CN112496623A - 一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装，包括若干散热柱，散热柱贴敷于焊接工件的表面并靠近焊缝。散热柱共四处，散热柱两两分组并以焊缝为中心线对称设置，在焊缝的一侧中，位于焊缝所在面的散热柱为第一散热柱，位于焊接工件背离焊缝一面的散热柱为第二散热柱；第一散热柱比第二散热柱更靠近焊缝。第一散热柱包括底板、散热管和支架，底板贴敷于工件表面，底板上表面向上延伸出散热管，散热管内充有水银，散热管上端外表设有若干翅片，支架承托起底板、散热管及焊接工件；底板与工件贴合，工件上的高温透过底板传递往散热管内。

Description

一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体是一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装。

背景技术

焊接是一种将两个工件结合在一起的加工方式，最常见就是熔化两个金属件的结合处金属使其液态混合并填入焊料。

焊接时由于进入高温过程，焊缝处的金属由于受热不均匀，存在热应力，如果焊接时工件是被完全固定的，那么虽然焊接过程工件保持原状，但焊接过后热应力释放时会表现成工件变形，是一种常见的焊接缺陷。

现有技术中，通常通过预先反变形法来抵靠焊接变形，但是由于变形量无法预先精确确定，所以无法完全抵消，而且预先反变形法使得焊缝处的焊枪头工作不方便，对于一些像垂直焊、角焊等形式焊接也不方便让工件预先反变形。

热应力积攒于焊缝中影响焊缝强度，缺焊、漏焊等缺陷常常遇见，而为了充分焊接，又怕工件的热影响区较大而改变区域内的金相组织造成非预期的结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装，包括若干散热柱，散热柱贴敷于焊接工件的表面并靠近焊缝。

针对平板或条形板的焊接并不简单，尤其对于板类工件且成一定的角度的焊接，由于焊缝有时只能出现在一边，焊接后的变形非常影响零件的后续使用。

焊接应力来自于焊缝处的受热不均匀，焊缝面处的热量集中，相比于焊缝背面受热更多，在焊接过程中受热膨胀，如果工件具有强硬的约束，那么膨胀无法得到释放，热应力作为内部应力保留下来，焊接完毕后辅助工具撤除，受热部分在冷却下来后收缩，造成成品的两端往上翘曲，而本发明通过在焊接工件上靠近焊缝处设置散热柱，将焊接热量控制在一定的范围内而不延伸出去，从而焊缝处的热胀有限，焊接完毕后的收缩也有限，最终避免焊接完毕后的翘曲。相比于传统的空气散热或者保护气体散热，通过散热柱的形式直接与工件相接触进行温度控制，不仅热量导出的热流量大大提高，而且位置精确可控，温度梯度等参数也能进行调配。

对于较大面积的平板类焊接，由于焊缝较长，所以，如果为了节省散热柱的设置数量，可以让散热柱也随着焊接点前进，但在焊缝前进方向上滞后正在进行的焊接点一定距离。

进一步的，散热柱共四处，散热柱两两分组并以焊缝为中心线对称设置，在焊缝的一侧中，位于焊缝所在面的散热柱为第一散热柱，位于焊接工件背离焊缝一面的散热柱为第二散热柱；第一散热柱比第二散热柱更靠近焊缝。

上下表面分布的第一散热柱和第二散热柱分别从工件上吸收一定的热量，影响工件内的温度分布，默认第一散热柱和第二散热柱和工件贴合紧密且热阻小，工件内的热量可以快速的传递给两个散热柱，焊接面上的散热柱靠近焊缝，将焊缝面上的高温区压缩得较短，而背面上的散热柱离得较远，高温区压缩得相比于焊缝面上的区域要宽，但是由于背面上的温度本来就低于焊缝面上一定程度，所以，温升与温升范围的乘积可以近似相等，而温升乘以温升的长度范围就是这一长度上的预期热膨胀量，上下表面的预期膨胀量相等，从而达到同步膨胀与同步收缩的效果，消除后续由于收缩不均匀导致的变形。

