CN113084379A - 一种焊后残余应力和变形的调控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明首先提供了一种焊后残余应力和变形的调控装置，包括支撑平台及矫形装置，其中：支撑平台，包括工作台和可调整所述工作台位置的X向调整机构和Y向调整机构，焊接件放置在所述工作台上；矫形装置，包括机械矫形机构和可调整所述矫形机构与所述焊接件焊缝相对位置的Z向调整机构。本发明进一步提供了应用所述调控装置进行焊后残应力和变形的调控方法。本发明提供一种焊后残余应力和变形的调控装置及方法，对焊缝进行焊后机械矫形，保证焊缝成型质量的同时，又能保证较高的生产效率和较低的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其是一种焊后残余应力和变形的调控装置及方法。
背景技术
焊接残余应力是普通存在于焊接结构中的一种现象。其分布规律为，在焊缝区域为较高数值的抗应力，在焊缝周围区域为压应力，在距离焊缝较远处接近于0。对于厚大板材或型材，由于结构刚度大、焊接拘束度大，焊缝区域焊后残余拉应力通常可达超过材料屈服强度的水平，严重影响材料和结构服役性能；对于较薄的板材和型材，结构自身刚度小，在焊缝周围区域压应力作用下材料会发生失稳变形，影响结构尺寸精度。
采取合理的工艺措施，可以达到控制焊后残余应力、降低焊后残余变形的效果。常用的残余应力和变形的调控方法可分为3类，分别为焊前预防、随焊控制、焊后校正。焊前预防手段主要包括反变形法和预置应力法，随焊控制手段包括随焊激冷法、随焊锤击法、随焊碾压法等，焊后调校手段包括火焰矫形法、热时效法等。对于焊前预防类措施，可以一定程度上控制焊后变形，但不能降低焊后残余应力；对于随焊控制类措施，设备装置较为复杂，对材料结构尺寸亦有较多限制，且机械的冲击可能影响电弧稳定性、造成熔池飞溅，影响焊缝成形质量。相比之下，焊后校正类方法能够同时调控焊后残余应力和残余变形，不影响焊缝成型质量，设备装置相对简单，在工业生产中应用更为广泛。但现有的焊后校正类方法亦有一定局限性：热时效法和火焰矫形法生产效率低、能源消耗大，大幅提高了生产成本。
针对焊接残余应力和残余变形对产品服役性能和加工制造精度产生的不利影响，亟需开发能够有效调控焊接应力和变形的方法及装置，且既能保证焊缝成型质量，又能保证较高的生产效率和较低的生产成本，有效解决车体制造领域焊接残余应力和变形调控的生产问题，提高车体生产制造水平。
发明内容
本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种焊后残余应力和变形的调控装置及方法，对焊缝进行焊后机械矫形，保证焊缝成型质量的同时，又能保证较高的生产效率和较低的生产成本。
为实现上述目的，本发明首先提供了一种焊后残余应力和变形的调控装置，其技术方案是：
一种焊后残余应力和变形的调控装置，包括支撑平台及矫形装置，其中：
支撑平台，包括工作台和可调整所述工作台位置的X向调整机构和Y向调整机构，焊接件放置在所述工作台上；
矫形装置，包括机械矫形机构和可调整所述矫形机构与所述焊接件焊缝相对位置的Z向调整机构。
进一步的，所述矫形机构包括旋转挤压杆和冲击杆，所述旋转挤压杆和冲击杆被同一动力装置驱动，分别对所述焊接件的焊缝施加Z向机械冲击力和旋转挤压力。
进一步的，动力齿轮与所述动力装置的输出轴固定，摆杆一端与所述冲击杆连接，另一端与传动齿轮组连接并，所述传动齿轮组中的输入齿轮与所述动车齿轮啮合，所述摆杆在所述传动齿轮组的带动下，实现升降运动，对焊缝持续施加冲击力。
进一步的，摆杆轴承与所述输入齿轮的输出轴倾斜固定，摆杆设置在所述摆杆轴承的滑槽内，所述输入齿轮带动摆杆轴承运动，使摆杆沿所滑槽直线升降。
