CN114101912A - 一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法 - Google Patents

一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法 Download PDF

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CN114101912A CN202210084734.7A CN202210084734A CN114101912A CN 114101912 A CN114101912 A CN 114101912A CN 202210084734 A CN202210084734 A CN 202210084734A CN 114101912 A CN114101912 A CN 114101912A
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Abstract

本发明提供一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法，所述装置由支撑部、电阻丝、环形锁套等部件组成，所述方法包括：在焊接前将一所述装置置于待焊接薄壁圆筒的筒体内壁，将所述装置内嵌的电阻丝通电后，所述支撑部和环形锁套吸收来自电阻丝传递的热量同时产生向外和向内的膨胀，膨胀后的所述装置使薄壁圆筒结构在圆周方向上产生变形，进而在焊接前使筒体结构内部形成一定大小的预环向拉应力作为焊接辅助应力，所述预环向拉应力与焊接中的动态应力进行耦合叠加，使焊接后的薄壁圆筒的焊接残余压应力低于其临界失稳应力，消除失稳变形，从而控制薄壁圆筒环缝焊接变形。

Description

一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法
技术领域
本发明涉及薄壁圆筒环焊技术领域，特别涉及一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法。
背景技术
在追求轻量化的时代，金属薄壁结构件逐渐被众多行业所选择，如食品加工用的不锈钢搅拌容器、自来水输送用的不锈钢管道以及建筑幕墙用的薄壁板材等，但薄壁结构件在焊接中易产生较大的波浪状焊接变形。这种较大焊接变形将会带来诸多问题和危害，若薄壁结构件应用在先焊接后配合工况中，将严重影响结构的精度，使其在有平面度、圆度等较高精度要求的需求中无法完成安装和使用，会造成材料的浪费和投入成本的提高，若薄壁结构件应用在先配合后焊接的工况中，焊接变形会使结构出现焊接不良且内应力分布不均的问题，在后期服役过程中往往会导致结构失效而无法正常工作，若失效发生在化工、海洋、航天等关键部位中，则会带来巨大的安全隐患。因此，薄壁结构件在焊接中如何降低焊接残余应力、控制焊接变形成为目前亟需解决的技术难题。
在传统的控制焊接变形的方法中大多采用焊后矫正，比如焊后碾压法、辊矫法、锤击法等，但这些方法对装置的要求较高，当筒口结构复杂时很难实施，主要应用在厚板角焊缝的焊接变形控制中，对于薄壁结构件焊接变形控制并不适用，同时这些方法对焊接产生的翘曲变形并不能从根本上消除，而是施加外力后结构中的变形发生了相对转移。焊接结构产生翘曲变形的根本原因是焊后构件中残余压应力大于结构的临界失稳应力，使结构发生失稳，进而产生焊接变形。因此控制焊接结构件变形的核心是从根源上降低焊接残余压应力，需要在结构件随焊过程中对其进行变形控制，这将大幅降低结构件焊后的残余压应力水平，消除其失稳变形，进而达到控制焊接变形的目的。
目前，在随焊过程控制结构焊接变形的方法中主要有随焊气体冷却法、随焊冲击法、随焊超声激振法等，这些焊接辅助方法均能在一定程度上降低不锈钢薄壁结构的焊后残余应力，使焊后焊接变形减小，但焊后残余应力降低的幅度及控制焊后变形的程度并不能得到高准确性的定量控制，并且以上随焊变形控制方法更易应用在薄壁平板焊接结构中，而对于圆度、同心度等参数要求较高的薄壁圆筒形结构的焊后变形中控制效果不佳，虽然薄壁圆筒焊接前可在内壁放置陶瓷类支撑结构辅助焊接，但该类方法仅能在装配中起到固定支撑的作用，不能从根本上降低结构焊后残余应力，使其低于临界失稳应力，当支撑取出后同样会恢复之前的变形。因此，针对薄壁圆筒焊接结构变形难控制的难题，急需开发出一种控制薄壁圆筒焊接变形的新方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法，采用力场辅助与热场辅助相结合的形式，不仅能在焊前对薄壁圆筒结构进行支撑固定，同时还能受热膨胀变形使筒体产生一定大小的预环向拉应力，也即焊接辅助应力，通过控制装置膨胀量的大小来定量降低焊接瞬态应力及残余应力，能够有效消除薄壁圆筒形结构失稳变形，达到控制其焊后变形的目的。
