CN87100959A - 薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于薄板构件在焊接过程中控制焊接应力和变形的方法和装置。在焊缝区冷却，在焊缝区外侧加热，形成所要求的预置温差，在构件的适当部位施加外力，保证构件在焊接温度场和预热温度场同时作用下不发生其型面以外的压曲失稳变形。此方法适用于控制薄板对接焊缝、管筒壳体纵向对接焊缝、直线角焊缝和丁字焊缝的焊接应力和变形。

Description

本发明属于焊接结构制造中控制应力和变形的方法及其装置。

在焊接薄板构件时，由于热源的不均匀加热，在构件上形成残余压缩塑性应变场和残余应力场。残余应力场将使构件失稳变形。消除薄板构件焊接变形通常采用的方法有两种：其一是在焊前对工件进行预变形，用与焊接变形相反的预变形来补偿焊接变形量;其二是在焊接之后再矫正已经出现的变形。这些方法都需要在构件制造工艺流程中增加相应的焊前或焊后工序，并需有专用的设备，提高了成本，有时还难以保证焊接构件的质量。

在焊接之前用于控制薄板结构焊接应力和变形的方法有如对工件整体加载拉伸法等，这类方法需要专用的加载设备，实施时技术复杂，其技术经济效果较差，未能广泛应用。

在焊接之后采用的方法有如1983年4月日本渡边正纪等人申报的昭60-18292专利等。这些方法都是采用对焊缝区冷却和在其相邻的区域加热，用温差拉伸效应来减小或消除焊接残余应力和变形。

在焊接过程中，采取在焊缝两侧降温减小应力和变形的方法有如1981年7月Π.С.Астахов在苏联专利SU1066765中所述的靠挥发性较强的液体在焊缝两侧挥发吸热降温。这种方法只能减小变形和应力而无法完全消除。另外，日本木下统雄、松井繁明等人在昭53-11138专利中采取大面积平台压紧并加热焊缝以外的板面的方法，在焊接过程中控制变形。该装置局限于焊接带有加强刚性肋条的板件。

苏联Я.И.Бурак等人在1977年№3和1979年№5期《自动焊接》（АВТОМАТИЧЕСКАЯ    СВАРКА）杂誌的著文，对于在焊接过程中冷却焊缝区和加热焊缝区以外的两侧来控制焊接应力和变形的方法所形成的温度梯度和相应的拉伸应力进行了讨论。虽然作者也把近似计算法用于薄板，但仅在4mm和5mm厚的试件上进行了实验验证，还未见这种方法在4mm厚以下的薄板构件的实验结果和实际应用的文献报导。实践表明，这一方法在较薄的薄板构件上不能获得预期的效果。反复进行试验研究的结果证明：在预置温度场和焊接温度场同时作用下，薄板构件在压应力区发生压曲失稳变形，失去了预置拉伸效应。

本发明的目的在于克服上述各类方法的缺点，形成一种针对4mm以下薄板构件受压容易失稳特点的、直接在焊接过程中实施的控制薄板构件焊接应力和变形的方法和装置，操作简便，节省能源，无需专用重型设备，达到低应力、无变形的实际焊接效果。同时也适用4mm以上的构件的焊接。

本发明的构成是一种在焊接区冷却，焊缝区外侧加热，形成特定的预置温度场，在构件适当的部位施加外力，保证构件在预置温度场和焊接温度场同时作用下不发生型面以外的压曲失稳变形，从而获得特定的温差拉伸效应，在焊接过程中控制应力和变形的焊接方法（以下简称NDW法）及其装置。应用本发明操作简便，技术经济效益高，能保证焊接构件的质量。

在焊接过程中，保证构件在预置温度场和焊接温度场同时作用下不发生型面以外的压曲失稳变形，获得预置温差拉伸效应是本发明独具的特点。温差拉伸效应指的是预置温度场在焊缝区域所形成的拉伸应力分布。拉伸应力水平越高，控制焊接应力变形的效果越好。焊接区拉伸应力的形成是由于在焊缝区冷却，焊缝区外侧加热，热胀冷缩效应所致。如果在预热和焊接过程中，构件型面以外出现了压曲失稳变形，将直接影响拉伸效应和控制应力和变形效果。