进一步的，所述摆杆通过活塞与所述冲击杆连接。
进一步的，所述传动齿轮组还包括输出齿轮，旋转轴齿轮与所述输出齿轮啮合，所述旋转挤压杆与所述旋转轴齿轮的输出轴固定。
进一步的，加热装置设置在所述工作台处，包括分设在所述焊缝两侧的加热带以及控制所述加热带加热温度的温度传感器和温度控制箱。
根据本发明的发明目的，本发明进一步提供了一种焊后残余应力和变形的调控方法，采用如下技术方案：
一种焊后残余应力和变形的调控方法，焊接件放置在工作台上，通过X向调整机构和Y向调整机构，调整焊接件的焊缝与矫形装置的旋转挤压杆和冲击杆相对，通过Z向调整机构使旋转挤压杆与焊缝压合，工作台上的加热装置对焊缝区域加热到预定温度区间后，所述冲击杆匀速对焊缝施加Z向冲击力，使其发生充分的塑性变形，降低降余应力和变形，再利用放置挤压杆对已经受Z向冲击力的焊缝施加Z向旋转挤压力，使焊缝塑性变形均匀化，达到焊缝应力分布均匀，提高成形质量。
进一步的，所述预定温度为焊接材料的最佳加热温度区间，依据材料高温力学曲线选取。
进一步的，根据材料高温力学曲线，选择材料强度相对较低、延伸率相对较高的温度区间，所述温度区间避开材料屈服强度过低及材料脆性的温度范围。
进一步的，所述工作台在X向调整机构或Y向调整机构的带动下匀速运动，使所述矫形装置对整条焊缝进行调控操作，且所述冲击杆在焊缝上的相邻冲击点中，有40％-60％的重合。
综上所述，本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置和方法，与现有技术相比，具有如下优势：
1.利用包括两组陶瓷加热带的加热装置对焊缝附近区域加热至一定温度，然后利用包括冲击杆和旋转挤压杆在内的冲击挤压装置对焊缝处分别施加冲击力和挤压力，使焊缝金属产生塑性流动，即可达到控制焊后残余应力和残余变形的效果；
2.相比于传统热时效法，所需加热温度、保温时间大幅降低，所需加热温度比热时效法低100℃至200℃，保温时间约为热时效法1/20，生产效率大幅提高，能源消耗大幅降低；
3.相比于传统的焊后锤击法，处理后的焊接工件残余应力分布更加均匀，且材料微观组织和力学性能不发生恶化，疲劳强度和疲劳寿命均得到一定程度提高；
4.相比于传统的碾压法，对设备压力吨位要求大幅降低，所需设备压力吨位约为碾压法的1/5至1/10，大幅降低生产成本；
5.相比于随焊控制类方法，设备装置得到简化，对焊缝成形和焊接质量无不良影响；
6.装置结构较为简单、制造成本低、操作简便易行，可用于多种材质焊后的消应力、防变形处理工艺；
7.进行机械矫形时，冲击杆在前，旋转挤压杆在后，冲击杆先作用于焊缝，主要起消除焊缝残余应力和残余变形的作用，旋转挤压杆后作用于焊缝，主要起到均匀化焊缝区应力场、提高焊接接头疲劳强度的作用。
附图说明：
图1：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置结构示意图；
图2：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置中支撑平台结构示意图；
图3：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置中Z向调整机构结构示意图；
图4：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置矫形装置结构示意图(无Z向调整机构)；
图5：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置中冲击杆与焊缝作用状态示意图；
