CN111876585B - 焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置及方法 - Google Patents

焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置，包括：固定工装，其上具有两排通孔；复数个超声换能器，具有本体、本体下端具有锥状的变幅杆发射部；变幅杆发射部下端固定连接有法兰盘；各超声换能器的变幅杆发射部伸入各固定工装的通孔，与固定工装下方的焊接件接触，通过螺栓将法兰盘与固定工装固定，且所述两排通孔正对焊接件的焊缝的两侧设置；驱动超声换能器工作的驱动装置。还提供了相应的调控方法。使用本发明能对钢材焊缝处的残余应力进行调控。

Description

焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置及方法
技术领域
本发明涉及残余应力调控技术领域，特别是指一种焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置及调控方法。
背景技术
对于两个钢材焊接件进行焊接时，尤其是针对比较厚的钢材，例如门窗，难免在焊接后，使得两个焊在一起的焊接件在焊缝处产生应力，使得该焊缝处为应力突变处，对日后两个焊接件的牢固焊接产生影响。
如何能够在焊接过程中，对焊缝处的残余应力进行消除，是有待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置及调控方法，以能消减钢材焊缝处的残余应力。
本发明提供了一种焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置，包括：
固定工装，其上具有两排通孔；
复数个超声换能器，具有本体、本体下端具有锥状的变幅杆发射部；变幅杆发射部下端固定连接有法兰盘；
各超声换能器的变幅杆发射部伸入各固定工装的通孔，与固定工装下方的焊接件接触，通过螺栓将法兰盘与固定工装固定，且所述两排通孔正对焊接件的焊缝的两侧设置；
驱动超声换能器工作的驱动装置。
由上，本发明通过设计复数个超声换能器以及与超声换能器连接的变幅杆发射部，在对钢材焊接时，通过将复数个变幅杆发射部均匀布置在焊接件的焊缝的两侧位置，并且使发射部的前端面与焊接件紧密接触，通过对该复数个超声换能器进行调控，在焊接过程中不断输入连续超声波，使得超声波辐射到熔池中，在焊趾熔融状态到凝固过程中，将上述超声波的机械振动传递给焊接件的焊缝，使焊缝部位表面产生足够深度的塑变层，从而有效地改善焊缝与母材过渡区的外表形状，使其平滑过渡，降低了焊接部位的应力集中程度，使焊缝附近的金属得以强化，同时利用超声波对减小晶粒尺寸、使溶质均匀分布、减小偏析等特性，减小焊接残余应力，提高焊接接头性能，从而保证两个焊接件的牢固焊接。
其中，所述驱动装置包括：依次信号连接的残余应力调控仪，包括依次信号连接的工控机、模数信号卡和多通道控制器；多个程控电源，与多通道控制器的各通道分别信号连接；转接器，用于将多个程控电源的电信号输出至对应的多个超声换能器。
由上，通过设计对应超声换能器数量的多通道控制器和多个程控电源，可以根据不同的调控要求选用不同的残余应力调控模式，从而对每个超声换能器进行不同模式的调控。
优选的，所述变幅杆发射部与法兰盘之间具有套筒，通过螺栓将变幅杆发射部与套筒固定，该套筒与法兰盘固定连接。
其中，固定所述变幅杆发射部与套筒的螺栓上套接有弹簧，及/或
固定所述法兰盘与固定工装的螺栓上套接有弹簧。
由上，通过选择套筒与法兰盘的结构将变幅杆发射部固定在固定工装上，同时，在连接变幅杆发射部与套筒的螺栓上设置弹簧，或者在连接法兰盘与固定工装的螺栓上设置弹簧，当弹簧长度一定时，各弹簧预压缩量一定，压缩力一定，当将焊接件压紧在固定工装上时，焊接件压变幅杆发射部，导致变幅杆发射部上的法兰盘压缩弹簧，6个或8个弹簧保持一致的弹力，使变幅杆发射部与焊接件保持紧密接触。
其中，所述焊缝为曲线，对应的焊接件为曲面时，所述变幅杆发射部与焊接件接触的端面为匹配的曲面。
其中，所述焊缝为三维空间相贯线时，所述变幅杆发射部与焊接件接触的端面为沿规则曲面所匹配的曲面。
其中，应用于堆焊焊接以及超宽焊缝焊接区域的残余应力的调控时，所述变幅杆发射部垂直贴合于焊接件表面。
由上，在实际应用中，变幅杆发射部与焊接件接触的端面根据焊缝的实际形状确定，不论焊缝是曲线或者三维空间相贯线，变幅杆发射部与焊接件接触的端面均与焊接面相匹配，且均采用垂直贴合的方式使变幅杆发射部与焊接件表面接触，以使得超声波垂直发射到焊接件，最大程度的减小焊接残余应力。
