CN112902876A - 拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法 - Google Patents

Abstract

一种拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法，为了精确测量拼焊板薄壁曲面构件旋压成形焊缝偏转角度，完善实验数据，获得重要的成形质量评价指标，方便后续工艺优化和改进，以期提高旋压成形的质量和成形极限，本发明通过测量架，采用所述测量方法实现拼焊板旋压成形薄壁曲面构件焊缝偏转的精确测量，操作较单、效率高、成本低，为旋压成形的拼焊板薄壁曲面构件相关的几何参数测量提供较为精准的测量结果数据，克服了此前依靠目视估测的测量方式带来的误差大，测不准的问题，实现了薄壁曲面构件焊缝偏转角度的精准测量。

Description

拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法

技术领域

本发明涉及薄壁曲面构件旋压成形技术领域，具体是一种金属板材拼焊板旋压成形薄壁曲面构件焊缝偏转角度的测量方法。

背景技术

拼焊板旋压成形技术是将数块相同或不同尺寸、厚度、材质的金属板材采用焊接的方法制成一块拼焊板，再进行整体旋压成形的一种新颖的先进制造技术。采用拼焊板旋压成形技术生产薄壁曲面构件有着显著的优势：工艺工装和模具相对简单，大大减少了专用工艺装备的数量，缩短了生产准备时间和费用；相对于传统的冲压+拼焊的成形制造工艺，拼焊板旋压成形可以克服超宽板材的制造难题，为大型或更大型薄壁曲面构件的研制提供可能的制造工艺方法；可以提高产品设计及成形制造的灵活性、多样性，以满足零件各部位对材质、厚度、涂层以及性能等不同的要求；拼焊板旋压成形工艺还能使拼焊板焊缝处的焊接残余应力分布得到有效的改善，同时还能减少工厂边角料的浪费，因此拼焊板旋压成形技术逐渐被广泛应用，且成为国际轻量化先进制造技术研究热点。

旋压成形过程中，随着旋轮的进给，材料在沿着模具的周向和厚向流动，拼焊板薄壁曲面构件旋压成形过程中焊缝通常会发生不同程度的偏移，最终导致了拼焊板薄壁曲面构件焊缝偏离了初始位置而发生偏转，然而构件的曲面特征给焊缝偏转角度的测量带来了极大困难且无法直接测量，但焊缝偏移角度又是拼焊板旋压成形质量的重要评价指标之一，对于薄壁曲面构件旋压成形质量的评价和工艺优化十分关键。然而由于薄壁曲面构件的外形特征导致焊缝的偏转角度无法直接采用常规的测量方法快速获得。

