CN116586795B - 一种基于lahw的厚板铝合金协调变形应力装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置及方法，属于焊接的技术领域，水冷夹具底板开设有多个冷却孔以及与冷却孔相连通的若干个底板水冷通孔；第一水冷板夹持于厚板铝合金的上方，第一水冷板上开设有多个第一水冷通孔；第二水冷板夹持于厚板铝合金的两侧，第二水冷板外侧开设有多个第二水冷通孔；夹持支架安装于水冷夹具底板，用于紧固厚板铝合金与第二水冷板，夹板安装于夹持支架；气缸设置于夹板上，气缸下方设有用于锤击厚板铝合金的压力传感器与压头。本发明各位置的冷凝水流量单独可调，各气缸的气压单独可调，能够平衡厚板铝合金不同位置所受热积累的不同而导致的温度及应力的差异性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接的技术领域，尤其涉及一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置及方法。
背景技术
结构轻量化是工业制造领域实现节能减排的有效途径之一，这就对结构材料提出高强、轻质的要求。铝合金具有密度小、比强度高、耐磨耐蚀、易加工且价格较低的特点，被广泛应用于各制造业中。其中厚板铝合金在航空航天、轨道交通、船舶等领域的大型结构件制造中有着非常广阔的应用前景。厚板铝合金的焊接技术可以充分发挥铝合金的优势，对我国制造业的发展有着非常重要的作用。
激光电弧复合焊接（LAHW）是一种将激光和电弧两种热源结合起来并充分发挥两者优势的焊接技术。激光形成的匙孔喷发光致等离子体中带电粒子参与了电弧的导电，提高了电弧的稳定性，使得较小的焊接电流也能稳定燃烧；而电弧作用在铝合金表面可以提高对激光的吸收率，增大了激光能量的利用率，激光、电弧复合有效提高焊接速度及质量。
针对厚板铝合金的激光电弧焊接，传统焊接平台装置还具有以下的不足之处：一是单点夹紧的焊接夹具在进行厚板焊接时，易松动或夹伤工件表面，焊后容易导致严重的局部区域热变形以及应力集中的问题；二是板材的冷却往往是单一方向的冷却，易造成厚板温度梯度的增大，热应力增大；同时焊接的预热温度调控困难的问题；三是焊接变形和残余应力难兼顾调控，造成残余应力过大降低接头力学性能或变形过大，影响实际应用的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置及方法，针对厚板铝合金的焊接难点，通过防变形装置进行监测并调控焊缝层间温度，并根据应力的变化调控夹具载荷，以实现厚板铝合金高质量、高效率的焊接。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，包括水冷夹具底板、第一水冷板、第二水冷板、夹持支架、夹板、气缸、红外测温仪；
所述水冷夹具底板开设有多个冷却孔以及与所述冷却孔相连通的若干个底板水冷通孔；
所述第一水冷板夹持于厚板铝合金的上方，所述第一水冷板上开设有多个第一水冷通孔；
所述第二水冷板夹持于厚板铝合金的两侧，所述第二水冷板外侧开设有多个第二水冷通孔；
所述夹持支架安装于所述水冷夹具底板，用于紧固厚板铝合金与第二水冷板，所述夹板安装于所述夹持支架；
所述气缸设置于所述夹板上，所述气缸下方设有用于锤击厚板铝合金的压力传感器与压头。
进一步的，所述第一水冷板底面与厚板铝合金贴合，所述第一水冷板上设有槽道，所述第一水冷通孔设置于所述槽道两侧。
进一步的，所述第一水冷板通过螺栓、螺母与水冷夹具底板连接，所述螺栓与螺母间设有第一弹簧，所述第一弹簧位于水冷夹具底板下方。
进一步的，两个第二水冷板通过第一螺柱、螺母紧固，所述红外测温仪通过管夹紧固在第一螺柱上，所述管夹可围绕第一螺柱转动，所述红外测温仪对准焊缝区域，用于测量焊缝处的实时温度。
进一步的，所述夹持支架通过螺栓、螺母紧固在水冷夹具底板上，所述夹持支架分别与厚板铝合金以及第二水冷板接触，所述夹持支架上端部开设有螺纹，所述螺纹用于与螺母配合紧固夹板。
进一步的，所述夹持支架的上端部为圆柱体，所述夹持支架的上端部圆柱体的两侧沿其轴线方向开设有缺口。