第一方面，本发明提供了一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置，包括：
一支撑部，所述支撑部为圆环形，所述支撑部的外径与待焊接薄壁圆筒内筒的内径相匹配；所述支撑部内侧设置有若干条平行设置的环形凹槽，每一环形凹槽内容置有一电阻丝，所述支撑部外侧沿周向设置有一环形激光吸收槽，用于吸收薄壁圆筒环缝焊接时的激光束；
两环形锁套，分别从所述支撑部的两端面插入所述支撑部内侧，与所述支撑部内表面配合并分别锁紧于所述支撑部的两端面，用于将所述电阻丝固定于所述支撑部的环形凹槽内。
进一步地，两所述环形锁套与所述支撑部通过若干个紧固螺栓分别与所述支撑部两端面固定锁紧。
进一步地，所述环形锁套设置有通孔，所述电阻丝的两接头通过所述通孔与外部带能源导线相连。
进一步地，所述支撑部与所述环形锁套为金属材质。
第二方面，本发明提供了一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的方法，需提供第一方面所述的装置，包括：
在焊接前将一所述装置置于待焊接薄壁圆筒的筒体内壁，将所述装置内嵌的电阻丝通电后，所述支撑部和环形锁套吸收来自电阻丝传递的热量同时产生向外和向内的膨胀，膨胀后的所述装置使薄壁圆筒结构在圆周方向上产生环向应变，进而在焊接前使筒体结构内部形成一定大小的预环向拉应力作为焊接辅助应力，所述预环向拉应力与焊接中的动态应力进行耦合叠加，使焊接后薄壁圆筒的焊接残余压应力低于其临界失稳应力，消除失稳变形，从而控制薄壁圆筒环缝焊接变形。
进一步地，装置工作时装置使薄壁圆筒结构产生的预环向拉应力大小由外部通电装置进行动态定量控制。
进一步地，所述预环向拉应力的计算方法为：
设所述装置的电阻丝的截面半径为r 0，电阻丝圆环中径为D 0，n表示电阻丝的数量，则每个电阻丝圆环周长L为：
Figure 546295DEST_PATH_IMAGE001
（1）
电阻丝的截面积S为：
Figure 533842DEST_PATH_IMAGE002
（2）
设电阻丝的电阻率为ρ，则装置内置的电阻值R n 为：
Figure 367937DEST_PATH_IMAGE003
（3）
设流经电阻丝的直流电流大小为I，根据焦耳定律，电阻丝产生的热量Q为：
Figure 776571DEST_PATH_IMAGE004
（4）
式中，t为电阻丝通电时间；
设装置吸收的热量为Q 1 ，由温度与热量的关系式：
Figure 123239DEST_PATH_IMAGE005
（5）
式中，c为比热容，m为质量，T 0 为初始温度，T为装置加热后的温度，k为热量转化效率，则装置的温升变化量为：
Figure 83236DEST_PATH_IMAGE006
（6）
吸收热量Q 1后装置的温度：
Figure 517760DEST_PATH_IMAGE007
（7）
因装置受热后外径向外膨胀，内径向内膨胀，设膨胀前装置的内径为
Figure 496080DEST_PATH_IMAGE008
、外径为
Figure 233223DEST_PATH_IMAGE009
，膨胀后装置的内径为
Figure 5482DEST_PATH_IMAGE010
、外径为
Figure 368330DEST_PATH_IMAGE011
，则膨胀前装置的中径为
Figure 217469DEST_PATH_IMAGE012
，膨胀后装置的中径为
Figure 374781DEST_PATH_IMAGE013
，以装置的中径作为基础进而求出装置受热后的中径环向膨胀量为：
Figure 840528DEST_PATH_IMAGE014
（8）
又热膨胀量为
Figure 803805DEST_PATH_IMAGE015
（9）
则装置支撑的环向膨胀量与装置电流的关系：
Figure 976292DEST_PATH_IMAGE016
（10）
式中，
Figure 570084DEST_PATH_IMAGE017
为材料的线膨胀系数，单位mm/℃；
因降低焊接残余应力起作用的为装置的外径，根据上式求得装置的外径环向膨胀量为：
Figure 710078DEST_PATH_IMAGE018
（11）
装置加热后中径环向膨胀的名义应变为：
Figure 687831DEST_PATH_IMAGE019
（12）
装置外径环向膨胀的名义应变为：
Figure 291988DEST_PATH_IMAGE020
（13）
装置的环向应变可用真实应变表示如下：
Figure 807414DEST_PATH_IMAGE021
（14）
式中，l 0为装置初始的环向周长，l 1为装置膨胀后的环向周长，Δl为装置环向膨胀量，ε为装置环向膨胀的名义应变；