进一步的，第一散热柱包括底板、散热管和支架，底板贴敷于工件表面，底板上表面向上延伸出散热管，散热管内充有水银，散热管上端外表设有若干翅片，支架承托起底板、散热管及焊接工件；

底板与工件贴合，工件上的高温透过底板传递往散热管内，散热管内充斥的水银，水银具有较低的熔沸点，其常温就成液态，沸点为357℃，工件焊接时，焊缝附近的温度可以快速升高至八九百度，所以，散热柱从焊缝附近工件表面上汲取热量后，传递给水银时，水银沸腾蒸发，水银的汽化热可以显著的带走大量的热量，并快速的传递至散热管的顶部，相比于直接一根实心的散热管，中间掏空并充入水银，可以达到快速地将热量从散热管底部传递至散热管顶部的目的，即，第一散热管所贴敷处的工件热量快速转移出去，在工件上形成一个降温区，达到前述的调配工件温度场的目的。水银到达散热管上端后，散热管上端外表面设有大量的翅片用于散热，降温过后的水银重新凝结为液态落回散热管底部，热量的搬运借助水银可以快速进行，散热管的上端可以制作得较大并布置尽可能多的翅片，以便散热功率满足需求。

第二散热柱具有与第一散热柱相类似的安装结构，只是第二散热柱的散热管也需要朝上安装，所以要进行折弯处理。

进一步的，底板通过夹子与工件相互固定。夹子具有可调的夹紧力，可以让散热柱与工件具有一定预紧力的贴紧，防止松动与接触不充分产生热量壁障。

进一步的，工装还包括千分表，千分表通过安装架设置于焊缝下方，千分表的表头抵触工件缝隙的下方，第一散热柱包括三根散热管，三根散热管以垂直于焊缝的方向依次并排分布，散热管中间位置设有通断阀。工件在支撑处为自由安装并垫有缓震垫。

千分表可以识别焊缝处上下表面的热胀情况，由于前述的散热柱已经大体上将焊缝处上下表面的热胀程度相统一了，所以，外界也不再需要将两个工件完全固定了，只需要承托起工件，使其不会由于重力而掉落或翻转即可，在支撑处自由安装的工件在焊接过程中受热膨胀，自发的发生向焊缝两侧的伸展，如果第一散热柱与第二散热柱散热可靠且调配的工件内部温度场均匀合适的话，那么抵紧焊缝下方的千分表表头应当不会检测到位移变化，将千分表应当预先压下一定的位移抵触在焊缝下方。如果散热柱有些微的调配不完善，例如焊缝面上热胀较多，那么工件整体会在焊缝处发生向上的翘曲，千分表检测到的跳动度减小，此时应当进一步压缩焊缝面上的高温区，第一散热柱上靠近焊缝的散热管上的通断阀打开，从而让更靠近焊缝的散热管开始工作，从工件上汲取热量，抑制焊缝上翘的趋势；如果千分表所检测的跳动值是增大的，说明焊缝处是下凹变形，就断开第一散热柱上靠近焊缝的散热管而打开离焊缝较远的散热管。千分表的加入使得焊缝的变形可以被充分检测，通过检测获得的变形方向调整第一散热柱的相关散热管通断，微调工件内部温度场，达到更精确的热胀平衡。

作为优化，千分表为电子式千分表，通断阀为电磁阀并与千分表电连接。电子式与电磁阀可以方便接入自动控制以完成自动自动次调整。

进一步的，千分表表头与工件之间垫以绝热片。焊缝处具有很高的温度，如果直接与千分表表头接触，那么千分表会由于温度影响而发生数值变化甚至损坏千分表，垫入绝热片后可以隔绝热量，绝热片应当较薄或具有极低的热胀系数。