图6：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置中旋转挤压杆与焊缝作用状态示意图；
图7：本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调整方法中的材料高温力学性能曲线；
其中，刚性构架1，支撑平台2，焊接件3，加热装置4，矫形装置5，Z向调整机构6，升降安装座7，工作台支撑座8，立向支撑座9，丝杆齿轮10，伺服电机11，电机齿轮12，手轮13，Y向位移平台14，丝杆15，工作台16，Z向位移座17，Z向位移板18，电机19，电机齿轮20，旋转轴齿轮21，旋转轴22，旋转轴套23，旋转挤压杆24，摆杆传动轴25，输入齿轮26，摆杆轴承件27，输出齿轮28，活塞29，活塞套30，冲击杆31，摆杆32。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明首先提供了一种焊后残余应力和变形的调控装置，包括支撑平台2及矫形装置5，其中：
支撑平台2，包括工作台16和可调整工作台16位置的X向调整机构和Y向调整机构，焊接件3放置在工作台16上；
矫形装置5，包括机械矫形机构和可调整矫形机构与焊接件3焊缝相对位置的Z向调整机构。
如图1至图4所示，本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置，支撑平台2通过立向支撑座9与刚性构架1固定，包括工作台16和调整机构，调整机构包括Z向调整机构和Y向调整机构，可带动工作台16做X、Y两个方向的调整，调整焊接件3的位置。如图2所示，Y向调整机构包括与立向支撑座9固定的工作台支撑座8和Y向位移平台14，Y向位移平台14与工作台支撑座8之间设置配套的燕尾槽-丝杠结构，丝杆15的端部与手轮13固定，可通过旋转手轮13，丝杆15运动。X向调整机构包括工作台16，工作台16的底部与Y向位移平台14之间同样设置配套的燕尾槽-丝杠结构，丝杆15同样通过端部固定手轮调节，带动工作台16实现Y向平移，进一步的，工作台16处的丝杆15也可在伺服电机11的驱动下带动工作台16的Y向移动。前文所述的两套配套的燕尾槽-丝杠结构，相互垂直，以实现Y向和X向平移。在本实施例中，丝杆15与工作台16通长，一端与手轮13固定，另一端与伺服电机11固定，使丝杆15可同时通过手动和电动两种方式实现工作台16的Y向平移。如图2所示，电机齿轮12与伺服电机11的输出轴固定，丝杆齿轮10的中心轴与丝杆15的端部螺纹连接，同时与电机齿轮12啮合，伺服电机11动作，通过相互啮合的两个齿轮，带动丝杆15、工作台16做直线运动。
焊接件3放置在工作台顶面上，在Y向和X向调整机构的带领下，调整焊接件3水平方向上的二维位置。在工作台16的顶面处设置有加热装置4，加热装置4可为电加热带等常规加热器件，铺设在工作台16表面，在本实例中，加热装置4采用陶瓷加热带，铺设在工作台16表面，也可在工作台16的表面设置安装槽，陶瓷加热带铺设在安装槽内，顶面与工作台16顶面平齐，焊接件3的焊缝放置在陶瓷加热带范围内，由陶瓷加热带对焊接件3的焊缝进行加热。在本实施例中，加热装置4包括两组或更多组陶瓷加热带，分别铺设在焊缝的两侧，陶瓷加热带通过温度传感器和温度控制箱实现对焊缝区域加热温度的精确控制。
矫形装置5包括机械矫形机构和Z向调整机构，如图1所示，Z向调整机构固定在升降安装座7的顶部，升降安装座7的底部固定在刚性构架1上。如图3所示，Z向调整机构的Z向位移板18与升降安装座7固定，Z向位移座17与Z向位移板18设置配套的燕尾槽-丝杠结构，丝杆15与Z向位移座17固定，丝杆15的端部与手轮13固定，通过旋转手轮13，驱动丝杆15带动Z向位移座17升降运动。机械矫形机构通过连杆与Z向位移座17固定。
