CN114101873A - 铁路货车构件焊接应力和变形调控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，包括底座，及沿X方向依次布置在底座上的预热机构、焊中定位机构、焊接头以及焊后超声矫形机构，预热机构在焊接前对焊接区域进行加热，焊中定位机构用于将焊接区域的板材调整到统一高度，焊接头用于焊接板材，焊后超声矫形机构用来对焊缝两侧进行碾压。利用预热装置对焊接板材加热到预设温度，减少了焊接后的温度差并降低了冷却速度，焊接时利用焊后超声矫形机构对焊接后的区域进行超声敲击以增加焊缝区域金属的塑形流动，提高焊接接头的疲劳强度，有效降低焊接残余应力和焊接变形。

Description

铁路货车构件焊接应力和变形调控装置及方法
技术领域
本发明涉及铁路货车构件焊接技术领域，具体涉及一种铁路货车构件焊接应力和变形调控装置及方法。
背景技术
铁路货车车厢主要由端墙、侧墙、地板等结构件焊接而成，各结构件一般为板柱式结构，板材厚度较薄且长宽尺寸较大，一般由多块小尺寸的钢板拼接而成。单条焊缝长度一般在3米左右，单个部件的拼接焊缝总长可达几十米以及甚至上百米；在焊接过程中，由于金属的局部受到高温加热和冷却的焊接热循环影响，会不可避免的存在焊接应力和变形。同时焊接过程中温差越大，冷却越快，则焊接金属的残余应力和焊接变形越大。残余应力和焊接变形对整车质量造成较大的不利影响。而焊前火焰预热装置在预热时，会导致预热气体与保护气体相互作用，焊接后的焊缝存在气孔等缺陷。因此，目前焊接过程中存在焊接残余应力和变形控制不佳，焊接板材定位效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种铁路货车构件焊接应力和变形调控装置及方法，克服了现有技术中焊接过程中焊接残余应力和变形控制不佳、焊接板材定位效率低的问题。
为实现上述目的，本发明所设计的铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，包括底座，及沿X方向依次布置在底座上的预热机构、焊中定位机构、焊接头以及焊后超声矫形机构，预热机构在焊接前对焊接区域进行加热，焊中定位机构用于将焊接区域的板材调整到统一高度，焊接头用于焊接板材，焊后超声矫形机构用来对焊缝两侧进行碾压。
进一步地，所述预热机构包括固定在底座上的滑动导轨、可滑动的安装在滑动导轨上的滑块及通过活动夹具安装在滑块上的加热气管，滑动导轨的滑动方向与焊接行进方法一致。
进一步地，所述焊中定位机构包括通过螺栓安装在底座上的第一安装座及安装在第一安装座上的定位架，定位架的上部和中部均通过活动夹具安装在第一安装座上，定位架的下部安装有对焊接区域板材进行辊压的轮辊。
进一步地，所述焊接头包括通过固定夹具固定安装在底座上的焊枪和送丝机构，送丝机构通过螺栓连接在焊枪下部。
进一步地，所述焊后超声矫形机构包括通过螺栓固定在底座上的第二安装座及安装在第二安装座上的矫形器，矫形器通过电缆与超声发生器进行连接；矫形器的上部和中部均通过活动夹具固定在安装座上；矫形器的下部装有矫形块，矫形块在中间沿X方向具有凹槽。
进一步地，所述加热气管向焊接方向倾斜且与Y方向的夹角为10°～20°。
进一步地，所述定位架下部的左侧有两个轮辊、右侧有两个轮辊，且同侧两个轮辊之间具有供焊接的缝隙。
进一步地，所述焊枪向焊接方向倾斜且与Y方向的夹角为10°～20°。
还提供一种如上述所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置的调控方法：
利用夹具夹持焊接板材将其固定在焊接工作台上，移动调控装置至焊接板材上方，调整焊接头与焊接板材在垂直方向上的距离，调整活动夹具使焊中定位机构和焊后矫形机构与板材充分接触；
焊接前预热机构对焊接板材加热到预设的预热温度；当焊接区域温度达到预设的预热温度时，调控装置按照预设速度沿焊接方向移动，同时焊中定位机构对焊接区域的板材进行辊压，焊接头对焊接板材进行焊接；