进一步的，所述气缸顶部设有进气口，所述进气口与空压机通过气管连接，所述气缸内部设有活塞，所述活塞一端套有第二弹簧，所述活塞的底部连接压力传感器，所述压力传感器的底部连接压头，所述压力传感器用于实时监测压头底面所受的应力，所述压力传感器所监测的信号通过调控气压阀门的转动控制厚板铝合金的外载荷。
另一方面，本发明提供的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力方法采用如下的技术方案：
一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力方法，使用了上述的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，包括以下步骤：
步骤一：焊前准备，将待焊的厚板铝合金放在水冷夹具底板上，通过第一水冷板与第二水冷板对厚板铝合金进行固定，并调节一定的预紧载荷，安装夹持支架、夹板以及气缸，使气缸底部压头对准第一水冷板槽道处，转动管夹调整红外测温仪测量的位置并拧紧；
步骤二：在水冷夹具底板、第一水冷板、第二水冷板上安装螺纹接头及水管，提前供水检查密封性、冷凝水的流量稳定性以及可调性，在气缸顶部的通孔处安装螺纹接头及气管，并预置一定气压；
步骤三：焊接，调整激光参数与电弧参数，并进行预行走，在确保安全无误后，进行单激光的打底焊、数次复合填充焊以及复合盖面焊，在两次焊接之间通过红外测温仪对焊缝进行测温，通过调控冷凝水流量，使焊缝快速降温至下道焊接的预热温度，通过气缸和压力传感器测量厚板铝合金表面的应力变化，调控气压大小防止厚板铝合金出现变形过大，随后经过调节气压的方法使压头锤击厚板铝合金。
综上所述，与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：
本发明所述的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置及方法，能够
（1）本发明通过与厚板铝合金大面积接触的水冷板，在多位置协同对厚板铝合金进行冷却，具有高效且均匀的冷却效果，提高了焊接效率；避免由于单一方向冷却，造成温度梯度过大而导致较大热应力的问题；此外通过红外测温仪对焊缝温度进行实时测量，并改变各水冷板内冷凝水的流速，对焊缝进行控温，以达到焊接预热的目的，减小焊接应力。
（2）本发明通过夹具载荷对厚板铝合金的变形以及残余应力进行综合调控；第一水冷板、第二水冷板的大面积接触可以使载荷分布均匀，避免了夹持位置的应力集中而夹伤母材的问题；第一水冷板夹持螺栓上设有第一弹簧，可有效防止焊接过程的应力突变，提供一定的变形缓冲，气缸的压头在气压的作用下对第一水冷板槽道处施加一定外载荷，压头上方的压力传感器可实时测量压头处的应力，随着测量应力的增大同步增大气缸气压，控制厚板铝合金的变形量；焊后通过变气压，实现压头的锤击功能，引导残余应力的释放。
（3）本发明的防变形装置设置简单巧妙、调控便捷，所占空间小，不影响激光头及焊枪的移动与定位；各位置的冷凝水流量单独可调，各气缸的气压单独可调，能够平衡厚板铝合金不同位置所受热积累的不同而导致的温度及应力的差异性，提高厚板铝合金焊接质量。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的左视图；
图3为本发明实施例的俯视图；
图4为本发明实施例的主视图；
图5为本发明实施例中第一水冷板的结构示意图；
图6为本发明实施例中第二水冷板的结构示意图；
图7为本发明实施例中夹持支架与夹板的装配示意图；
图8为本发明实施例中气缸和压头的结构示意图。
附图标记说明：1、水冷夹具底板；2、底板水冷通孔；3、夹持支架；4、夹板；5、气缸；6、第一水冷板；7、第一水冷通孔；8、第一弹簧；9、厚板铝合金；10、第二水冷板；11、第二水冷通孔；12、第一螺柱；13、限位孔；14、调节孔；15、活塞；16、进气口；17、压力传感器；18、压头；20、冷却孔；21、红外测温仪；22、第二弹簧。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明实施例公开一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置。
