CN110587103B - 一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法,该结构包括超高强钢腔体和盖板，超高强钢腔体和盖板之间通过点焊、预热、封焊、焊接和缓冷等步骤进行焊接,采用起弧、收弧、搭接的焊接方式完成单条封闭焊缝的焊接，并采用搭接位置交错的布局方法和对称交错的焊接顺序完成多空腔结构工件在一次真空下的整体电子束焊接，降低各焊缝之间的影响，有效控制变形的同时，大幅提高了焊接效率；同时采用焊前预热、焊后缓冷和及时热处理的方式，有效避免了焊缝开裂的问题。

Description

一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法

技术领域

本发明涉及电子束加工技术领域，特别是涉及一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法。

背景技术

超高强度钢由于其强度高，多用于承力部件。随着航空、航天、船舶等领域的发展，承力部件因其结构性与功能性要求的不断提升，正不断提出焊接方面的需求。对于超高强度钢材料而言，该材料焊接难度较大，且对缺口敏感系数很高，焊后易开裂。目前对于简单结构的超高强度钢工件，采用电子束焊接的方法可实现有效连接，其焊接接头的拉伸、冲击、疲劳等性能均能满足要求。

超高强度钢多空腔结构与工字梁结构相比，其承力能力更强，而与实体结构相比重量又轻，因此在承力结构研制方面具有一定的优势。而对于多空腔结构的制造而言，采用焊接方法连接盖板与腔体，无疑比铆接更具有先进性；但同时也由于其结构的特殊性及刚性拘束较大，导致多条焊缝之间存在相互影响，存在较大的焊缝收缩变形；由于热量逐渐累积导致整个工件严重变形，在连续焊接的情况下甚至易导致焊缝或热影响区开裂。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，本方法采用搭接位置交错的布局方法和正反面对称交错的焊接顺序，能够降低各焊缝之间的影响，有效控制变形的同时，大幅提高了焊接效率，同时采用焊前预热、焊后缓冷和及时热处理的方式，有效避免了焊缝开裂的问题。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，该结构包括超高强钢腔体和盖板，其特征在于，所述的超高强度钢多空腔结构为矩形且包括多个贯穿超高强钢正反面的腔体及用于密封腔体的多个盖板，盖板的数量是腔体数量的2倍，所述的焊接方法包括：

第一步，将用于密封腔体的盖板分别与对应的腔体装配在一起形成待焊接工件，盖板与对应的腔体之间形成焊缝，所述盖板与其对应腔体之间均形成搭接区，位于同一平面的搭接区上下交错分布，且正反面的搭接区上下对应分布；