如图4所示，在本实施例中，矫形机构包括旋转挤压杆24和冲击杆31，分别对焊缝进行旋转挤压和机械冲击两种方式的机械矫形和应力消除。电机19的输出轴与电机齿轮20的中心轴固定，冲击杆31通过传动齿轮组与电机齿轮20连接，通过传动齿轮组将电机齿轮20的转动转换成可带动冲击杆31直线运动驱动力。传动齿轮组包括输入齿轮26和输出齿轮28，输入齿轮26和输出齿轮28分别固定在摆杆传动轴25的两端，输入齿轮26与电机齿轮20啮合，在输入齿轮26和输出齿轮28中间位置的摆杆传动轴25上套设摆杆轴承件27，如图4所示，摆杆轴承件27在摆杆传动轴25上倾斜设置，且在摆杆轴承件27上设置滑槽(图中未示出)，摆杆32一端嵌装在滑槽内，另一端与冲击杆31直接连接，或如图4所示，通过活塞29与冲击杆31连接，活塞29的输出轴与冲击杆31连接，为冲击杆31提供额定的冲击力。活塞29外设活塞套30，保护活塞2整体结构及活塞29与冲击杆31的连接结构的同时，限定冲击杆31的运行方向，使摆杆的旋转运动转换成冲击杆31的直线升降运动。
为节约能源，旋转挤压杆24也由电机19同步驱动，如图4所示，旋转轴齿轮21与输出齿轮28啮合，旋转挤压杆24与输出齿轮28的中心轴固定，或旋转挤压杆24通过旋转轴22与输出齿轮28的中心轴处固定，旋转挤压杆24与旋转轴22连接处设置旋转轴套23，同样的，旋转轴套23可保护旋转挤压杆24及旋转轴22的整体结构及连接处的结构，并限定旋转挤压杆24的运动方向。
如图1所示，电机19、传动齿轮组、旋转轴齿轮21、活塞29、摆杆32、摆杆轴承件27等部件设置在壳体内，壳体进一步限定活塞套30的位置，确保冲击杆31的运行方向。旋转挤压杆24和冲击杆31穿出壳体外，对焊缝进行机械矫形和消除应力。
如图6所示，冲击杆31端部加工成外凸的球状，以确保冲击杆31端部作用在焊缝上，对焊缝金属进行充分的延展。冲击杆31端部几何尺寸应满足：直径D1应不小于焊缝宽度B的1.5倍(D1≥1.5B)，曲率半径应不小于20mm。
如图7所示，旋转挤压杆24端部加工成带有过渡圆角的平面形状，以确保旋转挤压杆24端部能够作用在整个焊缝上，对焊缝金属进行充分的延展确保焊缝成型。旋转挤压杆24端部几何尺寸应满足：直径D2应不小于焊缝宽度B的1.5倍(D2≥1.5B)，曲率半径应不小于3mm。
在进行焊缝处的矫形和应力消除时，首先对焊缝区域加热至预定温度，然后在此温度下对焊缝金属分别施加z方向机械冲击力和旋转挤压力。其中Z向冲击力的效果是使焊缝金属产生塑性流动，改变材料晶格间距，从而达到释放应力、降低变形的效果；旋转挤压力的效果是改善焊缝表面成型，使焊缝区域应力分布均匀化，并提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命。
具体的，将焊接件3放置在工作台16上，确保焊缝位于两组陶瓷加热带之间，利用两片加热带对焊缝区域加热至预定温度，使材料强度降低，塑性和韧性提高，焊缝加热时预定温度的最佳加热温度，可依据该材料高温力学性能曲线来选取，如图7所示的材料高温力学性能曲线，具体包含温度-延伸率曲线、温度-拉伸强度曲线和温度-屈服强度曲线。温度-延伸率曲线，反映的是材料延伸率随温度变化的关系曲线，延伸率为反映材料塑性和韧性的指标，延伸率越大，材料塑性和韧性越高。一般地，温度升高，材料延伸率增加，材料塑性和韧性变好，材料塑性变形能力越大，塑性变形过程中越不容易形成缺陷。温度-屈服强度曲线，反映的是材料屈服强度随温度变化的关系曲线，屈服强度为反映材料塑性变形抗力的指标。一般地，温度升高，材料屈服强度降低，材料越容易发生塑性变形。此外，当温度升高时，材料弹性模量降低，在同样大小力的作用下材料变形增加，亦有利于发生塑性变形。因此，对材料加热，材料屈服强度、弹性模量降低，延伸率升高，材料更容易发生塑性变形，减少弹性变形，达到释放残余应力、降低残余变形的效果。