参照图1-图8，一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，包括水冷夹具底板1、第一水冷板6、第二水冷板10、夹持支架3、夹板4、气缸5、红外测温仪21，水冷夹具底板1用于支撑固定厚板铝合金9；厚板铝合金9、第一水冷板6、第二水冷板10、夹持支架3、夹板4均设置有两个，且均沿两个厚板铝合金9之间的焊缝对称分布。
厚板铝合金9厚度范围为15mm-50mm，两个厚板铝合金9之间设有“U”型坡口，坡口根部半径为2mm，坡口角度为2°，厚板铝合金9钝边间距为6-8mm，在钝边处进行单激光焊接，钝边能够确保单激光打底焊可满足背部成形需求；在坡口处通过激光电弧复合焊接进行填充，每次填充的厚度约为2-3mm，坡口设计形成窄间隙焊接，能够减小填充量，减少焊接次数。
水冷夹具底板1的上端面开设有槽道，槽道深度为1mm。对厚板铝合金9进行激光电弧复合焊操作时，槽道避免了对厚板铝合金9背面焊缝的强制约束，能够给与厚板铝合金9背面焊缝一定的成形空间，有利于厚板铝合金9焊接的背面成形，同时也可以通过槽道施加被保护气，进行厚板铝合金9焊接的背面保护。
水冷夹具底板1开设有多个冷却孔20以及与冷却孔20相连通的若干个底板水冷通孔2；具体的，在本发明实施例中，水冷夹具底板1设有四个底板水冷通孔2，多个冷却孔20等间距排列，冷却孔20的直径为10mm，冷却孔20与底板水冷通孔2均沿槽道中心线对称分布，冷却孔20位于厚板铝合金9的正下方，多个冷却孔20同时出水能够高效的对厚板铝合金9底面进行降温。
第一水冷板6夹持于厚板铝合金9的上方，对厚板铝合金9进行激光电弧复合焊操作时，第一水冷板6的中部始终与厚板铝合金9具有较大接触面积，第一水冷板6的中间区域与焊缝边缘保持安全距离，防止对盖面焊形成干扰以及受焊接飞溅的影响。
第一水冷板6为哑铃状，第一水冷板6两头为较宽的紧固区域，第一水冷板6的紧固区域通过螺栓、螺母与水冷夹具底板1连接，对称紧固的形式有利于提高第一水冷板6的稳定性，防止受力不匀引起偏转，螺栓、螺母之间设有第一弹簧8，第一弹簧8位于水冷夹具底板1下方，第一弹簧8可以在应力突变时进行一定程度的缓冲。
第一水冷板6的中间区域设有槽道，第一水冷板6上开设有多个第一水冷通孔7；第一水冷通孔7设置于槽道两侧，通过改变第一水冷通孔7的出水速率可高效改变第一水冷板6的温度，进而对厚板铝合金9的上表面进行冷却降温。
第二水冷板10夹持于厚板铝合金9的两侧，第二水冷板10外侧开设有多个第二水冷通孔11，具体的，在本发明实施例中，第二水冷通孔11设置有四个且等间距排列，第二水冷通孔11可通过冷凝水对厚板铝合金9两侧进行高效冷却。
两个第二水冷板10通过第一螺柱12、螺母紧固，第一螺柱12为双头螺柱，第一螺柱12中部无螺纹，第一螺柱12中间设有管夹，管夹可围绕第一螺柱12转动；红外测温仪21通过管夹紧固在第一螺柱12上，红外测温仪21对准焊缝区域，用于测量焊缝处的实时温度。
第二水冷板10及相关的紧固装置可实时调节厚板铝合金9两侧的外载荷，且红外测温仪21能对焊缝温度进行实时测量，进而可控制第二水冷通孔11改变冷凝水流量进行侧面控温。
夹持支架3安装于水冷夹具底板1，用于紧固厚板铝合金9与第二水冷板10，夹持支架3通过螺栓、螺母紧固在水冷夹具底板1上，夹持支架3分别与厚板铝合金9以及第二水冷板10接触，夹持支架3上端部开设有螺纹，螺纹用于与螺母配合紧固夹板4。
夹持支架3的上端部为圆柱体，夹持支架3的上端部圆柱体的两侧沿其轴线方向开设有缺口，夹板4安装于夹持支架3的上端部且与缺口滑动连接；夹板4的一端开设有六个调节孔14，调节孔14两两一组共有三组，同组调节孔14通过第二螺柱、螺母紧固。夹板4的另一端开设有三个限位孔13，限位孔13位于第一水冷板正上方。
夹板4的安装位置可根据厚板铝合金9的厚度而做出调整，夹板4通过在调节孔14内添加第二螺柱、螺母进行左右方向的固定，夹板4可通过在夹持支架3顶部施加螺母进行上下方向的固定。针对不同厚度的厚板铝合金9，可以选用不同型号的夹板4，进而实现夹板4的位置调节功能，使夹板4能够良好配合不同型号厚板铝合金9的焊接限位操作。
气缸5通过限位孔13设置于夹板4上，气缸5下方设有用于高频锤击厚板铝合金9的压力传感器17与压头18。气缸5顶部设有进气口16，进气口16与空压机通过气管连接，并通过自动化气压阀门调控气压的大小；气缸5内部设有活塞15，活塞15一端套有第二弹簧22，活塞15的底部连接压力传感器17，压力传感器17的底部连接压头18，压力传感器17用于实时监测压头18底面所受的应力，压力传感器17所监测的信号通过调控气压阀门的转动控制厚板铝合金9的外载荷。