进一步的，工装还包括激振头，激振头抵触工件表面。

激振头可以释放掉焊接过程中积攒于工件内部的内应力，激振即激振时效，在焊接完毕后的冷却阶段就使用激振时效，可以实时地消除内应力，相比于已经降温完毕后使用激振时效消除内应力，在工件冷却过程使用激振时效可以降低激振的功率，由于温度较高时形变较为容易，所以激振头的激振力设定地较小也能达到消除内应力的作用。激振过程也能充分夯实焊缝内部材料使其均匀，防止后期出现材料不均匀导致的裂缝等焊接缺陷。

进一步的，激振头共四个，分别位于四处散热柱一旁，激振头比相邻的散热柱更靠近焊缝。激振头主要用于焊接区域内的应力释放，四处散热柱依然分界出热影响区与非焊接区。

作为优化，散热管上部浸入一水罐中。散热管上部的散热其实就是工件热量转移过来的热量，空冷散热效果有限，浸入一水罐中进行水冷可以大大缩减散热管上部的散热结构，应当注意的是要保证散热管上端凝结下来的水银可以顺畅回流回散热管底部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用散热柱分别贴合上工件表面，焊接过程中，散热柱从工件上吸取热量并通过散热管内的水银快速转移至散热管上端，散热柱分别在焊缝面与背面上界定出热影响区域，并通过设置位置的调配使得焊缝面与背面的热胀相同，同步热胀，同步收缩，防止后期焊接件变形，千分表表头数值识别焊缝处的上凸与下凹变形，微调第一散热柱内散热管的通断，精细改善焊缝处上下表面的热胀程度；使用本发明辅助焊接时，焊缝更窄更深，工件的结合更加紧密。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为两个工件焊接处温度分布示意图；

图2为本发明散热柱在工件上的布置示意图；

图3为本发明作用时工件上的温度分布示意图；

图4为本发明第一散热柱位置处与工件的安装示意图；

图5为本发明第二散热柱位置处与工件的安装示意图；

图6为使用本发明前后焊缝的形状示意图。

图中：1-第一散热柱、11-底板、12-散热管、13-通断阀、14-水银、19-支架、2-第二散热柱、3-夹子、4-千分表、5-绝热片、6-激振头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装，包括若干散热柱，散热柱贴敷于焊接工件的表面并靠近焊缝。

针对平板或条形板的焊接并不简单，尤其对于板类工件且成一定的角度的焊接，由于焊缝有时只能出现在一边，焊接后的变形非常影响零件的后续使用，本发明所有附图以工件平放进行焊接示意。

如图1所示，焊接应力来自于焊缝处的受热不均匀，焊缝面处的热量集中，相比于焊缝背面受热更多，在焊接过程中受热膨胀，如果工件具有强硬的约束，那么膨胀无法得到释放，热应力作为内部应力保留下来，焊接完毕后辅助工具撤除，受热部分在冷却下来后收缩，造成成品的两端往上翘曲，而本发明通过在焊接工件上靠近焊缝处设置散热柱，将焊接热量控制在一定的范围内而不延伸出去，从而焊缝处的热胀有限，焊接完毕后的收缩也有限，最终避免焊接完毕后的翘曲。相比于传统的空气散热或者保护气体散热，通过散热柱的形式直接与工件相接触进行温度控制，不仅热量导出的热流量大大提高，而且位置精确可控，温度梯度等参数也能进行调配。

对于较大面积的平板类焊接，由于焊缝较长，所以，如果为了节省散热柱的设置数量，可以让散热柱也随着焊接点前进，但在焊缝前进方向上滞后正在进行的焊接点一定距离。

如图2、3所示，散热柱共四处，散热柱两两分组并以焊缝为中心线对称设置，在焊缝的一侧中，位于焊缝所在面的散热柱为第一散热柱1，位于焊接工件背离焊缝一面的散热柱为第二散热柱2；第一散热柱1比第二散热柱2更靠近焊缝。