在焊接和预热时所形成的压应力的作用下，薄板构件容易出现压曲失稳变形。板壳理论和焊接结构分析表明：厚度在4mm以上的板件，由于其压曲失稳的临界应力值较高，因而这些焊接构件的失稳变形对应力的变化并不敏感。但是在同样的条件下，若构件的厚度在4mm以下，则其发生压曲失稳的临界应力值较小，因而构件在焊接和预热过程中是否发生压曲失稳变形对构件内部压应力水平的变化非常敏感，焊接和预热同时作用，构件将发生失稳变形。在实施NDW法时，在构件的适当部位施加外力，保证构件在预热和焊接时不发生型面以外的失稳变形。

对于平板对接焊缝和管筒壳体纵向对接焊缝，实施NDW法的步骤是：焊缝区冷却，焊缝区以外两侧加热，造成特定的预热温差，在构件适当部位施加外力，再进行焊接。外力施加的方法是：在焊缝的两侧各选两点，一点紧靠焊接热源加热部位，另一点位于形成预置温度场的加热部位。所施加外力的数值根据构件的材料和结构特性确定，以保证构件不失稳为限。

对于直线型角焊缝和丁字型焊缝，在实施NDW法时，造成预置温差的方法是：在焊缝区冷却，除在焊缝两侧的平板上设置加热区外，还要在垂直于平板的肋板上设置加热区，并保证构件不发生型面以外的失稳变形。

在焊接具有淬硬倾向的材料时，在保证焊接区有一定的预热温度的基础上，形成预置温差，控制构件焊接应力和变形，并防止其淬硬或裂纹。

对应NDW法的一种薄板构件低应力无变形装置，包括焊接热源、冷却系统、加热系统、加压系统和控制系统，适应焊接平板对接焊缝、筒体纵向对接焊缝。在被焊构件的下面有三个延焊缝伸展的刚性支撑体，其中一个在焊缝正下方，另外两个分别等距离的位于焊缝的两侧，中间的支撑体可带有流通冷却介质的通道，中间支撑体和两侧支撑体之间的空腔中有加热装置，在焊缝正面的两侧有加压装置，加压装置每侧有两个加压点，其中一点对应于中间支撑体，另外一点对应于两侧的支撑体之一。该装置操作简便，技术经济效益高，调节参数多，适应面广。

为了全面了解本发明的内容，现结合有关附图作如下具体说明，

其中：

图1为平面对接焊时采用的NDW方法图。

图2为直线型角焊缝焊接时采用的NDW方法图。

图3为直线型丁字型焊缝焊接时采用的NDW方法图。

图4为预置温度分布和与其相对应的温差应力分布曲线。

图5为一个压力点压紧时构件受压应力作用失稳的情况。

图6为两个压力点压紧构件的情况。

图7为焊接具有淬硬倾向的材料时的预置温度分布曲线。

图8为低应力无变形焊接装置示意图。

图9为平板对接焊时加压系统图。

图10为筒体纵向对接焊时加压系统图。

图11为常规焊后和采用NDW法焊后焊缝区纵向残余压缩塑性应变量测量结果。

图12为常规焊后和采用NDW法焊后构件上的纵向残余应力测量结果。

图1表示NDW法在平板对接焊时的情况。冷却系统1冷却焊缝区域，加热系统2加热焊缝区两侧，3为焊接热源，4为被焊构件。外力P₁、P₂分别施加于紧靠焊接热源的加热部位和预置温度场的加热部，防止构件在预热和焊接时型面以外的压曲失稳变形。P₂施加的位置一般在离开焊缝中心90-120mm处，P₁点的线压力一般为15-20kg/cm，P₂点的线压力一般为10-15kg/cm。

图2、3分别表示NDW法在直线型角焊缝和丁字型焊缝焊接时的情况。冷却系统1在焊缝区冷却，三个加热器2在焊缝区以外的区域加热，形成预置温差，同时施加外力P₁、P₂，防止构件在型面以外的失稳变形。外力施加的方法与平板对接焊时的情况相同。