气缸5位于厚板铝合金9上端的六处位置，且可单独调节，针对不同位置应力变化的差异性进行不同程度的调控，压头18施加载荷经过第一水冷板6再均匀的施加给厚板铝合金9，压头18在无气压时由第二弹簧22的作用离开第一水冷板6表面，通过控制气压实现压头18通过高频锤击的方法引导厚板铝合金9残余应力的释放。
本发明通过设计多位置冷却、夹持的防变形装置，具有冷却均匀、外载荷施加均匀的效果；针对厚板铝合金9焊接热应力、残余应力大，变形严重，晶粒粗大、接头软化，多层多道焊接效率低等问题，提供了冷却效率高且能控制温度，载荷可实时测量并调控的防变形装置和使用方法。
本发明实施例还公开一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力方法。
参照图1和图2，一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力方法，使用了上述的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，包括以下步骤：
步骤一：焊前准备，将待焊的厚板铝合金9放在水冷夹具底板1上，使焊缝对准水冷夹具底板1槽道中心线处，通过第一水冷板6与第二水冷板10对厚板铝合金9进行固定，并调节一定的预紧载荷，安装夹持支架3、夹板4以及气缸5，使气缸5底部压头18对准第一水冷板6槽道处，转动管夹调整红外测温仪21测量的位置并拧紧；
具体的，对两个厚板铝合金9进行预处理，包括放入0.5%的NaOH溶液中碱洗15min，随后放入HCl溶液中进行酸洗，接着使用钢丝刷或角磨机对焊接区域进行打磨并用乙醇或丙酮溶液进行清洗，除去表面油污及氧化膜，随后放置于水冷夹具底板1上，焊缝处对齐槽道中心线；通过紧固所需的螺栓、螺母、第一弹簧8等完成两块第一水冷板6的夹持，随后固定两边的夹持支架3，将两侧的第二水冷板10卡在厚板铝合金9与夹持支架3之间，并通过第一螺柱12与螺母将两侧的第二水冷板10前后端连接起来，在其中一侧的第一螺柱12中间安装管夹，管夹固定红外测温仪21，使红外测温仪21对准焊缝处；在夹持支架3上端部的柱形部分夹持紧固夹板4，并在夹板4的限位孔13处固定气缸5。
步骤二：在水冷夹具底板1、第一水冷板6、第二水冷板10上安装螺纹接头及水管，提前供水检查密封性、冷凝水的流量稳定性以及可调性，在气缸5顶部的通孔处安装螺纹接头及气管，并预置一定气压；
具体的，在水冷夹具底板1的底板水冷通孔2、第一水冷板6的第一水冷通孔7、第二水冷板10的第二水冷通孔11处分别连接冷凝水管，通过螺纹接头连接，冷凝水流量分别为20L/min、15L/min、5L/min，该冷凝水流量可调节，进行一定程度的增大或减小，可从多位置、大接触面积对厚板铝合金9进行高效冷却控温；将气缸5顶端的进气口16通过气管连接空压机，初始设置压强为0.2Mpa。
步骤三：焊接，调整激光参数与电弧参数，并进行预行走，在确保安全无误后，进行单激光的打底焊、数次复合填充焊以及复合盖面焊，在两次焊接之间通过红外测温仪21对焊缝进行测温，通过调控冷凝水流量，使焊缝快速降温至下道焊接的预热温度，通过气缸5和压力传感器17测量厚板铝合金9表面的应力变化，调控气压大小防止厚板铝合金9出现变形过大，随后经过调节气压的方法使压头18高频锤击厚板铝合金9。
具体的，使激光处于聚焦状态，并调整好激光功率、电弧电流以及焊接速度的大小，进行机器预行走，确认无误后正式焊接；焊接速度为1.2m/min，首先使用5200W激光功率进行单激光打底焊，其次使用4500W激光功率、150A焊接电流进行数次填充焊，最后使用4000W激光功率，180A焊接电流进行盖面焊，其中填充焊可使用摆动激光-电弧复合焊接工艺，可进一步稳定电弧，提高熔滴润湿铺展。