上下表面分布的第一散热柱1和第二散热柱2分别从工件上吸收一定的热量，如图3所示，影响工件内的温度分布，默认第一散热柱1和第二散热柱2和工件贴合紧密且热阻小，工件内的热量可以快速的传递给两个散热柱，如图3所示，焊接面上的散热柱靠近焊缝，图中工件上的曲线为等温线，相比于图1中未设置散热柱时发生显著变形，将焊缝面上的高温区压缩得较短，而背面上的散热柱离得较远，高温区压缩得相比于焊缝面上的区域要宽，但是由于背面上的温度本来就低于焊缝面上一定程度，所以，温升与温升范围的乘积可以近似相等，而温升乘以温升的长度范围就是这一长度上的预期热膨胀量，上下表面的预期膨胀量相等，从而达到同步膨胀与同步收缩的效果，消除后续由于收缩不均匀导致的变形。

如图2、4所示，第一散热柱1包括底板11、散热管12和支架19，底板11贴敷于工件表面，底板11上表面向上延伸出散热管12，散热管12内充有水银14，散热管12上端外表设有若干翅片，支架19承托起底板11、散热管12及焊接工件；

底板11与工件贴合，工件上的高温透过底板11传递往散热管12内，散热管12内充斥的水银14，水银具有较低的熔沸点，其常温就成液态，沸点为357℃，工件焊接时，焊缝附近的温度可以快速升高至八九百度，所以，散热柱从焊缝附近工件表面上汲取热量后，传递给水银14时，水银14沸腾蒸发，水银14的汽化热可以显著的带走大量的热量，并快速的传递至散热管12的顶部，相比于直接一根实心的散热管，中间掏空并充入水银14，可以达到快速地将热量从散热管12底部传递至散热管12顶部的目的，即，第一散热管1所贴敷处的工件热量快速转移出去，在工件上形成一个降温区，达到前述的调配工件温度场的目的。水银14到达散热管12上端后，散热管12上端外表面设有大量的翅片用于散热，降温过后的水银重新凝结为液态落回散热管12底部，热量的搬运借助水银14可以快速进行，散热管12的上端可以制作得较大并布置尽可能多的翅片，以便散热功率满足需求。

如图5所示，第二散热柱2具有与第一散热柱1相类似的安装结构，只是第二散热柱2的散热管也需要朝上安装，所以要进行折弯处理。

如图6所示，调配工件温度场后，焊缝形状相应发生改变，使用本发明的部件辅助焊接时，焊缝更窄更深，工件的结合更加紧密。

如图4、5所示，底板11通过夹子3与工件相互固定。夹子3具有可调的夹紧力，可以让散热柱与工件具有一定预紧力的贴紧，防止松动与接触不充分产生热量壁障。

如图3所示，工装还包括千分表4，千分表4通过安装架设置于焊缝下方，千分表4的表头抵触工件缝隙的下方，第一散热柱1包括三根散热管12，三根散热管12以垂直于焊缝的方向依次并排分布，散热管12中间位置设有通断阀13。工件在支撑处为自由安装并垫有缓震垫。

千分表4可以识别焊缝处上下表面的热胀情况，由于前述的散热柱已经大体上将焊缝处上下表面的热胀程度相统一了，所以，外界也不再需要将两个工件完全固定了，只需要承托起工件，使其不会由于重力而掉落或翻转即可，在支撑处自由安装的工件在焊接过程中受热膨胀，自发的发生向焊缝两侧的伸展，如果第一散热柱1与第二散热柱2散热可靠且调配的工件内部温度场均匀合适的话，那么抵紧焊缝下方的千分表4表头应当不会检测到位移变化，将千分表4应当预先压下一定的位移抵触在焊缝下方。如果散热柱有些微的调配不完善，例如焊缝面上热胀较多，那么工件整体会在焊缝处发生向上的翘曲，千分表4检测到的跳动度减小，此时应当进一步压缩焊缝面上的高温区，第一散热柱1上靠近焊缝的散热管12上的通断阀13打开，从而让更靠近焊缝的散热管12开始工作，从工件上汲取热量，抑制焊缝上翘的趋势；如果千分表4所检测的跳动值是增大的，说明焊缝处是下凹变形，就断开第一散热柱1上靠近焊缝的散热管12而打开离焊缝较远的散热管12。千分表4的加入使得焊缝的变形可以被充分检测，通过检测获得的变形方向调整第一散热柱1的相关散热管12通断，微调工件内部温度场，达到更精确的热胀平衡。