第二步，将第一步中装配好的待焊接工件放入电子束焊接件的真空室内，关闭真空室大门，启动抽真空；

第三步，将盖板与对应的腔体点焊在一起，并完成示教编程确定焊接轨迹；

第四步，按照第三步制定好的焊接轨迹利用电子束对盖板与对应的腔体之间形成焊缝附近进行预热；

第五步，按照第三步制定好的焊接轨迹对待焊接工件进行封焊；

第六步，采用正反面对称交错的顺序对全部的焊缝进行焊接；

第七步，对焊接后的工件进行缓冷处理。

进一步地，超高强钢多空腔结构内部设有沿水平方向贯穿超高强钢的减重孔。

进一步地，第三步点焊时的加速电压为70～150kV，电子束流≤5mA；盖板的长直边至少点焊5点，盖板的短直边至少点焊4点，盖板的圆角边至少点焊3点。

进一步地，焊缝处按焊接顺序依次为起弧区、焊接区、搭接区和收弧区。进一步地，起弧区长度为15～40mm，搭接区长度为5～25mm，收弧区长度为15～40mm。

进一步地，第四步预热时，电子束流≤3mA，并对焊缝附近预热三圈。

进一步地，第五步封焊时，电子束流为8～15mA。

进一步地，第六步焊接时，电子束流为30～36mA。

进一步地，第七步缓冷时，电子束流≤3mA。

进一步地，焊接方法还包括在缓冷结束后将焊接好的工件在真空室内保温1小时以上，随后取出并在30分钟内进行高温回火处理。

(3)有益效果

综上，本发明采用搭接位置交错的布局方法，避免了焊接热量集中在一侧，将有利于电子束焊接热输入能量的均匀分布，有利于焊接应力变形对称分布，使焊接变形得到了有效控制；采用正反面对称交错的焊接顺序，避免了工件局部多条焊缝的焊接能量集中输入，延长局部单条焊缝冷却时间，降低了局部焊接位置的温度梯度，有利于单条焊缝的焊接应力释放；同时采用这种方法，有效地降低了相邻盖板之间的焊接热输入的影响，降低了多条焊缝焊接应力叠加程度，避免了工件局部焊后应力过大、整体变形严重以及局部开裂等问题；同时采用焊前预热、焊后缓冷和及时热处理的方式，有效避免了焊缝开裂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中盖板与超高强钢腔体装配示意图；

图2是图1中A-A方向的剖视图；

图3是图1中B-B方向的剖视图；

图4是图1中C-C方向的剖视图；

图5是焊接轨迹示意图；

图6是超高强钢多空腔结构正面搭接区位置分布示意图；

图7是超高强钢多空腔结构反面搭接区位置分布示意图；

图8是焊接顺序示意图；

图中：

1-盖板；2-超高强钢多空腔结构；3-腔体；4-焊缝；5-减重孔；6-起弧区；7-搭接区；8-收弧区；9-焊接区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1至图4所示，本发明实施例的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，该结构包括超高强钢腔体2和盖板1，所述的超高强度钢多空腔结构2为矩形且包括多个贯穿超高强钢正反面的腔体3及用于密封腔体的多个盖板1，盖板1的数量是腔体3数量的2倍，所述的焊接方法包括：

第一步，将用于密封腔体3的盖板1分别与对应的腔体3装配在一起形成待焊接工件，盖板1与对应的腔体3之间形成焊缝4，焊缝4数量是腔体3数量的2倍，本实施例中焊缝4数量为6个，如图6和图7所示，所述盖板1与其对应腔体3之间均形成搭接区7，位于同一平面的搭接区7上下交错分布，且位于工件正反面的搭接区7上下对应分布，搭接区7如此分布避免了焊接热量集中在一侧，将有利于电子束焊接热输入能量的均匀分布，有利于焊接应力变形对称分布，使焊接变形得到了有效控制；

第二步，将第一步中装配好的待焊接工件放入电子束焊接件的真空室内，关闭真空室大门，启动抽真空；

第三步，将盖板1与对应的腔体3点焊在一起，并完成示教编程确定焊接轨迹；

第四步，按照第三步制定好的焊接轨迹利用电子束对盖板1与对应的腔体3之间形成焊缝4附近进行预热，预热能够减少焊接时母材与焊缝4的温度梯度，对焊后冷却速度产生一定影响，从而降低焊缝4开裂风险；

第五步，按照第三步制定好的焊接轨迹对待焊接工件进行封焊，封焊能够使沿焊接深度方向的部分材料实现连接，同时封焊也具有进一步预热的作用；

第六步，采用正反面对称交错的顺序对全部的焊缝4进行焊接，即如图8所示，焊接顺序依次为I→Ⅱ→Ⅲ→IV→Ⅴ→Ⅵ，本实施例中的焊接顺序能够避免了工件局部多条焊缝4的焊接能量集中输入，尽可能延长局部单条焊缝4冷却时间，降低了局部焊接位置的温度梯度，有利于单条焊缝4的焊接应力释放；同时采用这种方法，有效地降低了相邻盖板1之间的焊接热输入的影响，尽可能降低了多条焊缝4焊接应力叠加程度，避免了工件局部焊后应力过大、整体变形严重以及局部开裂等问题；

