CN115229308A - 一种铝合金薄板焊接装置及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种焊接设备和焊接工艺，尤其是一种铝合金薄板焊接装置和焊接方法，该焊接装置包括机架、工作台、行走电机和/或手轮、焊枪夹具和气管夹具、焊枪、出气管、气动载荷组件。本发明提供的焊接方法采用上述焊接装置实现。通过设置启动载荷组件和出气管，通过对熔池后方处于极低强度的高温冷凝焊缝金属区域施加高速气动载荷，利用气动载荷的机械动能使熔池后方的冷凝金属产生应变能，使该区域的金属产生拉伸性质的塑性应变，以补偿热源加热时产生的压缩塑性应变，缩小两者残余应变的差值，达到减小焊接残余应力的效果，且由于出气管不与工件进行机械接触，不易造成表面损伤。

Description

一种铝合金薄板焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接设备和焊接工艺，尤其是一种铝合金薄板焊接装置及焊接方法。
背景技术
高强铝合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀、焊接性能好等优良性能，是目前航空航天、汽车、船舶等领域的应用最为广泛的有色金属之一。高强铝合金构件绝大多数采用焊接方式来制造，然而，由于高强铝合金具有热导率高、膨胀系数大、薄板结构临界失稳应力较低等特点，焊后不可避免存在较高的残余应力及较大的变形，残余应力的存在及其不均匀性，将严重影响焊件的服役性能，容易发生断裂失效、疲劳破坏等情况，导致焊接位置成为整体焊件中最为薄弱的部位。
残余应力产生的根本原因，是由于焊接过程中的不均匀加热造成，具体的，焊接时，热源对局部金属瞬态加热，导致焊件不同区域的金属膨胀、收缩不一致，使各区域金属间产生挤压、拉伸作用。如图1所示为移动热源准稳态温度场的塑性与局部应力应变循环示意图，从图中可以看出，对于焊接过程中的移动热源，压缩塑性区位于最高温度线前方区域，而拉伸塑性区位于后方的阴影区域。
目前控制高强铝合金应力应变的方法主要分为焊后矫正与焊接同步辅助控制两大类。其中，同步辅助控制高强铝合金残余应力及变形的机理为，采用能场所产生的力学效应在焊接过程中产生拉伸应变以抵消热源加热过程中的压缩应变，如授权公告号为CN104002025B的中国发明专利公开的一种铝合金薄板焊接设备，其通过对焊接后尚未恢复强度的高温金属的碾压，补偿在加热过程中产生的压缩塑性应变，减少了焊缝的收缩量，使焊接过程中瞬态应力降低，进而达到降低瞬时焊接变形的目的，之后再对经过碾压仍处于冷却收缩受拉伸状态的金属进行挤压，通过挤压力的作用，抵消了部分拉应力，然而，由于碾压时碾压轮直接与工件机械接触，容易在工件表面留下压痕印痕等缺口效应，造成表面损伤。
有鉴于此，本申请对上述问题进行了深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低焊接残余应力且不易造成表面损伤的铝合金薄板焊接装置及焊接方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金薄板焊接装置，包括机架，还包括水平滑动连接在所述机架上的工作台、用于驱动所述工作台滑动的行走电机和/或手轮、位于所述工作台上方且沿所述工作台的滑动方向依次布置的焊枪夹具和气管夹具、被夹持在所述焊枪夹具上的焊枪、被夹持在所述气管夹具上且出气孔竖直朝下布置的出气管、与所述焊枪连接的焊接组件以及与所述出气管连接的气动载荷组件，所述焊枪和所述出气管之间的间距为12-32mm，放置在所述工作台上的待焊接件与所述出气管之间的间距为1.5mm。