目前，关于拼焊板旋压成形薄壁曲面构件的焊缝偏转测量架及其使用方法鲜有报道，亟需研究和发展。西北工业大学詹梅等在“卷焊筒流动旋压焊缝偏转预测研究”)《塑性工程学报》，2020，27(07):1-5)中采用数值模拟与实验结合的方法,对卷焊筒流动旋压的焊缝偏转进行了研究，建立了成形参数(减薄率、旋轮进给比、旋轮工作角和圆角半径)与焊缝偏转程度的定量关系,实现了不同成形参数下焊缝偏转程度的预测；然而该研究是针对筒形件旋压焊缝的偏转展开，明显不适用于拼焊板薄壁曲面构件。天津工业大学刘海华等在“横向稳态磁场作用下微束等离子电弧数值分析”(《材料科学与工艺》，2019，27(06):1-6)中分析了外加横向稳态磁场作用下电弧特性与电弧对工件热、力输入的变化规律，发现在外加横向稳态磁场作用下，电弧温度、等离子体速度与电流密度等均发生相应的偏转，进而电弧对工件的热输入减小、压力降低，抑制薄壁件堆焊过程中由于热、力输入过大而产生的“下塌”现象，有利于薄壁件的堆焊成形，显然这里提到的“电弧温度、等离子体速度与电流密度等的偏转”属于微束等离子弧焊工艺中能场参数偏转，并非本发明中的焊缝偏转，有实质性区别。中石化石油机械股份有限公司李建伟等在“直缝埋弧焊管焊缝偏转测量及控制方法研究”(《现代工业经济和信息化》018，8(06):95-97)中从直缝埋弧焊管关键卷制设备入手,借助现场实验,针对性的寻找焊缝纠偏的一般方法和调整方向,并找到一种测量焊缝偏转的方法用以对焊缝纠偏进行现场定量指导，但是该研究主要是针对卷焊筒焊缝偏转问题，不涉及旋压工艺且也不适用对旋压成形的拼焊板薄壁曲面构件焊缝的偏转测量。广东省江门市俭美实业有限公司曹国富等在“电阻焊管焊缝位置的偏转及调控方法”(《焊管》，2016，39(03):61-64)中针对电阻焊焊管生产过程中,焊缝位置保持不变会对圆管尺寸和轧辊寿命产生不良影响的问题,从确保焊管尺寸公差、延长轧辊使用寿命和满足异型管使用要求等方面,分析了焊缝位置调控的必要性并提出了调整焊缝位置的方法，但该研究同样只适用于电阻焊焊管生产，并不涉及旋压成形的拼焊板薄壁曲面构件焊缝偏转的测量。西北工业大学詹梅等在公告号为CN110052524B的发明专利中公开了一种控制卷焊筒流动旋压焊缝偏转的方法及装置,通过尾部约束装置对筒坯流动旋压施加约束,改变成形中应力应变场分布特征,限制周向材料流动,进而控制焊缝偏转,获得直焊缝筒材；然而该发明专利并未涉及焊缝偏转的测量且对象为筒形件，与拼焊板薄壁曲面构件焊缝偏转有实质性区别。桂林狮达机电技术工程有限公司的韦寿祺等在公告号为CN201471078U的实用新型发明专利中公开了一种焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，该实用新型专利涉及焊接技术领域，不属于旋压成形制造领域。

整体来看，上述研究和专利主要是针对筒形件或焊接工艺，与拼焊板薄壁曲面构件旋压成形有本质区别，拼焊板薄壁曲面构件旋压成形中焊缝偏转测量架及其使用方法方面的研究和专利尚缺乏。因此，为了对于薄壁曲面构件旋压成形质量进行完善的评价和工艺的进一步优化，针对拼焊板薄壁曲面构件旋压成形焊缝偏转测量架及其使用方法亟待研究和发展，迫切需要提出一种拼焊板旋压成形薄壁曲面构件焊缝偏转测量架及其使用方法以实现焊缝偏转的精确测量。

发明内容

为克服现有技术中存在的依靠目视估测的测量方式带来的误差大、测不准的不足，本发明提出了一种拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法。

本发明通过对拼焊板旋压成形曲面构件的外表面或内表面的测量以获得焊缝的偏转角度；所述被测工件采用铝合金拼焊板旋压成形，其外形为半球状壳体。该被测工件半球的底部有安装孔；该被测工件半球口部的直径最大。在该被测工件的曲面上有自底部向口部延伸的原始焊缝，并且该原始焊缝的一端与所述口部边缘形成交点K；

具体过程是：

步骤1，测量架装配：

将所述测量架固定在工作台面上；

步骤2，安装被测工件：

将所述被测工件安装在测量架上；

安装所述被测工件时：

若通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件外表面测量焊缝偏转角度，该被测工件底部的安装孔套在测量架的水平固定杆的一端，并通过锁紧螺钉固紧，使该被测工件的口部朝向测量架的竖直支撑板一侧。使所述被测工件上焊缝位于弧底的一端处于水平状态。

若通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件内表面测量焊缝偏转角度，所述被测工件底部的安装孔套在测量架的水平固定杆的一端，并通过锁紧螺钉固紧，使该被测工件的口部朝向激光水平仪一侧；使所述被测工件上焊缝位于弧底的一端处于水平状态。