故装置中径的环向真实应变为：
Figure 700283DEST_PATH_IMAGE022
（15）
装置外径的环向真实应变为：
Figure 959358DEST_PATH_IMAGE023
（16）
因此装置受热膨胀后在中径处产生的环向真实应力表示为：
Figure 886862DEST_PATH_IMAGE024
（17）
装置外径处产生的环向真实应力，也即预环向拉应力，表示为：
Figure 822457DEST_PATH_IMAGE025
（18）
式中，E为材料的弹性模量；
受热膨胀后装置的外径由环中心向外的膨胀量为：
Figure 218935DEST_PATH_IMAGE026
（19）
装置外径沿径向方向膨胀的名义应变为：
Figure 265388DEST_PATH_IMAGE027
（20）
装置外径沿径向方向膨胀的真实应变为：
Figure 60781DEST_PATH_IMAGE028
（21）
则装置膨胀后在外径处产生的真实径向应力，也即预径向应力为：
Figure 698436DEST_PATH_IMAGE029
（22）。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、根据薄壁结构焊后残余应力分布规律以及控制焊后变形的机理，从力学辅助与热场辅助相结合的角度出发，提出并设计了一种新型的控制薄壁圆筒结构环缝焊接变形的装置和方法，通过控制装置膨胀量的大小来定量降低焊接瞬态应力及残余应力，能够有效消除薄壁圆筒形结构失稳变形，达到控制其焊后变形的目的；
2、工作时装置使薄壁圆筒结构产生的预环向拉应力大小可由外部通电装置进行动态定量控制，能实现对结构焊后残余应力降低水平的控制；
3、在焊接过程中装置恒温保持，使薄壁圆筒焊缝金属能够在恒定温度下充分流动，有助于焊缝成形并获得良好的焊缝组织；所用焊接类型为高能量密度的激光焊接，利用激光焊接的优点，可以获得深而窄的焊缝，并且热影响区较小，焊接变形的趋势较小，易于薄壁件焊后变形控制。
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它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例镶嵌式薄壁圆筒激光焊接平台示意图；
图2为本发明实施例镶嵌式薄壁圆筒焊接结构示意图；
图3为现有技术中镶嵌式薄壁圆筒焊后变形示意图；
图4为现有技术中薄壁圆筒结构常规焊焊后残余应力分布图；
图5为现有技术中薄壁圆筒焊后焊缝区域任一横截面变形示意图；
图6为本发明实施例镶嵌式薄壁圆筒激光焊接变形控制原理图；
图7为图6的A-A截面变形前后示意图；
图8为本发明实施例装置的立体结构示意图；
图9为本发明实施例装置的截面结构示意图
图10为本发明实施例装置的支撑部立体结构示意图；
图11为本发明实施例装置产生环向辅助应力示意图；
图12为本发明实施例装置产生径向辅助应力示意图；
图13为本发明实施例常规条件与辅助应力条件下的薄壁圆筒焊后残余应力分布示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置及方法，采用力场辅助与热场辅助相结合的形式，不仅能在焊前对薄壁圆筒结构进行支撑固定，同时还能受热膨胀变形使筒体产生一定大小的预环向拉应力，通过控制装置膨胀量的大小来定量降低焊接瞬态应力及残余应力，能够有效消除薄壁圆筒形结构失稳变形，达到控制其焊后变形的目的。
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：
本专利探索并发明了一种控制镶嵌式薄壁圆筒环缝焊接变形的新方法及装置，该装置采用力场辅助与热场辅助相结合的形式，不仅能在焊前对薄壁圆筒结构进行支撑固定，同时还能受热膨胀变形使筒体产生一定大小的预环向拉应力，也即焊接辅助应力，通过控制装置膨胀量的大小来定量降低焊接瞬态应力及残余应力，能够有效消除薄壁圆筒形结构失稳变形，达到控制其焊后变形的目的。
本专利是针对薄壁圆筒环缝焊接结构件提出的一种控制结构焊后变形的新方法，并设计了控制薄壁焊后变形的装置，主要应用于激光焊、电子束焊等高能量密度的焊接场景中，为保证薄壁圆筒焊接操作的可行性及安全性，搭建了如图1所示的薄壁圆筒激光焊接操作平台，其中，101为筒体夹持结构，102为激光器，103为激光器支架，200为镶嵌式薄壁圆筒，300为热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置（后统一称作控制装置）。在焊接之前首先将控制装置沿薄壁筒体内壁置于待焊位置处，其次打开外部通电装置，控制装置因内嵌电阻丝的加热而发生膨胀变形，进而对薄壁圆筒起到固定支撑的同时使结构产生一定大小的预环向拉应力，也即焊接辅助应力。在焊接时筒体由夹持装置固定呈水平方向放置，夹持装置带动筒体进行正反转圆周运动，其旋转的方向及速度由所连接的伺服电机控制。基于安全考虑，防止激光反射对人体的损伤，使筒体焊接所用的激光器呈竖直布置，从上到下打到薄壁圆筒待焊位置处，激光器的功率、出光频率等焊接参数要与圆筒旋转的速度相匹配。在施焊过程中控制装置一直处于恒温保持状态，可使薄壁圆筒焊缝金属能够在恒定温度下充分流动，有助于焊缝成形并获得良好的焊缝组织，当焊接完成后控制装置冷却收缩至初始状态时，将控制装置从薄壁筒体内壁取出。
