵列高能声束激励方案，装配高能声束激励装置，通过高能声束激励装置发出的超声波对铝合金构件的残余应力进行调控；

S4：在铝合金构件的焊接过程中，实时监测铝合金构件的焊接残余应力动态变化，将监测到的残余应力变化信号作为所述高能声束激励装置的反馈信号，形成非线性时变滞后残余应力闭环调控，

在步骤S4中，在所述非线性时变滞后残余应力闭环调控中，判断铝合金构件的残余应力是否满足要求，如果满足，则铝合金构件的低应力焊接工艺结束；如果不满足，则进入步骤S1，基于新的残余应力分布设计高能声束激励方案，

在步骤S4中，在所述非线性时变滞后残余应力闭环调控中，调控未达要求时，可在焊接工艺完成后，继续进行残余应力调控，

在步骤S3中，在铝合金构件处于焊接工艺的装夹状态下、原位的弹性变形状态时，高能声束激励装置激励出多个模态的超声波，对铝合金构件的表面、表层、法向、板内多个维度残余应力的有效消减、均化和平衡。

2.如权利要求1所述的大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，其特征在于，所述高能超声激励装置阵列排布方案至少包括以下之一：

基于环向焊缝的均匀分布排列、基于纵向焊缝的均匀分布排列、基于确定调控位置的分布排列。

3.如权利要求1所述的大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，其特征在于，所述高能声束时序参数，至少包括以下之一：

频率、幅度、声束入射方向和聚焦区域内的能量。

4.如权利要求3所述的大型三维复杂铝合金构件原位低应力焊接方法，其特征在于，高能声束入射方向至少包括以下之一：

垂直入射法、楔块斜入射法。

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