焊后超声矫形机构对焊接后的板材进行超声振动，激振频率与焊接板材的固有频率相等；矫形块对焊接后的板材进行压实，中间凹槽不与焊缝接触，两边部分则分别压紧焊缝两侧。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、利用预热装置对焊接板材加热到预设温度，减少了焊接后的温度差并降低了冷却速度，焊接时利用焊后超声矫形机构对焊接后的区域进行超声敲击以增加焊缝区域金属的塑形流动，提高焊接接头的疲劳强度，有效降低焊接残余应力和焊接变形。
2、在焊接时，焊中定位装置可实时调整焊接板材之间的高度差，消除了焊缝咬边的缺陷，同时可减化焊接板材的装夹过程，显著提高整个板材的焊接效率。
3、相比于传统的焊接后进行残余应力消除的方法，可在焊接过程中消除了焊接残余应力与变形，减化了整个工艺流程，显著提高整个板材的焊接效率。
4、本装置灵活度高，通过更换焊接头可适用于多种焊接方式的焊接应力和变形的调控。
附图说明
图1为本发明铁路货车构件焊接应力和变形调控装置结构示意图；
图2为图1中轮辊示意图。
其中，底座1、预热机构2、焊中定位机构3、焊接头4、焊后超声矫形机构5、螺栓孔6、滑动导轨7、滑块8、加热气管9、活动夹具10、第一安装座11、定位架12、电缆13、轮辊14、焊枪15、固定夹具16、送丝机构17、第二安装座18、矫形器19、矫形块20。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，包括底座1，及沿X方向(即焊接行进方向)依次布置在底座1上的预热机构2、焊中定位机构3、焊接头4以及焊后超声矫形机构5，预热机构2在焊接前对焊接区域进行加热，焊中定位机构3用于将焊接区域的板材调整到统一高度，焊接头4用于焊接板材，焊后超声矫形机构5用来对焊缝两侧进行碾压。
底座1的四个角开设有螺栓孔6，方便将其它机构固定在底座上。
预热机构2包括固定在底座1上的滑动导轨7、可滑动的安装在滑动导轨7上的滑块8及通过活动夹具10安装在滑块上的加热气管9，滑动导轨7的滑动方向与焊接行进方法一致；加热气管9用于输送可燃气体，点燃可燃气体对焊接区域进行加热，调整活动夹具10可调整加热气管9在Y方向的长度，同时加热气管9向焊接方向倾斜且与Y方向的夹角为10°～20°。
焊中定位机构3包括通过螺栓安装在底座1上的第一安装座11及安装在第一安装座11上的定位架12，定位架12的上部和中部均通过活动夹具10安装在第一安装座11上，定位架12的下部安装有对焊接区域板材进行辊压的轮辊14，通过调整活动夹具10调整定位架12在Y方向的长度。沿焊接行进方向，定位架12下部的左侧有两个轮辊14即(焊接区域左侧有两个轮辊)、右侧有两个轮辊14(焊接区域右侧有两个轮辊)，且同侧两个轮辊14之间具有供焊接的缝隙，如图2所示。
焊接头4包括通过固定夹具16固定安装在底座1上的焊枪15和送丝机构17，焊枪15向焊接方向倾斜且与Y方向的夹角为10°～20°；送丝机构17通过螺栓连接在焊枪下部，焊枪15内部有钨极和保护气体。
焊后超声矫形机构5包括通过螺栓固定在底座1上的第二安装座18及安装在第二安装座18上的矫形器19，矫形器19通过电缆13与超声发生器进行连接；矫形器19的上部和中部均通过活动夹具10固定在安装座18上，通过调整活动夹具10调整矫形器19在Y方向的长度；矫形器19的下部装有矫形块20，矫形块20在中间沿X方向具有凹槽。当进行焊后超声矫形时，矫形块20对焊接后的板材进行压实，中间凹槽不与焊缝接触，两边部分则分别压紧焊缝两侧。
作业时，利用夹具夹持焊接板材的四角将其固定在焊接工作台上，移动上述调控装置至焊接板材上方，根据不同的焊接方式，调整焊接头4与焊接板材在垂直方向上的距离。调整活动夹具使焊中定位机构3和焊后矫形机构5与板材充分接触，焊接前预热机构2对焊接板材加热到预设的预热温度，预设的预热温度由材料的碳当量计算公式决定，同时避免温度处于200℃～300℃。
当焊接区域温度达到预设的预热温度时，调控装置按照预设速度沿焊接方向移动，预设速度可根据不同材料、不同焊接方式和焊接质量进行调整，同时焊中定位机构3对焊接区域的板材进行辊压，降低对接板材的高度差，焊接头4对焊接板材进行焊接。