本专利以镶嵌式薄壁圆筒结构件为例展开焊后变形控制新方法的阐述，该结构如图2所示，薄壁内筒外径与薄壁外筒的内径相同，壁厚均为1～2mm，装配时将薄壁内筒嵌入到外筒内部，使内外筒间存在一定宽度的重叠区域，待焊位置选为两者重叠区域的中心。在无任何外部辅助作用下，常规焊接中镶嵌式薄壁筒体易出现较大的焊接变形，如图3所示。此外，除实施例中的镶嵌式薄壁圆筒结构件以外，本专利的方法与装置同样也可应用于同直径下的薄壁圆筒对接焊的工艺需求中。
下面对薄壁圆筒产生变形的机理进行阐述，薄壁圆筒结构常规焊焊后的残余应力分布如图4所示，在焊缝区域附近产生较大的残余拉应力
Figure 316630DEST_PATH_IMAGE030
，由于结构整体内应力处于平衡状态，因此在焊缝两侧较远区域产生残余压应力
Figure 432354DEST_PATH_IMAGE031
，当结构中的残余压应力大于薄壁焊接结构的临界失稳应力
Figure 819604DEST_PATH_IMAGE032
时，结构将发生失稳，产生翘曲变形，在圆周方向上呈现波浪状变形，如图5所示。因此控制薄壁圆筒焊接变形的关键是降低焊后残余压应力的水平，使其低于临界失稳应力，保证结构不发生失稳，进而可达到控制圆筒环缝焊接变形的目的。
基于以上薄壁圆筒结构焊接变形产生机理的阐述，本专利从降低薄壁圆筒焊后残余压应力角度出发，以热场辅助与力场辅助相耦合的方式对薄壁圆筒的焊接变形进行动态控制，控制原理如图6所示，图中201为薄壁圆筒内筒初始位置、201'为装置膨胀后薄壁圆筒内筒位置、202为薄壁圆筒外筒初始位置、202'为装置膨胀后薄壁圆筒外筒位置、203为薄壁圆筒初始待焊位置、203'为装置膨胀后薄壁圆筒焊缝位置；301为支撑部、303为电阻丝、304为激光吸收槽、305为环形锁套、306为紧固螺栓、d2为装置通电前的直径、d4为装置膨胀后的直径。首先在焊前将一控制装置300置于薄壁圆筒200的筒体内壁，控制装置300内嵌有若干环形电阻丝303，电阻丝303通电后产生大量热量，控制装置300吸收来自电阻丝303传递的热量产生膨胀，控制装置300外圈向外膨胀、内圈向内膨胀，膨胀后的控制装置300外圈对薄壁圆筒200结构起到支撑、矫圆、胀紧的力学辅助作用。同时在材料弹性范围内，膨胀后的控制装置300使薄壁圆筒200结构在圆周方向上产生变形，进而在焊接前使筒体结构内部形成一定大小的预环向拉应力
Figure 97001DEST_PATH_IMAGE033
，也即焊接辅助应力，该应力可与焊接中的动态应力进行耦合叠加，使结构自身的焊接残余压应力低于其临界失稳应力，消除失稳变形，因此，求出控制装置产生的预环向拉应力对薄壁圆筒结构焊接变形的控制非常重要。图7为热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置300，d 1 为控制装置工作前的内直径、d 2 为控制装置工作前的外直径、d 3 控制装置膨胀后的内直径 、d 4 控制为装置膨胀后的外直径。
下面参考图7至图12对控制装置通电膨胀后产生的预环向拉应力大小进行详细推导：
设所述控制装置的电阻丝的截面半径为r 0，电阻丝圆环中径为D 0，n表示电阻丝的数量，则每个电阻丝圆环周长L为：
Figure 186180DEST_PATH_IMAGE034
（1）
电阻丝的截面积S为：
Figure 325169DEST_PATH_IMAGE035
（2）
设电阻丝的电阻率为ρ，则控制装置内置的电阻值R n 为：
Figure 81772DEST_PATH_IMAGE036
（3）
设流经电阻丝的直流电流大小为I，根据焦耳定律，电阻丝产生的热量Q为：
Figure 264492DEST_PATH_IMAGE037
（4）
式中，t为电阻丝通电时间；
设装置吸收的热量为Q 1 ，由温度与热量的关系式：
Figure 860208DEST_PATH_IMAGE038
（5）
式中，c为比热容，m为质量，T 0 为初始温度，T为装置加热后的温度，k为热量转化效率，则装置的温升变化量为：
Figure 317734DEST_PATH_IMAGE039
（6）
吸收热量Q 1后装置的温度：
Figure 476314DEST_PATH_IMAGE040