本发明还提供了一种焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控的方法，包括：
使用上述任一所述的焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置，将其两排通孔对应的两排变幅杆发射部与焊接件的焊缝的两侧接触设置；
且，所接触位置远离焊接热影响区10-15mm距离，作为焊接过程中残余应力调控位置；
焊接时使焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置工作进行焊接过程中残余应力调控。
由上，本方法通过将复数个变幅杆发射部均匀布置在焊接件的焊缝的两侧位置，使发射部的前端面与焊接件紧密接触，并且使接触位置远离焊接热影响区10-15mm距离，然后对该复数个超声换能器进行调控，在焊接过程中不断输入连续超声波，使得超声波辐射到熔池中，在焊趾熔融状态到凝固过程中，利用超声波对减小晶粒尺寸、使溶质均匀分布、减小偏析等，减小焊接残余应力，提高焊接接头性能，从而保证两个焊接件的牢固焊接。
其中，在调控应力前先进行残余应力检测，再进行调控，调控结束后再次进行残余应力检测。
由上，在调控应力前先进行残余应力检测，并根据检测的残余应力调整残余应力调控仪，使其驱动超声换能器输出合适的中心频率，对焊接过程中的残余应力进行调控，并在调控结束后再次进行残余应力检测，保证调控效果。
附图说明
图1为本发明焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置的结构示意图；
图2为固定工装装配超声换能器的结构示意图的俯视图；
图3为固定工装装配超声换能器的结构示意图的侧视图；
图4为超声换能器的剖视图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
厚板钢结构焊接残余应力过大、且当大于材料屈服强度后会导致变形，本发明可应用于厚板钢结构的焊接过程，如应用于钢门窗焊过程，对焊缝的残余应力与变形的进行调控。
如图1示出了本申请的焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置的结构示意图，包括：
固定工装20，其上具有两排通孔；
复数个超声换能器10，如图2-图3，分别示出了固定工装装配超声换能器的结构示意图的俯视图和侧视图，具体的，每个超声换能器10具有本体、本体下端具有锥状的变幅杆发射部11；变幅杆发射部11下端具有套筒13和法兰盘12，在本发明的实施例中，该套筒13和法兰盘12可选用一体式结构的法兰套筒；其中，该复数个超声换能器10可以构成阵列式调控，这样焊缝较长的情况下依然可以达到很好的残余应力的调控效果。超声换能器10为超声波产生装置，用于将电信号转换为相同频率的超声波，变幅杆发射部11为将声波振幅放大装置，用于将上述超声波进行放大并传递给其所接触的焊接件；上述超声换能器10的中心频率一般为15～20KHz，可根据具体情况选用；
各超声换能器10的变幅杆发射部11伸入固定工装20的各通孔，与固定工装20下方的焊接件接触，通过螺栓将变幅杆发射部11与套筒13固定，再通过螺栓将法兰盘12与固定工装20固定，且所述两排通孔正对焊接件的焊缝的两侧设置；
通过图4中超声换能器沿A-A方向的剖面(剖面A-A)及剖面上套筒螺栓部分(局部视图B)可看出，上述套筒13上的螺纹孔的下部还设有光孔，当将螺栓拧入螺纹孔中，顶住光孔底部，起到限位的作用，使螺栓拧入深度固定为统一的值，同时，在固定该变幅杆发射部11与套筒13的螺栓上还套接有弹簧，当弹簧长度一定时，各弹簧预压缩量一定，压缩力一定，当将焊接件压紧在工装上时，焊接件压变幅杆发射部，导致变幅杆发射部上的法兰盘压缩弹簧，6个或8个弹簧保持一致的弹力，使变幅杆发射部与焊接件保持紧密接触。除此之外，还可在固定法兰盘12与固定工装20的螺栓上套接弹簧，其作用与上述变幅杆发射部11与套筒13的螺栓上的弹簧一致。
本发明中，当所有超声换能器阵列分布时，往往由于焊接件的原始表面平面度不够或因焊接应力导致构件变形等原因，导致变幅杆发射部与焊接件接触不好，所以采用弹簧装置，使每一个超声换能器为一个独立的压紧单元，确保变幅杆发射部始终与焊接件表面紧密贴合。
超声换能器10电连接驱动超声换能器10工作的驱动装置。
其中，所述驱动装置包括：依次信号连接的残余应力调控仪30，包括依次信号连接的工控机、模数信号卡和多通道控制器；多个程控电源40，与多通道控制器的各通道分别信号连接，在上述工控机的控制下，提供不同频率的电信号；转接器50，用于将多个程控电源40的电信号输出至对应的多个超声换能器10，激励多个超声换能器10将电能转换成相同频率的机械振动(超声波)，并通过变幅杆发射部11进行放大后发射到接触的焊接件上。通过该驱动装置，可以根据不同的调控要求选用不同的残余应力调控模式，如振动频率的高低、如定频或变频等。