步骤3，安置激光水平仪：

所述激光水平仪安置在该测量架一侧。

所述激光水平仪与安装在测量架上的被测工件的底表面之间的距离为2m。所述激光水平仪的水平激光线高度与位于被测工件外表面底部的所述焊缝的高度相同。

步骤4，测量焊缝偏转角度：

激光水平仪在被测工件外表面或内表面打出激光线，并在该被测工件的外表面或内表面上标记出该激光线的位置，以得到该激光线与所述被测工件外弧面上原始焊缝之间的相对位置。该激光线与所述被测工件口部边缘之间有交点N。

以所述被测工件底表面圆心为O点，做该O点与所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点K之间的连线，得到该原始焊缝与激光线之间的夹角β，该夹角β为焊缝偏转角。

做所述交点K与交点N之间的连线KN，得到该连线KN的长度l。取该连线KN的中点为H。做O点与连线KN中点H之间的连线，得到△HOK。该△HOK的夹角为α；且有α＝β/2。

通过公式(1)～(3)得到被测工件焊缝偏转角度β。

h＝l/2， (1)

α＝arcsin(h/R)， (2)

β＝2α＝2arcsin(h/R)， (3)

其中：l为连线KN的长度；β为被测工件的焊缝偏转角度；α为1/2的被测工件焊缝偏转角度；h为1/2的连线KN的距离，即△HOK的短直角边HK的边长；R为被测工件口部的直径。

通过公式(1)确定△HOK的短直角边HK的长度为h：其中O点为被测工件底部圆心，H点为直线KN的中心点，K为所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点。

所述测量架的外形呈“凹”字形，包括竖直支撑板、水平固定杆和水平底板，所述的竖直支撑板是整个装置的支撑连接件；在该支撑板一侧表面的上端固定有水平固定杆，下端端面固定有水平底板。所述水平固定杆与水平底板均为悬臂梁结构。

为了精确测量拼焊板薄壁曲面构件旋压成形焊缝偏转角度，完善实验数据，获得重要的成形质量评价指标，方便后续工艺优化和改进，以期提高旋压成形的质量和成形极限，本发明通过测量架，采用所述测量方法实现拼焊板旋压成形薄壁曲面构件焊缝偏转的精确测量，操作较单、效率高、成本低，可以为旋压成形的拼焊板薄壁曲面构件相关的几何参数测量提供较为精准的测量结果数据，克服了此前依靠目视估测的测量方式带来的误差大，测不准的问题。

本发明的有益效果为：由于拼焊板旋压成形的薄壁曲面构件型面复杂，曲率变化大，因而在实际生产过程中难以使用常规测量方法直接获得焊缝的偏转角度，现有技术获取复杂曲面构件焊缝偏转角度主要依靠目视估测的测量方式，对于0°～10°小偏转量，由于焊缝偏转不明显，目测难以辨识而无法测量；对于10°～30°和10°～30°的偏转量，测量误差一般分别为±5°和±10°，且测量精度过于依赖技术人员的经验水平。

本发明通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件焊缝偏转测量架及其使用方法并借助激光水平仪能够方便地安装固定被测工件并很好地配合激光水平仪来准确标定金属板材拼焊板旋压成形后焊缝偏转位置，进而再用本发明提出的测量方法计算出焊缝偏转角度，实现对拼焊板旋压成形的薄壁曲面构件的焊缝偏转角度的精确测量，误差小于误差±0.5°，且对技术人员经验水平要求不高，易于普及，这对于提高金属板材拼焊板旋压成形薄壁曲面构件的成形能力和质量、薄壁曲面构件旋压成形质量完整评价以及拼焊板旋压成形工艺的进一步优化提供了重要的数据支撑和参考，实验证明，本发明实现了薄壁曲面构件焊缝偏转角度的精准测量。

附图说明

图1为本发明中测量架的结构示意图；其中，图1a是主视图，图1b是侧视图，图1c是俯视图。

图2为测量架的轴侧图。

图3为通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件外表面测量焊缝偏转角度时激光水平仪与测量架的位置示意图。