（7）
因控制装置受热后外径向外膨胀，内径向内膨胀，设膨胀前控制装置的内径为
Figure 95514DEST_PATH_IMAGE008
、外径为
Figure 644438DEST_PATH_IMAGE009
，膨胀后控制装置的内径为
Figure 905655DEST_PATH_IMAGE010
、外径为
Figure 122004DEST_PATH_IMAGE011
，则膨胀前控制装置的中径为
Figure 177685DEST_PATH_IMAGE041
，膨胀后控制装置的中径为
Figure 463173DEST_PATH_IMAGE042
，以控制装置的中径作为基础进而求出控制装置受热后的中径环向膨胀量为：
Figure 744725DEST_PATH_IMAGE043
（8）
又热膨胀量为
Figure 799269DEST_PATH_IMAGE044
（9）
则控制装置支撑的环向膨胀量与电流的关系：
Figure 291430DEST_PATH_IMAGE045
（10）
式中，
Figure 549367DEST_PATH_IMAGE017
为材料的线膨胀系数，单位mm/℃；
因降低焊接残余应力起作用的为控制装置的外径，根据上式求得控制装置的外径环向膨胀量为：
Figure 621228DEST_PATH_IMAGE046
（11）
控制装置加热后中径环向膨胀的名义应变为：
Figure 795858DEST_PATH_IMAGE047
（12）
控制装置外径环向膨胀的名义应变为：
Figure 662182DEST_PATH_IMAGE048
（13）
控制装置的环向应变可用真实应变表示如下：
Figure 672995DEST_PATH_IMAGE049
（14）
式中，l 0为装置初始环向周长，l 1为装置膨胀后的环向周长，Δl为装置环向膨胀量，ε为装置环向膨胀的名义应变；
故控制装置中径的环向真实应变为：
Figure 282968DEST_PATH_IMAGE050
（15）
外径的环向真实应变为：
Figure 312104DEST_PATH_IMAGE051
（16）
因此控制装置受热膨胀后在中径处产生的环向真实应力表示为：
Figure 896800DEST_PATH_IMAGE052
（17）
控制装置外径处产生的环向真实应力表示为：
Figure 644176DEST_PATH_IMAGE053
（18）
式中，E为材料的弹性模量；
受热膨胀后控制装置的外径由环中心向外的膨胀量为：
Figure 57840DEST_PATH_IMAGE054
（19）
控制装置外径沿径向方向膨胀的名义应变为：
Figure 706863DEST_PATH_IMAGE055
（20）
控制装置外径沿径向方向膨胀的真实应变为：
Figure 180570DEST_PATH_IMAGE056
（21）
则控制装置膨胀后在外径处产生的真实径向应力，也即预径向应力为：
Figure 149663DEST_PATH_IMAGE057
（22）。
上面是对控制装置受热膨胀后使筒体结构受到的预环向拉应力
Figure 101438DEST_PATH_IMAGE058
、预径向应力
Figure 855899DEST_PATH_IMAGE059
进行了推导，建立了筒体所受辅助应力与通电电流、控制装置膨胀前后内外直径之间的对应关系。（控制装置内嵌电阻丝通过的电流大小可由外部电压来控制，通过电流表进行显示，控制装置膨胀前后的内外直径可通过游标卡尺、激光扫描测径仪等接触式或非接触式方式测定。）下面对控制装置膨胀产生的预环向拉应力在降低薄壁筒体焊接残余应力、消除结构失稳变形方面的作用机理进行阐述。
图13为采用常规焊与施加控制装置辅助焊接后薄壁圆筒结构的残余应力分布图，图中显示，常规焊时在焊缝附近区域存在较大残余拉应力，呈对称分布，又因为结构整体处于拉、压平衡状态，因此在焊缝两侧较远区域产生焊接残余压应力。与常规焊相比，当薄壁圆筒在焊前产生的预环向拉应力与焊接动态应力叠加后，可使焊缝区域产生的残余拉应力值
Figure 234928DEST_PATH_IMAGE060
与常规焊时该区域残余拉应力峰值
Figure 956896DEST_PATH_IMAGE030
相同，使焊缝两侧较远区域的残余压应力
Figure 712362DEST_PATH_IMAGE031
全部转为残余拉应力
Figure 321329DEST_PATH_IMAGE061
。当控制装置从焊好的薄壁筒体结构内取出后，结构中的残余应力值瞬间大幅降低，降低的幅度与焊前结构产生的预拉伸辅助应力值相等，此时焊缝区域附近较高的残余拉应力
Figure 136839DEST_PATH_IMAGE062
降至残余拉应力