焊后超声矫形机构5对焊接后的板材进行超声振动，激振频率与焊接板材的固有频率相等，当焊接后的板材在超声频率共振时，***消耗最小的能量使板材得到最大的激振能量，内部晶粒运动越剧烈，获得的激振能量越多，这样板材内部的残余应力的消除量越多，残余应力的消除效果最佳。

Claims (9)

1.一种铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：包括底座(1)，及沿X方向依次布置在底座(1)上的预热机构(2)、焊中定位机构(3)、焊接头(4)以及焊后超声矫形机构(5)，预热机构(2)在焊接前对焊接区域进行加热，焊中定位机构(3)用于将焊接区域的板材调整到统一高度，焊接头(4)用于焊接板材，焊后超声矫形机构(5)用来对焊缝两侧进行碾压。
2.根据权利要求1所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述预热机构(2)包括固定在底座(1)上的滑动导轨(7)、可滑动的安装在滑动导轨(7)上的滑块(8)及通过活动夹具(10)安装在滑块上的加热气管(9)，滑动导轨(7)的滑动方向与焊接行进方法一致。
3.根据权利要求1所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述焊中定位机构(3)包括通过螺栓安装在底座(1)上的第一安装座(11)及安装在第一安装座(11)上的定位架(12)，定位架(12)的上部和中部均通过活动夹具(10)安装在第一安装座(11)上，定位架(12)的下部安装有对焊接区域板材进行辊压的轮辊(14)。
4.根据权利要求1所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述焊接头(4)包括通过固定夹具(16)固定安装在底座(1)上的焊枪(15)和送丝机构(17)，送丝机构(17)通过螺栓连接在焊枪下部。
5.根据权利要求1所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述焊后超声矫形机构(5)包括通过螺栓固定在底座(1)上的第二安装座(18)及安装在第二安装座(18)上的矫形器(19)，矫形器(19通过电缆(13)与超声发生器进行连接；矫形器(19)的上部和中部均通过活动夹具(10)固定在安装座(18)上；矫形器(19)的下部装有矫形块(20)，矫形块(20)在中间沿X方向具有凹槽。
6.根据权利要求2所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述加热气管(9)向焊接方向倾斜且与Y方向的夹角为10°～20°。
7.根据权利要求3所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述定位架(12)下部的左侧有两个轮辊(14)、右侧有两个轮辊(14)，且同侧两个轮辊(14)之间具有供焊接的缝隙。
8.根据权利要求4所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置，其特征在于：所述焊枪(15)向焊接方向倾斜且与Y方向的夹角为10°～20°。
9.一种根据权利要求1所述铁路货车构件焊接应力和变形调控装置的调控方法，其特征在于：
利用夹具夹持焊接板材将其固定在焊接工作台上，移动调控装置至焊接板材上方，调整焊接头(4)与焊接板材在垂直方向上的距离，调整活动夹具使焊中定位机构(3)和焊后矫形机构(5)与板材充分接触；
焊接前预热机构(2)对焊接板材加热到预设的预热温度；当焊接区域温度达到预设的预热温度时，调控装置按照预设速度沿焊接方向移动，同时焊中定位机构(3)对焊接区域的板材进行辊压，焊接头(4)对焊接板材进行焊接；
焊后超声矫形机构(5)对焊接后的板材进行超声振动，激振频率与焊接板材的固有频率相等；矫形块(20)对焊接后的板材进行压实，中间凹槽不与焊缝接触，两边部分则分别压紧焊缝两侧。
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