其中，将变幅杆垂直放置于调控构件表面并将变幅杆发射端与调控构件表面紧密贴合，变幅杆发射端形状可与调控构件表面匹配，例如：
当所述焊缝为曲线，对应的焊接件为曲面时，所述变幅杆发射部与焊接件接触的端面为匹配的曲面；
当所述焊缝为三维空间相贯线时，所述变幅杆发射部与焊接件接触的端面为沿规则曲面所匹配的曲面；
当应用于堆焊焊接以及超宽焊缝焊接区域的残余应力的调控时，所述变幅杆发射部垂直贴合于焊接件表面。
通过上述结构，使得将变幅杆发射端与调控构件表面紧密贴合，以将超声振动传至调控构件，作用于焊缝，并且，具体调控位置和超声换能器数量根据焊缝的大小和形状而定。
本发明还提供了一种焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控的方法，包括：
使用所述的焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置，将其两排通孔对应的两排变幅杆发射部与焊接件的焊缝的两侧接触设置；
且，所接触位置远离焊接热影响区10-15mm距离，作为焊接过程中残余应力调控位置；
焊接时使焊接残余应力产生过程的声波消减均化调控装置工作进行焊接过程中残余应力调控。使超声换能器在厚板中形成板波，其中，在焊接过程中一直启动超声设备，在焊接件中不断输入连续超声波，超声波辐射到熔池中，在焊趾熔融状态到凝固过程中，利用超声波对减小晶粒尺寸、使溶质均匀分布、减小偏析等，减小焊接残余应力，提高焊接接头性能。
另外，在上述调控应力时可先进行残余应力检测，并根据检测出的残余应力选择残余应力调控仪的工作模式，再进行上述调控，调控结束后再次进行残余应力检测，如此反复操作，从而实现通过调控焊接残余应力实现对焊接变形的调控，提高焊接接头性能，从而保证两个焊接件的牢固焊接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (7)

1.一种焊接残余应力的声波消减均化调控装置，其特征在于，所述装置在焊接过程中对焊接产生的焊接残余应力进行调控，其包括：
固定工装，其上具有两排通孔；
复数个超声换能器，具有本体、本体下端具有锥状的变幅杆发射部；变幅杆发射部下端固定连接有法兰盘；
各超声换能器的变幅杆发射部伸入各固定工装的通孔，与固定工装下方的焊接件接触，通过螺栓将法兰盘与固定工装固定，且所述两排通孔正对焊接件的焊缝的两侧设置；
驱动超声换能器工作的驱动装置，
所述变幅杆发射部与法兰盘之间具有套筒，通过螺栓将变幅杆发射部与套筒固定，该套筒与法兰盘固定连接，
固定所述变幅杆发射部与套筒的螺栓上套接有弹簧，及/或
固定所述法兰盘与固定工装的螺栓上套接有弹簧。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动装置包括：
依次信号连接的残余应力调控仪，包括依次信号连接的工控机、模数信号卡和多通道控制器；
多个程控电源，与多通道控制器的各通道分别信号连接；
转接器，用于将多个程控电源的电信号输出至对应的多个超声换能器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述焊缝为曲线，对应的焊接件为曲面时，所述变幅杆发射部与焊接件接触的端面为匹配的曲面。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述焊缝为三维空间相贯线时，所述变幅杆发射部与焊接件接触的端面为沿规则曲面所匹配的曲面。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
应用于堆焊焊接以及超宽焊缝焊接区域的残余应力的调控时，所述变幅杆发射部垂直贴合于焊接件表面。
6.一种焊接残余应力的声波消减均化调控的方法，其特征在于，包括：
使用权利要求1至5任一所述的焊接残余应力的声波消减均化调控装置，将其两排通孔对应的两排变幅杆发射部与焊接件的焊缝的两侧接触设置；
且，所接触位置远离焊接热影响区10-15mm距离，作为焊接过程中残余应力调控位置；
焊接时使焊接残余应力的声波消减均化调控装置工作，在焊接过程中进行残余应力调控。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
在调控应力前先进行残余应力检测，再进行调控，调控结束后再次进行残余应力检测。
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