Figure 346103DEST_PATH_IMAGE063
，焊缝两侧较远区域的残余拉应力
Figure 374102DEST_PATH_IMAGE064
变为应力值较小的残余压应力
Figure 103155DEST_PATH_IMAGE065
，最终薄壁圆筒结构的焊接残余压应力水平远小于结构的临界失稳应力，不会发生失稳变形，因此达到通过控制焊后残余压应力值的大小来控制薄壁圆筒焊后变形的目的。
图13中薄壁圆筒结构在常规焊、施加预环向拉应力及卸载预环向拉应力后，焊缝及两侧的残余应力计算公式分别如式（23）-式（28）所示。
Figure 89565DEST_PATH_IMAGE066
（23）
Figure 520546DEST_PATH_IMAGE067
（24）
Figure 365618DEST_PATH_IMAGE068
（25）
Figure 932866DEST_PATH_IMAGE069
（26）
Figure 90178DEST_PATH_IMAGE070
（27）
Figure 8455DEST_PATH_IMAGE071
（28）
式中：
Figure 394568DEST_PATH_IMAGE072
为焊缝中心位置，
Figure 347481DEST_PATH_IMAGE073
为残余拉应力与零应力线交点的横坐标，
Figure 675694DEST_PATH_IMAGE074
为筒体焊缝两侧边缘处残余应力值为0时的横坐标。
Figure 815688DEST_PATH_IMAGE075
为薄壁圆筒结构内焊接残余应力的分布宽度。
Figure 271071DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 812911DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 312026DEST_PATH_IMAGE078
分别为筒体受到的预环向拉应力、残余拉应力、残余压应力。
因控制装置的焊接辅助作用，可使薄壁筒体产生的预环向拉应力与筒体焊接自身产生的残余拉应力相互叠加，叠加后的应力在不发生局部屈服的条件下，筒体残余拉应力峰值与施加的预环向拉应力的关系如式（29）所示。
Figure 939316DEST_PATH_IMAGE079
（29）
式中，
Figure 667232DEST_PATH_IMAGE080
为在施加预环向拉应力条件下筒体的残余拉应力峰值，
Figure 594737DEST_PATH_IMAGE081
为常规焊条件下筒体的残余拉应力峰值，
Figure 999173DEST_PATH_IMAGE082
为支撑部膨胀后在筒体内部产生的预环向拉应力。
由上可知，薄壁结构焊接变形的根本原因是焊后残余压应力大于结构的临界失稳应力，又因为在焊缝区域附近结构变形最大，结构内的残余拉应力峰值与残余压应力峰值均出现在焊缝附近区域，因此降低该区域的残余压应力水平是防止结构发生失稳的关键。由于薄壁圆筒结构在焊接前后整体处于平衡状态，即在整个焊缝截面区域，结构内残余压应力围成的面积与残余拉应力围成的面积相等，参考图13中焊后的残余应力分布图，可推导出残余压应力与残余拉应力的关系，进而结构的残余压应力水平可用残余拉应力水平来表征：
Figure 113760DEST_PATH_IMAGE083
（30）
综上，通过控制装置受热膨胀产生的预环向拉应力可直接降低薄壁筒体结构焊接后的残余拉应力水平，由于结构内压应力与压应力平衡，则间接降低薄壁结构内的焊接残余压应力水平，使残余压应力峰值低于结构临界失稳应力，最终结构不发生失稳，进而达到控制薄壁圆筒结构焊后变形的目的。
实施例一
在本实施例中提供了一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置300，如图8至图10所示，包括：
一支撑部301，所述支撑部301为圆环形，所述支撑部301的外径与待焊接薄壁圆筒200内筒的内径相匹配；所述支撑部301内侧设置有若干条平行设置的环形凹槽302，每一凹槽302内容置有一电阻丝303，所述支撑部301外侧沿周向设置有一环形激光吸收槽304，用于吸收薄壁圆筒200环缝焊接时的激光束；
两环形锁套305，分别从所述支撑部301的两端面插入所述支撑部301内侧，与所述支撑部301内表面配合并分别锁紧于所述支撑部301的两端面，用于将所述电阻丝303固定于所述支撑部301的凹槽302内。
具体地，两所述环形锁套305与所述支撑部301通过若干个紧固螺栓306分别与所述支撑部301两端面固定锁紧
具体地，所述环形锁套305设置有通孔（未图示），所述电阻丝303的两接头通过所述通孔与外部带能源导线相连。
较佳地，所述支撑部301与所述环形锁套305为金属材质（比如，不锈钢）。也可以为其它材质，但应具备耐高温、热导率低、储热能力高等特点。