图4为通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件外表面测量焊缝偏转角度时激光水平仪与测量架的位置示意图。

图5为通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件内表面测量焊缝偏转角度时激光水平仪与测量架的位置示意图。

图6为通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件内表面焊缝偏转角度测量时激光水平仪与测量架的位置示意图。

图7为焊缝偏转角度测量计算的原理图。

图8为本发明的流程图。

图中：1.竖直支撑板；2.水平固定杆；3.水平底板；4.锁紧螺钉；5.被测工件；6.被测工件锁紧螺钉；7.构件原始焊缝；8.激光水平仪；9.水平激光线。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件外表面测量焊缝偏转角度的方法。

所述被测工件采用铝合金拼焊板旋压成形，其外形为半球状壳体。该被测工件半球的底部有安装孔；该被测工件半球口部的直径最大，为300mm。在该被测工件的曲面上有自底部向口部延伸的原始焊缝，并且该原始焊缝的一端与所述口部边缘形成交点K。

本实施例的具体过程是：

步骤1，测量架的装配：

将测量架固定在工作台面上。

步骤2，安装被测工件：

以所述拼焊板旋压成形曲面构件作为被测工件。安装所述被测工件5时，该被测工件底部的安装孔套在测量架的水平固定杆2的一端，并通过锁紧螺钉6固紧，使该被测工件的口部朝向测量架的竖直支撑板1一侧。使所述被测工件上焊缝位于弧底的一端处于水平状态。

步骤3，调整激光水平仪的位置：

将所述激光水平仪8安置在该测量架一侧，并使该激光水平仪与所述安装在测量架上的被测工件的底表面之间的距离为2m。所述激光水平仪的水平激光线9高度与位于被测工件外表面底部的所述焊缝的高度相同。

步骤4，测量焊缝偏转角度：

激光水平仪在被测工件外表面打出激光线，并在该被测工件5的外弧面上标记出该激光线的位置，以得到该激光线与所述被测工件外弧面上原始焊缝之间的相对位置。该激光线与所述被测工件口部边缘之间有交点N。

以所述被测工件底表面圆心为O点，做该O点与所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点K之间的连线，得到该原始焊缝与激光线之间的夹角β，即为焊缝偏转角。

做所述交点K与交点N之间的连线KN，该连线KN的长度l为30mm。取该连线KN的中点为H。做O点与连线KN中点H之间的连线，得到△HOK。该△HOK的夹角为α；且有α＝β/2。

通过公式(1)～(3)得到被测工件焊缝偏转角度β。

h＝l/2， (1)

α＝arcsin(h/R)， (2)

β＝2α＝2arcsin(h/R)， (3)

其中：l为连线KN的长度；β为被测工件的焊缝偏转角度；α为1/2的被测工件焊缝偏转角度；h为1/2的连线KN的距离，即△HOK的短直角边HK的边长；R为被测工件口部的直径。

通过公式(1)确定△HOK的短直角边HK的长度为h：其中O点为被测工件底部圆心，H点为直线KN的中心点，K为所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点。

本实施例中，h＝l/2＝30/2＝15mm (1)

通过公式(3)得到△HOK的内角∠HOK：

β＝2α＝2arcsin(h/R)＝2arcsin(15/300)＝2arcsin(1/20)≈6° (3)

所述拼焊板旋压成形薄壁曲面构件的焊缝偏转了6°。

实施例2

本实施例是一种通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件内表面测量焊缝偏转角度的方法。

所述被测工件采用铝合金拼焊板旋压成形，其外形为半球状壳体。该被测工件半球的底部有安装孔；该被测工件半球口部的直径最大，为300mm。在该被测工件的曲面上有自底部向口部延伸的原始焊缝，并且该原始焊缝的一端与所述口部边缘形成交点K。