作为本发明的一种改进，所述气动载荷组件包括依次连接的氮气储存罐、压缩机和高压储气罐，所述出气管连接在所述高压储气罐的出气口上。
作为本发明的一种改进，所述工作台上设置有工件夹具，所述工件夹具包括两个相对布置的压板，两个所述压板相向的一侧和相背的一侧都设置有多个沿呈直线等间距依次布置的压块，布置在同一直线上的相邻两个所述压块之间形成有琴键槽，各所述压板上还开设有相互垂直布置的横向长槽和纵向长槽，所述横向长槽和所述纵向长槽中都穿插有螺旋连接在所述工作台上的紧固螺栓。
作为本发明的一种改进，所述焊枪夹具和所述焊枪之间设置有防滑垫。
作为本发明的一种改进，所述气管夹具包括固定连接在所述机架上的支架和与所述出气管连接的调节架，所述支架上开设有竖向布置的第一条形槽，所述调节架上开设有竖向布置的第二条形槽，所述第一条形槽中穿插有同时穿插在所述第二条形槽中的调节螺栓，所述调节螺栓上螺旋连接有调节螺母，所述调节架上可拆卸连接有用于将所述出气管压紧在所述调节架上的压板。
一种铝合金薄板焊接方法，包括以下依次进行的步骤：
S1、将待焊铝合金板件表面擦拭干净；
S2、将所述铝合金板件装夹在上述铝合金薄板焊接装置的工作台上，并使得铝合金板件的焊缝方向与所述工作台的滑动方向一致；
S3、开启所述铝合金薄板焊接装置的焊枪，待所述焊枪起弧并停留1-3秒之后，利用所述铝合金薄板焊接装置的电机或手轮驱动所述工作台直线匀速滑动，同时开启所述铝合金薄板焊接装置的气动载荷组件，利用所述铝合金薄板焊接装置的出气管向焊接区域吹气，并保证气体作用在焊接区域上的压力为5-40Mpa；
S4、待所述焊枪离开焊缝正上方之后停止焊接，待所述出气管离开焊缝正上方之后关闭所述气动载荷组件，完成焊接。
作为本发明的一种改进，在步骤S3中，所述工作台直线匀速滑动的速度为4mm/s。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
通过设置启动载荷组件和出气管，通过对熔池后方处于极低强度的高温冷凝焊缝金属区域施加高速气动载荷，利用气动载荷的机械动能使熔池后方冷凝金属产生应变能，使该区域的金属产生拉伸性质的塑性应变，以补偿热源加热时产生的压缩塑性应变，缩小两者残余应变的差值，达到减小焊接残余应力的效果，且由于出气管不与工件进行机械接触，不易造成表面损伤。
附图说明
图1为铝合金薄板焊接过程中移动热源准稳态温度场的塑性与局部应力应变循环示意图；
图2为实施例中铝合金薄板焊接装置的主视结构示意图；
图3为实施例中铝合金薄板焊接装置的俯视结构示意；
图4为实施例中工件夹具的结构示意图；
图5为实施例中工件夹具的两个压板的结构示意图；
图6为实施例中气管夹具的主视结构示意图；
图7为实施例中气管夹具的侧视结构示意图；
图8为实施例中气动载荷组件的结构示意图，图中省略氮气储气罐；
图9为实施例中铝合金薄板焊接方法的变形原理示意图；
图10为实施例中焊缝金属的应变变化的作用机理示意图。
图中标识对应如下：
10-机架； 20-工作台；
21-行走电机； 22-手轮；
23-工件夹具； 24-压板；
25-压块； 26-琴键槽；
27-纵向长槽； 28-横向长槽；
30-焊枪夹具； 40-气管夹具；
41-支架； 42-调节架；
43-第一条形槽； 44-第二条形槽；
45-调节螺栓； 46-压板；
50-焊枪； 60-出气管；
80-气动载荷组件； 81-压缩机；