对加热温度的选择需要考虑三个因素：其一，要选择材料强度相对较低、延伸率相对较高的温度区间；其二，应避免选择材料屈服强度过低的温度范围，以免冷却过程中材料弹性恢复形成新的应力场；其三，应避免选择材料脆性温度范围，即延伸率在200℃至300℃发生下降的温度区间。
当焊缝达到预定温度后，通过旋转矫形装置5处的手轮13，带动此处丝杆15转动，即可实现Z向位移板18沿Z轴方向运动，实现对矫形装置5高度方向的精确调节。电机齿轮20与摆杆传动输入齿轮26相啮合，将电机19转矩传递至摆杆传动轴25，带动摆杆轴承21旋转，由于冲击杆31、活塞套30等部件设置在壳体内，限制了冲击杆31的移动方向，迫使摆杆32沿摆杆轴承件21的滑槽运动，从而摆杆轴承件21转动带动摆杆活塞29和冲击杆32做往复升降运动，实现对焊接工件焊缝处施加冲击力；摆杆传动输出齿轮28和旋转轴齿轮21相啮合，带动旋转轴22和旋转挤压杆24做旋转运动，实现对焊接件3焊缝处施加挤压力和切应力，最终达到降低焊缝残余应力、控制残余变形和提高接头疲劳强度的效果。
应先利用冲击杆5-13对焊缝金属施加Z向冲击力，使其发生充分的塑性变形，从而大幅降低残余应力和残余变形；再利用旋转挤压杆5-6对焊缝金属施加Z向挤压力，使焊缝塑性变形均匀化，从而达到使焊缝应力分布均匀化，改善焊缝表面成形质量，提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命的目的。
在进行冲击和旋转挤压时，冲击杆的冲击频率一般不低于10Hz，作用力不小于5KN；旋转挤压杆的转速一般为100-250r/min，挤压力一般不小于3KN；在进行矫形时，伺服电机11通过丝杆15带动工作台16Y向匀速移动，行进速度一般为100-250mm/min，行进速度可根据冲击频率、冲击杆31和旋转挤压杆24的作用力等参数来确定，确保相临的2个冲击点有50％以上的重合度。具体参数，应根据被作用的试板材质和厚度，并通过试验来确定。对于强度级别较高或者厚度较大的焊接试板，可采用多次往复作用的方法，直至焊接变形量的调控效果满足要求为止。
综上所述，本发明提供的一种焊后残余应力和变形的调控装置和方法，与现有技术相比，具有如下优势：
1.利用包括两组陶瓷加热带的加热装置对焊缝附近区域加热至一定温度，然后利用包括冲击杆和旋转挤压杆在内的冲击挤压装置对焊缝处分别施加冲击力和挤压力，使焊缝金属产生塑性流动，即可达到控制焊后残余应力和残余变形的效果；
2.相比于传统热时效法，所需加热温度、保温时间大幅降低，所需加热温度比热时效法低100℃至200℃，保温时间约为热时效法1/20，生产效率大幅提高，能源消耗大幅降低；
3.相比于传统的焊后锤击法，处理后的焊接工件残余应力分布更加均匀，且材料微观组织和力学性能不发生恶化，疲劳强度和疲劳寿命均得到一定程度提高；
4.相比于传统的碾压法，对设备压力吨位要求大幅降低，所需设备压力吨位约为碾压法的1/5至1/10，大幅降低生产成本；
5.相比于随焊控制类方法，设备装置得到简化，对焊缝成形和焊接质量无不良影响；
6.装置结构较为简单、制造成本低、操作简便易行，可用于多种材质焊后的消应力、防变形处理工艺；
7.进行机械矫形时，冲击杆在前，旋转挤压杆在后，冲击杆先作用于焊缝，主要起消除焊缝残余应力和残余变形的作用，旋转挤压杆后作用于焊缝，主要起到均匀化焊缝区应力场、提高焊接接头疲劳强度的作用。