本实施例的具体过程是：

步骤1，测量架装配：

将所述测量架固定在工作台面上。

步骤2，安装被测工件：

以所述拼焊板旋压成形曲面构件作为被测工件。安装所述被测工件5时，该被测工件底部的安装孔套在测量架的水平固定杆2的一端，并通过锁紧螺钉6固紧，使该被测工件的口部朝向激光水平仪一侧。使所述被测工件上焊缝位于弧底的一端处于水平状态。

步骤3，调整激光水平仪的位置

将所述激光水平仪8安置在该测量架一侧，并使该激光水平仪与所述安装在测量架上的被测工件的底表面之间的距离为2m。所述激光水平仪的水平激光线9高度与位于被测工件内表面底部的所述焊缝的高度相同。

步骤4，测量焊缝偏转角度

激光水平仪在被测工件内表面打出激光线，并在该被测工件5的内弧面上标记出该激光线的位置，以得到该激光线与所述被测工件内弧面上原始焊缝之间的相对位置。该激光线与所述被测工件口部边缘之间有交点N。

以所述被测工件底表面圆心为O点，做该O点与所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点K之间的连线，得到该原始焊缝与激光线之间的夹角β，即为焊缝偏转角。

做所述交点K与交点N之间的连线KN，且距离为l。取该连线KN的中点为H。做O点与连线KN中点H之间的连线，得到△HOK。该△HOK的夹角为α；且有α＝β/2。

所述连线KN的距离l为30mm。通过公式(1)～(3)得到被测工件焊缝偏转角度β。

h＝l/2， (1)

α＝arcsin(h/R)， (2)

β＝2α＝2arcsin(h/R)， (3)

其中：l为连线KN的距离；β为被测工件的焊缝偏转角度；α为1/2的被测工件焊缝偏转角度；h为1/2的连线KN的距离，即△HOK的短直角边HK的边长；R为被测工件口部的直径。

通过公式(1)确定出△HOK的短直角边HK的边长h：其中O点为被测工件底表面圆心，H点为直线KN的中心点，K为所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点。

本实施例中，h＝l/2＝30/2＝15mm (1)

通过公式(1)得到△HOK的内角∠HOK：

β＝2α＝2arcsin(h/R)＝2arcsin(15/300)＝2arcsin(1/20)≈6° (3)

所述拼焊板旋压成形薄壁曲面构件的焊缝偏转了6°。

实施例3

本实施例是一种用于实现所述测量拼焊板旋压成形薄壁曲面构件内表面或外表面焊缝偏转角度的测量架。

所述测量架的外形呈“凹”字形，包括竖直支撑板1、水平固定杆2、水平底板3、锁紧螺钉4和被测工件锁紧螺钉5，以及与之配合使用的激光水平仪8。

所述的竖直支撑板1是整个装置的支撑连接件；在该支撑板一侧表面的上端固定有水平固定杆2，下端端面固定有水平底板3。所述水平固定杆与水平底板均为悬臂梁结构。

在该支撑板与所述水平底板固连的下端面为阶梯状。并且该阶梯的高度与所述水平底板的厚度相同。装配时，将该水平底板防止在该阶梯的表面，并使该水平底板的端面与该阶梯端面贴合；通过锁紧螺钉4将二者固连。

所述水平固定杆2的一端固定在该支撑板上端的侧表面，并使该水平固定杆位于该支撑板宽度方向的中心线上。在该水平固定杆悬臂端的端面有用于安装固定装夹被测工件5的螺孔；所述螺孔的中心线与该水平固定杆的中心线重合。

装配时，将所述的水平底板3放置在工作台面上；将所述竖直支撑板1阶梯端端面与所述的水平底板3有螺孔的一端的端面配合；通过锁紧螺钉4将水平底板3与所述竖直支撑板1固定连接。将所述水平固定杆2无螺钉孔的一端插入所述竖直支撑板1上端的圆孔内。将所述锁紧螺钉4安装在该竖直支撑板1上端面，从而将所述水平固定杆2与竖直支撑板1固定锁紧。