82-高压储气罐。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图2-图8所示，本实施例提供一种铝合金薄板焊接装置，包括机架10、水平滑动连接在机架10上的工作台20、用于驱动工作台20滑动的行走电机21和手轮22（也可以仅设置行走电机21或手轮22）、位于工作台20上方且沿工作台20的滑动方向依次布置的焊枪夹具30和气管夹具40、被夹持在焊枪夹具30上的焊枪50、被夹持在气管夹具40上且出气孔竖直朝下布置的出气管60、与焊枪50连接的焊接组件以及与出气管60连接的气动载荷组件80，其中，焊枪夹具30和气管夹具40都固定连接在机架10上。行走电机21和手轮22与工作台20之间的具体传动连接结构可以为常规的结构，在本实施例中，机架10上转动连接有丝杆，该丝杆的一端通过常规的皮带组件、链条组件或齿轮组件与行走电机21的输出轴连接，该丝杆通过常规的锥齿轮组件或直角换向器与手轮22 连接，且该丝杆上套设有固定连接在工作台20上的丝杆螺母，这样可以通过行走电机21或手轮驱动工作台20滑动。
工作台20上设置有工件夹具23，该工件夹具23包括两个相对布置的压板24，压板24为方形板，两个压板24沿压板24的宽度方向排列，两个压板24相向的一侧和相背的一侧都设置有多个沿压板24的长度方向呈直线等间距依次布置的压块25，布置在同一直线上的相邻两个压块25之间形成有琴键槽26，使用时，利用两个压板24相向一侧的各压块25将待焊接的铝合金薄板压紧在工作台20上，夹紧力较为均匀、可靠性较高。此外，各压板24上还开设有相互垂直布置的横向长槽28和纵向长槽27，横向长槽28和纵向长槽27中都穿插有螺旋连接在工作台20上的紧固螺栓，这样拧松紧固螺栓后，即可调整各压板24和工作台20之间的相对位置，使用较为方便。
焊枪夹具30和焊枪50都为常规的金属板材焊接装置所采用的夹具和钨极氩弧焊枪，焊接组件也为常规的钨极氩弧焊接设备，并非本实施例的重点，此处不再详述。优选的，在本实施例中，焊枪夹具30和焊枪50之间设置有防滑垫，以增大夹紧摩擦力。
气管夹具40包括固定连接在机架10上的支架41和与出气管60连接的调节架42，支架41上开设有竖向布置的第一条形槽43，调节架42上开设有竖向布置的第二条形槽44，第一条形槽43中穿插有同时穿插在第二条形槽44中的调节螺栓45，调节螺栓45上螺旋连接有调节螺母，这样可以通过调节螺栓45和调节螺母将支架41和调节架42相互紧固，同时只需拧松调节螺母即可对支架41和调节架42之间的相对位置进行调节，进而实现对出气管60的出气管高度位置的调节。此外，调节架42上通过螺栓连接的方式可拆卸连接有用于将出气管60压紧在调节架42上的压板46，以实现对出气管60的夹持。
气动载荷组件80可以为常规的高压喷气装置，在本实施例中，气动载荷组件80包括依次连接的氮气储存罐（图中未示出）、压缩机81和高压储气罐82，其中，压缩机81采用带有压力表的双缸压缩机，气动载荷压力大小由双缸压缩机中的减压阀调定，可由压力表读出气动载荷的压力大小。出气管60连接在高压储气罐82的出气口上。使用时，利用压缩机81对氮气进行充填、压缩，将压缩后的高压氮气通过出气管60作用于焊件表面，气动载荷与焊枪距离d以及气动载荷距离焊件的高度b可由气管夹具40调节。
此外，焊枪50和出气管60之间的间距为12-32mm，如果两者相距大于32mm，使用时焊缝金属区域中高温冷凝金属已冷却至较低温度，气动载荷作用过晚，导致焊缝塑性延展效果较差，如果两者相距小于12mm，使用时出气管60喷出的氮气会干扰焊接保护气（氩气）的正常作用，使得焊缝氧化严重、成型较差。同时，为避免焊接过程中出气管60与试件表明金属发生“黏结”现象，又同时保证气动压力完全作用于试件表面，在本实施例中，放置在工作台20上的待焊接件与出气管60之间的间距为1.5mm。