在图4中给出了预热温度分布和与其相对应的温差应力分布。焊缝区域的温差拉伸效应，取决于预热温度分布。在实际实施NDW法时，预热温度分布主要有三个参数，即Tmax、To和H，随着（Tmax-To）值的增大和H值的减小，焊缝区域的拉伸效应增强。在预热和焊接时бPmax值必须小于构件材料的屈服极限。Tmax、To和H三个值的选取是根据被焊材料的力学性能、热物理性能和结构特性，应用焊接弹塑性应力应变分析和实验相结合的方法。在焊接铝合金材料时，（Tmax-To）的值为130℃～200℃，碳钢和不锈钢为200℃～250℃，而在钛合金上为250℃～350℃。H值为50mm-80mm。

图5和图6分别表示单支点和双支点压紧板的情况。如图5所示，当在板件内有预置温度场和焊接温度场叠加所形成的压应力区时，若只有紧靠焊缝处的P₁压紧构件，构件在压应力作用下仍会产生压曲失稳变形。如果构件上出现了压曲失稳变形，那么失稳变形释放了温差应力场在保持其原有型面时的能量，бmax值（如图4所示）锐减，虽然在构件上仍然存在预置温度场，但失去了设定的预拉伸效应，不能达到低应力无变形的焊接效果。若再施加外力P₂作用于构件（如图6所示），则可保持构件不发生型面以外压曲失稳变形。板壳理论分析表明：在上述应力状态下的构件受压失稳的条件可近似由欧拉临界应力公式表示。临界失稳应力бcr与板件的柔度λ的平方成反比，柔度越大，бcr越低。柔度λ是综合反应构件的支承方式、长度和截面几何性质的无量钢量。图5所示的情况相当于在受压应力部位的板件处于自由状态，柔度大，失稳临界应力小。采用NDW方法，在构件受压应力区域设置外力P₂（如图6所示），在这样的支承条件下，构件的柔度很小，бcr值很大，构件不会发生其型面以外的压曲失稳变形。

图7是采用NDW法焊接具有淬硬倾向的材料时的预热温度分布。T₁为控制应力变形所要求的温度分布，T₂为改善材料焊接性所要求的焊前预热和焊后缓冷的均布温度场。在实际应用中应保证在（T₁+T₂）max区内，构件不发生因受较高温度、较高压应力作用而屈服。在焊接这类材料时，NDW法中的加热系统和冷却系统的功能既提供温差，又保证预热和缓冷，也就是说，既控制焊接应力变形，又防止焊接接头的淬硬或裂纹。

如图8所示的薄板构件低应力无变形焊接装置包括：冷却系统1、加热系统2、焊接热源3、加压系统5和控制系统6。焊接热源可以是电弧、火焰、光束或电子束等，可由小车行走式的、悬臂樑式的或者龙门式的焊接机构组成，冷却系统由焊接区域冷却垫板和提供冷却介质的装置组成;加热系统由加热元件（可以是电阻、红外、火焰等）和隔热元件组成。通过调节冷却系统和加热系统，可在构件上造成所需要的温度分布。加压系统由气路（也可以采用油压、机械等其它方法），双支点压键和支撑体等组成。控制系统由单板机系统（也可以采用其它控制线路）以及其它线路组成，可控制构件上的温度分布和压力分布，并可检测构件上各点的温度值。本装置适合4mm以下的平板对接和筒体纵向对接焊，焊接构件的材料可以是有色金属、也可以是黑色金属。4mm以上的构件同样可以进行焊接。装置的使用方法是：

（1）在装置中安装好待焊构件。

（2）根据待焊构件的材料和结构特性，选择所要求的预置温度场。

（3）控制加热系统、冷却系统和加压系统在构件上形成特定的温差拉伸效应。

（4）启动焊接热源焊接构件。

在控制系统中存有一预置温度场的控制模型，当给定材料特性和结构特性时，通过控制模型系统自动地给出最佳的预置温度场并控制加热过程。本装置可调参数多，操作简便，技术经济效益高。