本实施例的热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置，主要包括支撑部301、电阻丝303、环形锁套305以及紧固螺栓306等零部件组成，支撑部301外壁开有一定宽度和深度的环形凹槽302，用于焊接时对高能束的吸收，下面对该装置的装配顺序进行说明：首先将多根电阻丝303置于支撑部301内壁对应的环形凹槽302中，其次用一对环形锁套305从括支撑部301两侧嵌入，用于电阻丝303在支撑部301的环形凹槽302内的固定，最后用紧固螺栓306沿环向对环形锁套305进行固定锁紧。电阻丝303与外部电源连接的导线可从环形锁套305处穿出，流经电阻丝303的电流大小由外部电路控制，通过电流表进行显示，支撑部301吸收电阻丝303产生的热量后发生膨胀，对薄壁筒体200产生固定的同时产生预环向拉应力σ θ(pre) 和预径向应力σ r(pre) ，用于降低薄壁结构在焊后产生的残余应力水平，实现控制薄壁圆筒焊后变形的目的。本实施例设计的热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置300可应用于同直径下的薄壁圆筒对接焊，也可应用于不同直径下薄壁圆筒镶嵌式结构的焊接。因为所焊接筒体为薄壁结构，焊接类型采用激光穿透焊接，单面焊双面成型，因此焊接所用薄壁圆筒材料应选用不锈钢等低反射率材料来提高对激光束能量的吸收率，进而保证焊缝熔深、熔宽等参数满足工艺要求。
实施例二
本实施例提供一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的方法，需提供实施例一中所述的装置，包括：
在焊接前将一所述装置300置于待焊接薄壁圆筒200的筒体内壁，将所述装置300内嵌的电阻丝303通电后，所述支撑部301和环形锁套305吸收来自电阻丝303传递的热量同时产生向外和向内的膨胀，膨胀后的所述装置300使薄壁圆筒200结构在圆周方向上产生变形，进而在焊接前使筒体结构内部形成一定大小的预环向拉应力作为焊接辅助应力，所述预环向拉应力与焊接中的动态应力进行耦合叠加，使焊接后的薄壁圆筒200的焊接残余应力低于其临界失稳应力，消除失稳变形，从而控制薄壁圆筒200环缝焊接变形。
较佳地，装置300工作时，装置300使薄壁圆筒200结构产生的预环向拉应力大小由外部通电装置进行动态定量控制，能实现对结构焊后残余应力降低水平的控制，所述预环向拉应力根据总体思路中的方法计算得到。
本发明实施例具有如下优点：根据薄壁结构焊后残余应力分布规律以及控制焊后变形的机理，从力学辅助与热场辅助相结合的角度出发，提出并设计了一种新型的控制薄壁圆筒结构环缝焊接变形的装置和方法，通过控制装置膨胀量的大小来定量降低焊接瞬态应力及残余应力，能够有效消除薄壁圆筒形结构失稳变形，达到控制其焊后变形的目的；工作时装置使薄壁圆筒结构产生的预环向拉应力大小可由外部通电装置进行动态定量控制，能实现对结构焊后残余应力降低水平的控制；在焊接过程中装置恒温保持，使薄壁圆筒焊缝金属能够在恒定温度下充分流动，有助于焊缝成形并获得良好的焊缝组织；所用焊接类型为高能量密度的激光焊接，利用激光焊接的优点，可以获得深而窄的焊缝，并且热影响区较小，焊接变形的趋势较小，易于薄壁件焊后变形控制。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的装置，其特征在于，包括：
一支撑部，所述支撑部为圆环形，所述支撑部的外径与待焊接薄壁圆筒内筒的内径相匹配；所述支撑部内侧设置有若干条平行设置的环形凹槽，每一环形凹槽内容置有一电阻丝，所述支撑部外侧沿周向设置有一环形激光吸收槽，用于吸收薄壁圆筒环缝焊接时的激光束；
两环形锁套，分别从所述支撑部的两端面插入所述支撑部内侧，与所述支撑部内表面配合并分别锁紧于所述支撑部的两端面，用于将所述电阻丝固定于所述支撑部的环形凹槽内。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：两所述环形锁套与所述支撑部通过若干个紧固螺栓分别与所述支撑部两端面固定锁紧。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述环形锁套设置有通孔，所述电阻丝的两接头通过所述通孔与外部带能源导线相连。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述支撑部与所述环形锁套为金属材质。
5.一种热场调控控制薄壁圆筒环缝焊接变形的方法，其特征在于：需提供如权利要求1-4任一项所述的装置，所述方法包括：