本实施例还提供了一种铝合金薄板焊接方法，包括以下依次进行的步骤：
S1、将待焊铝合金板件表面擦拭干净，以去除油污等杂质。该铝合金板件为厚度为1-2mm的高强铝合金构件。
S2、采用工件夹具23将铝合金板件装夹在上述铝合金薄板焊接装置的工作台20上，并使得铝合金板件的焊缝方向与工作台20的滑动方向一致，同时根据实际需要调整焊枪50和出气管60的高度位置。
S3、开启铝合金薄板焊接装置的焊枪50，待焊枪50起弧并停留1-3秒之后，利用铝合金薄板焊接装置的电机21或手轮22驱动工作台20直线匀速滑动，其中，工作台20直线匀速滑动的速度为4mm/s。焊接所采用的钨极氩弧焊电弧电压为12-15V，焊接电流70A，焊接速度4mm/s，保护气氩气流量12-15L/min。
同时开启铝合金薄板焊接装置的气动载荷组件80，利用铝合金薄板焊接装置的出气管60向焊接区域吹气，并保证气体作用在焊接区域上的压力为5-40Mpa，在本实施例中，通过将出气管60的气体流速控制在20m/s-80m/s来保证气体作用在焊接区域上的压力为5-40Mpa。气体作用在焊接区域上的压力越大，焊件表面受到的冲击能量越大，焊缝金属区域产生的拉伸应变越大。需要说明的是，当气动载荷过大时将会导致板件的负向挠曲变形，因此该压力不宜太大。图9所示，出气管60位于焊枪50焊接时所产生的熔池后方，焊接过程中，高速高压气流载荷对尚处高温刚凝固的焊缝金属区域进行柔性作用，利用高速气体的机械动能使熔池后方的高温冷凝金属产生应变能，迫使该部分区域金属得到拉伸性质的塑性应变，以抵消热源加热过程中产生的一部分压缩应变，减小瞬时应力，从而降低残余应力并消除失稳变形。
S4、待焊枪50离开焊缝正上方之后停止焊接，待出气管60离开焊缝正上方之后关闭气动载荷组件80，完成焊接。
如图10所示，本实施例中焊缝金属的应变变化的作用机理为，在加热过程中，热源前方金属产生压缩应变，该应变为定值，焊缝金属冷却过程中，热源后方的焊缝金属区域冷却收缩受到来自周围区域的拉伸拘束产生拉伸塑性应变
Figure 403807DEST_PATH_IMAGE001
，拉伸塑性区在高速气流场的作用下产生额外的拉伸塑性延展
Figure 301225DEST_PATH_IMAGE002
，待流场能量作用后，所产生的总拉伸塑性应变
Figure 107507DEST_PATH_IMAGE003
为表达式（1）：
Figure 485398DEST_PATH_IMAGE004
(1)
而压缩塑性应变仍为
Figure 227090DEST_PATH_IMAGE005
不变，故最后焊缝区域的固有应变
Figure 487170DEST_PATH_IMAGE006
为表达式（2）：
Figure 224706DEST_PATH_IMAGE007
(2)
在焊接过程中，拉伸应变
Figure 925946DEST_PATH_IMAGE008
不足以抵消压缩应变
Figure 228751DEST_PATH_IMAGE009
，即
Figure 835182DEST_PATH_IMAGE010
，此收缩使得焊缝附近表现为拉伸残余应力，与之平衡的两侧压缩应力超过了薄壁板的临界失稳应力，出现马鞍形变形。施加气动载荷后产生了额外的拉伸塑性应变
Figure 655370DEST_PATH_IMAGE011
，能够动态减少两者应变差值，减小固有应变，且相应的焊接残余应力由
Figure 539013DEST_PATH_IMAGE012
减小到