上述焊接过程中，焊后通过防变形装置对厚板铝合金9进行高效冷却，提高焊接效率，减小了由焊接热输入引起的晶粒粗大、热变形、热应力等有害影响，通过红外测温仪21对焊缝温度实时测量，控制冷凝水流量进而控制焊缝温度保持焊接预热温度，再进行下一道焊接；防变形装置在对焊缝进行冷却的同时，压力传感器17测量厚板铝合金9上表面的应力大小，改变气压抑制厚板铝合金9的变形，且通过高频变气压的操作，引导残余应力的消散。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，其特征在于，包括：水冷夹具底板(1)、第一水冷板(6)、第二水冷板(10)、夹持支架(3)、夹板(4)、气缸(5)、红外测温仪(21)；
所述水冷夹具底板(1)开设有多个冷却孔(20)以及与所述冷却孔(20)相连通的若干个底板水冷通孔(2)；
所述第一水冷板(6)夹持于厚板铝合金(9)的上方，所述第一水冷板(6)上开设有多个第一水冷通孔(7)；
所述第二水冷板(10)夹持于厚板铝合金(9)的两侧，所述第二水冷板(10)外侧开设有多个第二水冷通孔(11)；
所述夹持支架(3)安装于所述水冷夹具底板(1)上，用于紧固厚板铝合金(9)与第二水冷板(10)，所述夹板(4)安装于所述夹持支架(3)；
所述气缸(5)设置于所述夹板(4)上，所述气缸(5)下方设有用于锤击厚板铝合金(9)的压力传感器(17)与压头(18)；
所述气缸(5)顶部设有进气口(16)，所述进气口(16)与空压机通过气管连接，所述气缸(5)内部设有活塞(15)，所述活塞(15)一端套有第二弹簧(22)，所述活塞(15)的底部连接压力传感器(17)，所述压力传感器(17)的底部连接压头(18)，所述压力传感器(17)用于实时监测压头(18)底面所受的应力，所述压力传感器(17)所监测的信号通过调控气压阀门的转动控制厚板铝合金(9)的外载荷；
所述第一水冷板(6)底面与厚板铝合金(9)贴合，所述第一水冷板(6)上设有槽道，所述第一水冷通孔(7)设置于所述槽道两侧；
所述第一水冷板(6)通过螺栓、螺母与水冷夹具底板(1)连接，所述螺栓与螺母间设有第一弹簧(8)，所述第一弹簧(8)位于水冷夹具底板(1)下方；
两个第二水冷板(10)通过第一螺柱(12)、螺母紧固，所述红外测温仪(21)通过管夹紧固在第一螺柱(12)上，所述管夹可围绕第一螺柱(12)转动，所述红外测温仪(21)对准焊缝区域，用于测量焊缝处的实时温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，其特征在于：所述夹持支架(3)通过螺栓、螺母紧固在水冷夹具底板(1)上，所述夹持支架(3)分别与厚板铝合金(9)以及第二水冷板(10)接触，所述夹持支架(3)上端部开设有螺纹，所述螺纹用于与螺母配合紧固夹板(4)。
3.根据权利要求1所述的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置，其特征在于：所述夹持支架(3)的上端部为圆柱体，所述夹持支架(3)的上端部圆柱体的两侧沿其轴线方向开设有缺口。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种基于LAHW的厚板铝合金协调变形应力装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：焊前准备，将待焊的厚板铝合金(9)放在水冷夹具底板(1)上，通过第一水冷板(6)与第二水冷板(10)对厚板铝合金(9)进行固定，并调节一定的预紧载荷，安装夹持支架(3)、夹板(4)以及气缸(5)，使气缸(5)底部压头(18)对准第一水冷板(6)槽道处，转动管夹调整红外测温仪(21)测量的位置并拧紧；
步骤二：在水冷夹具底板(1)、第一水冷板(6)、第二水冷板(10)上安装螺纹接头及水管，提前供水检查密封性、冷凝水的流量稳定性以及可调性，在气缸(5)顶部的通孔处安装螺纹接头及气管，并预置一定气压；
步骤三：焊接，调整激光参数与电弧参数，并进行预行走，在确保安全无误后，进行单激光的打底焊、数次复合填充焊以及复合盖面焊，在两次焊接之间通过红外测温仪(21)对焊缝进行测温，通过调控冷凝水流量，使焊缝快速降温至下道焊接的预热温度，通过气缸(5)和压力传感器(17)测量厚板铝合金(9)表面的应力变化，调控气压大小防止厚板铝合金(9)出现变形过大，随后经过调节气压的方法使压头(18)锤击厚板铝合金(9)。
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