在焊接前将一所述装置置于待焊接薄壁圆筒的筒体内壁，将所述装置内嵌的电阻丝通电后，所述支撑部和环形锁套吸收来自电阻丝传递的热量同时产生向外和向内的膨胀，膨胀后的所述装置使薄壁圆筒结构在圆周方向上产生环向应变，进而在焊接前使筒体结构内部形成一定大小的预环向拉应力作为焊接辅助应力，所述预环向拉应力与焊接中的动态应力进行耦合叠加，使焊接后薄壁圆筒的焊接残余压应力低于其临界失稳应力，消除失稳变形，从而控制薄壁圆筒环缝焊接变形。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：装置工作时装置使薄壁圆筒结构产生的预环向拉应力大小由外部通电装置进行动态定量控制。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述预环向拉应力的计算方法为：
设所述装置的电阻丝的截面半径为r 0，电阻丝圆环中径为D 0，n表示电阻丝的数量，则每个电阻丝圆环周长L为：
Figure 356655DEST_PATH_IMAGE001
电阻丝的截面积S为：
Figure 742637DEST_PATH_IMAGE002
设电阻丝的电阻率为ρ，则装置内置的电阻值R n 为：
Figure 741948DEST_PATH_IMAGE003
设流经电阻丝的直流电流大小为I，根据焦耳定律，电阻丝产生的热量Q为：
Figure 605999DEST_PATH_IMAGE004
式中，t为电阻丝通电时间；
设装置吸收的热量为Q 1 ，由温度与热量的关系式：
Figure 889213DEST_PATH_IMAGE005
式中，c为比热容，m为质量，T 0 为初始温度，T为装置加热后的温度，k为热量转化效率，则装置的温升变化量为：
Figure 180517DEST_PATH_IMAGE006
吸收热量Q 1后装置的温度：
Figure 165659DEST_PATH_IMAGE007
因装置受热后外径向外膨胀，内径向内膨胀，设膨胀前装置的内径为
Figure 833401DEST_PATH_IMAGE008
、外径为
Figure 705542DEST_PATH_IMAGE009
，膨胀后装置的内径为
Figure 167748DEST_PATH_IMAGE010
、外径为
Figure 138721DEST_PATH_IMAGE011
，则膨胀前装置的中径为
Figure 344575DEST_PATH_IMAGE012
，膨胀后装置的中径为
Figure 336801DEST_PATH_IMAGE013
，以装置的中径作为基础进而求出装置受热后的中径环向膨胀量为：
Figure 235487DEST_PATH_IMAGE014
又热膨胀量为
Figure 195222DEST_PATH_IMAGE015
则装置支撑的环向膨胀量与装置电流的关系：
Figure 673608DEST_PATH_IMAGE016
式中，
Figure 785920DEST_PATH_IMAGE017
为材料的线膨胀系数，单位mm/℃；
因降低焊接残余应力起作用的为装置的外径，根据上式求得装置的外径环向膨胀量为：
Figure 340661DEST_PATH_IMAGE018
装置加热后中径环向膨胀的名义应变为：
Figure 538424DEST_PATH_IMAGE019
装置外径环向膨胀的名义应变为：
Figure 86080DEST_PATH_IMAGE020
装置的环向应变可用真实应变表示如下：
Figure 52899DEST_PATH_IMAGE021
式中，l 0为装置初始的环向周长，l 1为装置膨胀后的环向周长，Δl为装置环向膨胀量，ε为装置环向膨胀的名义应变；
故装置中径的环向真实应变为：
Figure 277076DEST_PATH_IMAGE022
装置外径的环向真实应变为：
Figure 696556DEST_PATH_IMAGE023
因此装置受热膨胀后在中径处产生的环向真实应力表示为：
Figure 47903DEST_PATH_IMAGE024
装置外径处产生的环向真实应力，也即预环向拉应力表示为：
Figure 869228DEST_PATH_IMAGE025
式中，E为材料的弹性模量；
受热膨胀后装置的外径由圆环中心向外的膨胀量为：
Figure 22561DEST_PATH_IMAGE026
装置外径沿径向方向膨胀的名义应变为：
Figure 929337DEST_PATH_IMAGE027
装置外径沿径向方向膨胀的真实应变为：
Figure 818796DEST_PATH_IMAGE028
则装置膨胀后在外径处产生的真实径向应力，也即预径向应力为：
Figure 760207DEST_PATH_IMAGE029
。
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