第七步，对焊接后的工件进行缓冷处理，缓冷处理利用散焦电子束对焊接后的区域进行局部的加热，起到局部热处理作用，对降低焊缝4处应力峰值起到一定的作用。

作为本发明的一具体实施例，超高强钢多空腔结构2内部设有沿水平方向贯穿超高强钢的减重孔5，减重孔5沿左右方向设置且减重孔5的轴线与腔体3开设方向垂直，减重孔5不仅具有减重作用，而且在真空电子束焊接过程中有利于气体排逸，降低了气孔等缺陷的产生几率，提高了焊接质量。

为了稳固盖板1与腔体3之间的连接，第三步点焊时的加速电压为70～150kV，电子束流≤5mA；盖板1的长直边至少点焊5点，盖板1的短直边至少点焊4点，盖板1的圆角边至少点焊3点。

如图5所示，焊缝4处按焊接顺序依次为起弧区6、焊接区9、搭接区7和收弧区8。本发明中盖板1与腔体3之间的点焊、封焊和焊接均采用此焊接轨迹。

作为本发明的一具体实施例，起弧区6长度为15～40mm，搭接区7长度为5～25mm，收弧区8长度为15～40mm。

为了减少焊接时母材与焊缝4的温度梯度，对焊后冷却速度产生一定影响，从而降低焊缝4开裂风险，第四步预热时，电子束流≤3mA，并对焊缝4附近预热三圈。

为了使沿焊接深度方向的部分材料实现连接，同时起到进一步预热的作用，第五步封焊时，电子束流为8～15mA。

作为本发明的一具体实施例，第六步焊接时，电子束流为30～36mA。

为了降低焊缝4处应力峰值，第七步缓冷时，电子束流≤3mA。

为了提高焊接质量和工件强度，焊接方法还包括在缓冷结束后将焊接好的工件在真空室内保温1小时以上，随后取出并在30分钟内进行高温回火处理。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，该结构包括超高强钢腔体和盖板，其特征在于，所述的超高强钢多空腔结构为矩形且包括多个贯穿超高强钢正反面的腔体及用于密封腔体的多个盖板，盖板的数量是腔体数量的2倍，所述的焊接方法包括：

第一步，将用于密封腔体的盖板分别与对应的腔体装配在一起形成待焊接工件，盖板与对应的腔体之间形成焊缝，所述盖板与其对应腔体之间均形成搭接区，位于同一平面的搭接区上下交错分布，且正反面的搭接区上下对应分布；

第二步，将第一步中装配好的待焊接工件放入电子束焊接件的真空室内，关闭真空室大门，启动抽真空；

第三步，将盖板与对应的腔体点焊在一起，并完成示教编程确定焊接轨迹；

第四步，按照第三步制定好的焊接轨迹利用电子束对盖板与对应的腔体之间形成焊缝附近进行预热；

第五步，按照第三步制定好的焊接轨迹对待焊接工件进行封焊；

第六步，采用正反面对称交错的顺序对全部的焊缝进行焊接；

第七步，对焊接后的工件进行缓冷处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述超高强钢多空腔结构内部设有沿水平方向贯穿超高强钢的减重孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述第三步点焊时的加速电压为70～150kV，电子束流≤5mA；盖板的长直边至少点焊5点，盖板的短直边至少点焊4点，盖板的圆角边至少点焊3点。

4.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述焊缝处按焊接顺序依次为起弧区、焊接区、搭接区和收弧区。

5.根据权利要求4所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述起弧区长度为15～40mm，搭接区长度为5～25mm，收弧区长度为15～40mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述第四步预热时，电子束流≤3mA，并对焊缝附近预热三圈。

7.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述第五步封焊时，电子束流为8～15mA。

8.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述第六步焊接时，电子束流为30～36mA。

9.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述第七步缓冷时，电子束流≤3mA。

10.根据权利要求1所述的一种基于应力离散分布的超高强钢多空腔结构的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法，在缓冷结束后将焊接好的工件在真空室内保温1小时以上，随后取出并在30分钟内进行高温回火处理。

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