千分表4为电子式千分表，通断阀13为电磁阀并与千分表4电连接。电子式与电磁阀可以方便接入自动控制以完成自动自动次调整。

千分表4表头与工件之间垫以绝热片5。焊缝处具有很高的温度，如果直接与千分表4表头接触，那么千分表4会由于温度影响而发生数值变化甚至损坏千分表，垫入绝热片5后可以隔绝热量，绝热片5应当较薄或具有极低的热胀系数。

如图3所示，工装还包括激振头6，激振头6抵触工件表面。

激振头6可以释放掉焊接过程中积攒于工件内部的内应力，激振即激振时效，在焊接完毕后的冷却阶段就使用激振时效，可以实时地消除内应力，相比于已经降温完毕后使用激振时效消除内应力，在工件冷却过程使用激振时效可以降低激振的功率，由于温度较高时形变较为容易，所以激振头的激振力设定地较小也能达到消除内应力的作用。激振过程也能充分夯实焊缝内部材料使其均匀，防止后期出现材料不均匀导致的裂缝等焊接缺陷。

激振头6共四个，分别位于四处散热柱一旁，激振头6比相邻的散热柱更靠近焊缝。激振头6主要用于焊接区域内的应力释放，四处散热柱依然分界出热影响区与非焊接区。

散热管12上部浸入一水罐中。散热管12上部的散热其实就是工件热量转移过来的热量，空冷散热效果有限，浸入一水罐中进行水冷可以大大缩减散热管12上部的散热结构，应当注意的是要保证散热管12上端凝结下来的水银14可以顺畅回流回散热管12底部。

本发明的主要运行过程是：将要焊接的两个工件放置到相应支撑上并可沿支撑面自由浮动，而将散热柱分别贴合上工件表面，焊接过程中，散热柱从工件上吸取热量并通过散热管内的水银快速转移至散热管上端，散热柱分别在焊缝面与背面上界定出热影响区域，并通过设置位置的调配使得焊缝面与背面的热胀相同，同步热胀，同步收缩，防止后期焊接件变形，千分表4表头数值识别焊缝处的上凸与下凹变形，微调第一散热柱内散热管的通断，精细改善焊缝处上下表面的热胀程度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种热应力自适应补偿的刚性结构件焊接用工装，其特征在于：所述工装包括若干散热柱，所述散热柱贴敷于焊接工件的表面并靠近焊缝；

所述散热柱共四处，散热柱两两分组并以焊缝为中心线对称设置，在焊缝的一侧中，位于焊缝所在面的散热柱为第一散热柱（1），位于焊接工件背离焊缝一面的散热柱为第二散热柱（2）；所述第一散热柱（1）比第二散热柱（2）更靠近焊缝；

所述第一散热柱（1）包括底板（11）、散热管（12）和支架（19），所述底板（11）贴敷于工件表面，底板（11）上表面向上延伸出散热管（12），所述散热管（12）内充有水银（14），所述散热管（12）上端外表设有若干翅片，所述支架（19）承托起底板（11）、散热管（12）及焊接工件；所述第二散热柱（2）以与第一散热柱（1）相同的结构安装贴附在工件下表面，第二散热柱（2）的散热管折弯并朝上安装；所述散热管（12）上部浸入一水罐中；

所述工装还包括千分表（4），所述千分表（4）通过安装架设置于焊缝下方，千分表（4）的表头抵触工件缝隙的下方，所述第一散热柱（1）包括三根散热管（12），三根所述散热管（12）以垂直于焊缝的方向依次并排分布，散热管（12）中间位置设有通断阀（13）；

所述底板（11）通过夹子（3）与工件相互固定，所述千分表（4）表头与工件之间垫以绝热片（5）。

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