所述测量架通过改变被测工件的安装方式能够实现铝合金拼焊板旋压成形的薄壁曲面构件内/外表面焊缝偏转角度的快捷准确测量。

三个实施例表明，本发明通过所述测量架并配合激光水平仪，能够方便准确地获得铝合金拼焊板旋压成形的薄壁曲面构件焊缝偏转角度，有效地克服了构件曲面带来的难测量、测不准的问题。相对于现有技术中焊缝偏转依靠目视估测的测量方式，本发明能够有效实现对拼焊板旋压成形的薄壁曲面构件的焊缝偏转角度的精确测量。

Claims (5)

1.一种拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法，其特征在于，通过对拼焊板旋压成形曲面构件的外表面或内表面的测量以获得焊缝的偏转角度；所述被测工件采用铝合金拼焊板旋压成形，其外形为半球状壳体；该被测工件半球的底部有安装孔；该被测工件半球口部的直径最大；在该被测工件的曲面上有自底部向口部延伸的原始焊缝，并且该原始焊缝的一端与所述口部边缘形成交点K；

具体过程是：

步骤1，测量架装配：

将所述测量架固定在工作台面上；

步骤2，安装被测工件：

将所述被测工件安装在测量架上；

步骤3，安置激光水平仪：

所述激光水平仪安置在该测量架一侧；

步骤4，测量焊缝偏转角度：

激光水平仪在被测工件外表面或内表面打出激光线，并在该被测工件的外表面或内表面上标记出该激光线的位置，以得到该激光线与所述被测工件外弧面上原始焊缝之间的相对位置；该激光线与所述被测工件口部边缘之间有交点N；

以所述被测工件底表面圆心为O点，做该O点与所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点K之间的连线，得到该原始焊缝与激光线之间的夹角β，该夹角β为焊缝偏转角；

做所述交点K与交点N之间的连线KN，得到该连线KN的长度l；取该连线KN的中点为H；做O点与连线KN中点H之间的连线，得到△HOK；该△HOK的夹角为α；且有α＝β/2；

通过公式(1)～(3)得到被测工件焊缝偏转角度β；

h＝l/2， (1)

α＝arcsin(h/R)， (2)

β＝2α＝2arcsin(h/R)， (3)

其中：l为连线KN的长度；β为被测工件的焊缝偏转角度；α为1/2的被测工件焊缝偏转角度；h为1/2的连线KN的距离，即△HOK的短直角边HK的边长；R为被测工件口部的直径；

通过公式(1)确定△HOK的短直角边HK的长度为h：其中O点为被测工件底部圆心，H点为直线KN的中心点，K为所述原始焊缝与被测工件口部边缘的交点。

2.如权利要求1所述拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法，其特征在于，所述测量架的外形呈“凹”字形，包括竖直支撑板、水平固定杆和水平底板，所述的竖直支撑板是整个装置的支撑连接件；在该支撑板一侧表面的上端固定有水平固定杆，下端端面固定有水平底板；所述水平固定杆与水平底板均为悬臂梁结构。

3.如权利要求1所述拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法，其特征在于，安装被测工件，若通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件外表面测量焊缝偏转角度，所述被测工件底部的安装孔套在测量架的水平固定杆的一端，并通过锁紧螺钉固紧，使该被测工件的口部朝向测量架的竖直支撑板一侧；使所述被测工件上焊缝位于弧底的一端处于水平状态。

4.如权利要求1所述拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法，其特征在于，安装被测工件，若通过拼焊板旋压成形薄壁曲面构件内表面测量焊缝偏转角度，所述被测工件底部的安装孔套在测量架的水平固定杆的一端，并通过锁紧螺钉固紧，使该被测工件的口部朝向激光水平仪一侧；使所述被测工件上焊缝位于弧底的一端处于水平状态。

5.如权利要求1所述拼焊板旋压成形曲面构件焊缝偏转测量方法，其特征在于，所述激光水平仪与所述安装在测量架上的被测工件的底表面之间的距离为2m；所述激光水平仪的水平激光线高度与位于被测工件外表面底部的所述焊缝的高度相同。

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