如上所述，结合所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (11)
1.一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：包括支撑平台及矫形装置，其中，
支撑平台，包括工作台和可调整所述工作台位置的X向调整机构和Y向调整机构，焊接件放置在所述工作台上；
矫形装置，包括机械矫形机构和可调整所述矫形机构与所述焊接件焊缝相对位置的Z向调整机构。
2.如权利要求1所述的一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：所述矫形机构包括旋转挤压杆和冲击杆，所述旋转挤压杆和冲击杆被同一动力装置驱动，分别对所述焊接件的焊缝施加Z向机械冲击力和旋转挤压力。
3.如权利要求2所述的一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：动力齿轮与所述动力装置的输出轴固定，摆杆一端与所述冲击杆连接，另一端与传动齿轮组连接并，所述传动齿轮组中的输入齿轮与所述动车齿轮啮合，所述摆杆在所述传动齿轮组的带动下，实现升降运动，对焊缝持续施加冲击力。
4.如权利要求3所述的一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：摆杆轴承与所述输入齿轮的输出轴倾斜固定，摆杆设置在所述摆杆轴承的滑槽内，所述输入齿轮带动摆杆轴承运动，使摆杆沿所滑槽直线升降。
5.如权利要求3所述的一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：所述摆杆通过活塞与所述冲击杆连接。
6.如权利要求3所述的一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：所述传动齿轮组还包括输出齿轮，旋转轴齿轮与所述输出齿轮啮合，所述旋转挤压杆与所述旋转轴齿轮的输出轴固定。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种焊后残余应力和变形的调控装置，其特征在于：加热装置设置在所述工作台处，包括分设在所述焊缝两侧的加热带以及控制所述加热带加热温度的温度传感器和温度控制箱。
8.一种焊后残余应力和变形的调控方法，其特征在于：焊接件放置在工作台上，通过X向调整机构和Y向调整机构，调整焊接件的焊缝与矫形装置的旋转挤压杆和冲击杆相对，通过Z向调整机构使旋转挤压杆与焊缝压合，工作台上的加热装置对焊缝区域加热到预定温度区间后，所述冲击杆匀速对焊缝施加Z向冲击力，使其发生充分的塑性变形，降低降余应力和变形，再利用放置挤压杆对已经受Z向冲击力的焊缝施加Z向旋转挤压力，使焊缝塑性变形均匀化，达到焊缝应力分布均匀，提高成形质量。
9.如权利要求8所述的一种焊后残余应力和变形的调控方法，其特征在于：所述预定温度为焊接材料的最佳加热温度区间，依据材料高温力学曲线选取。
10.如权利要求9所述的一种焊后残余应力和变形的调控方法，其特征在于：根据材料高温力学曲线，选择材料强度相对较低、延伸率相对较高的温度区间，所述温度区间避开材料屈服强度过低及材料脆性的温度范围。
11.如权利要求8所述的一种焊后残余应力和变形的调控方法，其特征在于：所述工作台在X向调整机构或Y向调整机构的带动下匀速运动，使所述矫形装置对整条焊缝进行调控操作，且所述冲击杆在焊缝上的相邻冲击点中，有40％-60％的重合。
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