图9和图10是薄板低应力无变形焊接装置完成平板对接焊和筒体纵向对接焊时结构细节，包括：冷却垫板1、加热元件2、焊接热源3、待焊构件4、带铰结的双支点压键5、下支撑体7。焊接方式可以是手工、半自动和自动焊接。冷却垫板可以采用铜或其它材料，通介质冷却，也可以采用其它的散热方式。加热元件由平行放置的多个发热元件组成，这样调节温度分布方便，不需改变发热元件的位置，只需要控制发热元件的发热量。双支点压键、冷却垫板和下支撑体组成加压系统，防止构件在预热和焊接时型面以外的失稳变形。冷却垫板1位于焊缝的正下方，两个下支撑体7分别等距离的位于焊缝的两侧，支撑体之间的空腔中有发热元件2，双支点压键5在焊缝的两侧加压，其中一点对应位于冷却垫板1，另外一点对应于下支撑体其中之一。三个支撑体可由一体加工而成，也可以分别加工组成。支撑体型面应与被焊构件型面吻合。

图11和图12为试验结果中的一个典型例证。被焊材料为LF6铝合金，尺寸为500×200×1.5平板对接。图11中曲线8为常规焊接条件下焊缝区残余压缩塑性应变量沿焊接接头横截面（y轴）上的分布，曲线9为在同等条件下采用NDW法所得到的结果。试验结果表明：采用NDW法可以把焊缝区的压缩塑性应变量控制在不足以引起残余变形的程度。图12为与残余塑性应变量相对应的残余应力分布。曲线10为常规焊的结果，曲线11为采用NDW法的结果，可见，NDW法把原有焊缝中的峰值拉应力值控制在极低的水平上。焊接残余变形测量结果表明：对于这样的构件，常规焊失稳变形挠度约为14mm，采用NDW法失稳变形为零。上述的试验结果表明：采用NDW法能达到低应力无变形的焊接效果。

Claims (7)

1、一种薄板构件低应力无变形焊接方法，其步骤包括：根据材料和构件特性，通过对焊接热弹塑性过程分析和测试相结合的方法优选预置温度场，在焊接过程中，在焊缝区冷却和在焊缝区外侧加热相结合在构件上造成选定的预置温度场，其特征在于：在构件的适当部位施加外力，保证构件在焊接温度场和预置温度场同时作用下不发生型面以外的压曲失稳变形。

2、一种薄板构件低应力无变形焊接装置，包括焊接热源、冷却系统、加热系统、加压系统和控制系统，其特征在于：在被焊构件的下面有三个沿焊缝伸展的刚性支撑体，其中一个在焊缝正下方，另外两个分别等距离的位于焊缝的两侧，中间的支撑体可带有流通冷却介质的通道，中间支撑体和两侧支撑体之间的空腔中有加热装置，在焊缝正面的两侧有加压装置，加压装置每侧有两个加压点，其中一点对应于中间支撑体，另外一点对应于两侧的支撑体之一。

3、根据权利要求1的焊接方法，其特征在于：对于直线型的角焊缝和丁字型焊缝，造成预置温度场的方法是：在焊缝区冷却，除在焊缝两侧平板上设置预热区外，还要在垂直于平板的肋板上设置预热区，并保证构件不发生型面以外的失稳变形。

4、根据权利要求1的焊接方法，其特征在于：在构件适当部位施加外力的方法为：

（1）在焊缝的两侧各选两点，一点紧靠焊接热源加热部位，另一点位于形成预置温度场的加热部位。

（2）所施加外力的数值根据材料和结构特性确定，以保证构件不失稳为限。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于，在焊接具有淬硬倾向的材料时，在保证焊接区域有一定的预热温度的基础上形成预置温差，控制构件的变形并防止其淬硬和裂纹。

6、根据权利要求2的焊接装置，其特征在于所说的加压装置是带有铰结的双支点压键。

7、根据权利要求2、6其中之一的焊接装置，其特征在于，所说的加热装置由平行放置的多个发热元件组成。

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