Figure 871774DEST_PATH_IMAGE013
，达到减小残余应力的目的。气动载荷和焊接热源保持某一固定距离，且气动载荷位于焊接热源的后方，使二者保持随同移动，保证热源运动方向后方的焊缝区域金属能够连续均匀地得到拉伸延展，从而降低残余应力及变形量。
本实施例提供的铝合金薄板焊接装置以及焊接方法，从力学角度和“柔性”控制角度出发，基于气动弹性力学及能量等理论，将高速气流产生的气动载荷应用于焊接应力变形的同步辅助控制领域，以非接触式的方式控制高强铝合金的残余应力与变形。气动载荷的施加使得焊缝表面成形自然，避免直接接触带来的损伤，同时，施加气动载荷相较于其他种类载荷的施加也更为轻巧简易，且易与激光焊接、焊接机器人等设备配合使用，可实现多种焊缝位置的焊接。
上面结合具体实施例对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种铝合金薄板焊接装置，包括机架，其特征在于，还包括水平滑动连接在所述机架上的工作台、用于驱动所述工作台滑动的行走电机和/或手轮、位于所述工作台上方且沿所述工作台的滑动方向依次布置的焊枪夹具和气管夹具、被夹持在所述焊枪夹具上的焊枪、被夹持在所述气管夹具上且出气孔竖直朝下布置的出气管、与所述焊枪连接的焊接组件以及与所述出气管连接的气动载荷组件，所述焊枪和所述出气管之间的间距为12-32mm，放置在所述工作台上的待焊接件与所述出气管之间的间距为1.5mm。
2.如权利要求1所述的铝合金薄板焊接装置，其特征在于，所述气动载荷组件包括依次连接的氮气储存罐、压缩机和高压储气罐，所述出气管连接在所述高压储气罐的出气口上。
3.如权利要求1所述的铝合金薄板焊接装置，其特征在于，所述工作台上设置有工件夹具，所述工件夹具包括两个相对布置的压板，两个所述压板相向的一侧和相背的一侧都设置有多个沿呈直线等间距依次布置的压块，布置在同一直线上的相邻两个所述压块之间形成有琴键槽，各所述压板上还开设有相互垂直布置的横向长槽和纵向长槽，所述横向长槽和所述纵向长槽中都穿插有螺旋连接在所述工作台上的紧固螺栓。
4.如权利要求1所述的铝合金薄板焊接装置，其特征在于，所述焊枪夹具和所述焊枪之间设置有防滑垫。
5.如权利要求1所述的铝合金薄板焊接装置，其特征在于，所述气管夹具包括固定连接在所述机架上的支架和与所述出气管连接的调节架，所述支架上开设有竖向布置的第一条形槽，所述调节架上开设有竖向布置的第二条形槽，所述第一条形槽中穿插有同时穿插在所述第二条形槽中的调节螺栓，所述调节螺栓上螺旋连接有调节螺母，所述调节架上可拆卸连接有用于将所述出气管压紧在所述调节架上的压板。
6.一种铝合金薄板焊接方法，其特征在于，包括以下依次进行的步骤：
S1、将待焊铝合金板件表面擦拭干净；
S2、将所述铝合金板件装夹在如权利要求1-5中任一权利要求所述的铝合金薄板焊接装置的工作台上，并使得铝合金板件的焊缝方向与所述工作台的滑动方向一致；
S3、开启所述铝合金薄板焊接装置的焊枪，待所述焊枪起弧并停留1-3秒之后，利用所述铝合金薄板焊接装置的电机或手轮驱动所述工作台直线匀速滑动，同时开启所述铝合金薄板焊接装置的气动载荷组件，利用所述铝合金薄板焊接装置的出气管向焊接区域吹气，并保证气体作用在焊接区域上的压力为5-40Mpa；
S4、待所述焊枪离开焊缝正上方之后停止焊接，待所述出气管离开焊缝正上方之后关闭所述气动载荷组件，完成焊接。
7.如权利要求6所述的铝合金薄板焊接方法，其特征在于，在步骤S3中，所述工作台直线匀速滑动的速度为4mm/s。
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