CN87100959B - 薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置 - Google Patents

薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置 Download PDF

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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

薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置
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。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：预变形法，整体加载拉伸法等;焊接之后采用的方法有如：滚压法、温差拉伸法等。各种控制和消除焊接应力和变形的方法有一定的应用范围和一定的局限性。
苏联Я.И.БУРак等人在1977年№3和1979年№5期《自动焊接》（АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА）杂志的著文，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（如4mm以下）的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方法的缺点，针对较薄的薄板构件受压容易失稳这一特点，提出一种新的焊接方法，即直接在焊接过程中控制薄板构件的焊接应力和变形，达到低应力无变形的实际焊接效果。
本发明的构成是一种在焊缝区冷却，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。
予置温度场是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确定的。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。焊缝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，被焊构件出现了压曲失稳变形，虽然在被焊构件上造成了所选定的预置温度场，由于构件上出现失稳变形，也达不到所要求的预置温差拉伸效应。也就是说，为了控制焊接应力和变形，在所施加的预置温度场相同的条件下，被焊构件上出现失稳变形和没有出现失稳变形的差别就是预置温差拉伸效应的差别，它将导致最终控制焊接应力和变形效果上的差别。
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：厚度远大于4mm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压应力的变化并不敏感。但是在同样的条件下，若构件厚度接近4mm或在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，实验表明，在焊接和预热同时作用下，构件将发生失稳变形。在实施NDW法时，对于这类构件，为了保证构件在预热和焊接时不发生失稳变形，在构件适当的部位施加外力是必不可少的。对于厚度大于4mm的构件，其压曲失稳的临界应力较高，当构件厚度逐渐接近4mm时，其压曲失稳的临界应力值也逐渐下降，因而在焊接时，构件仍会发生程度不同的失稳变形，当对焊接变形控制的要求较高时，采用NDW法同样会产生良好的效果。
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，焊缝以外两侧加热，造成特定的预置温差，在构件适当部位施加外力，再进行焊接。施加外力的方法是：在焊缝的两侧各选两点，一点紧靠焊接热源加热部位，另一点位于形成予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***、加热***、加压***和控制***，适用于焊接平板对接焊缝、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。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为平板对接焊时采用的NDW方法示意图。
图2为直线型角焊缝焊接时采用的NDW方法示意图。
图3为直线型丁字型焊缝焊接时采用的NDW方法示意图。
图4为预置温度分布和与其相对应的温差应力分布曲线示意图。
图5为焊接具有淬硬倾向的材料时的预置温度分布曲线示意图。
图6为本发明焊接装置示意图。
图7为筒体纵向对接焊时加压装置示意图。
图8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9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***（1）冷却焊缝区域，加热***（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位，以便防止被焊构件在预热和焊接时发生上述的失稳变形。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***（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，防止构件发生上述的失稳变形，外力施加的方法与平板对接焊时的情况相同。
在图4中给出了预置温度分布和与其相对应的温差应力分布示意图。焊缝区域的温差拉伸效应，取决于预置温度分布。在实际实施NDW法时，预置温度分布主要有三个参数，即Tmax，T0和H，其中Tmax是预置温度场的最高温度值，T0是预置温度分布在焊接区域中心的温度值。H是Tmax在被焊构件上的对应点到焊缝中心的距离。
随着Tmax与T0的差值的增大和H值的减小，焊缝区域的拉伸效应增强。在预热和焊接时σpmax值最好小于被焊构件材料的屈服极限。Tmax、T0和H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，以及相应的应用数学分析和实验相结合的方法选取的。选取过程为：首先确定被焊构件焊接变形的状况和要控制的应力水平，然后确定要多高的预置温差拉伸效应才能满足控制变形和应力的要求，再根据所要求的拉伸效应确定预置温度分布，即确定Tmax、T0和H的数值，在焊接铝合金材料时，Tmax与T0的差值为130℃-200℃，碳钢和奥氏体不锈钢为200℃-250℃，而对于钛合金材料时为250℃-350℃。H值为50-80mm。
图5是采用NDW法焊接具有淬硬倾向的材料时预热温度分布示意图。T1为形成预置温差拉伸效应来控制焊接应力和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予热和焊后缓冷的均布温度场。因为在焊接具有淬硬倾向的材料时，如果焊缝区域冷却速度过快，容易使焊接接头淬硬，出现裂纹。为了防止出现这种情况，在焊接区又加了一个均布温度场T2，这时构件受到T1和T2两个温度场的同时作用，前者通过温差拉伸效应控制构件的焊接应力和变形，后者起予热和缓冷的作用，通过控制焊接区域的冷却速度，防止接头淬硬或裂纹。T2值视被焊材料的碳当量和使用要求确定。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、较高压应力而屈服。在焊接这类材料时，NDW法中的加热***和冷却***的功能既要提供温差，又要保证预热和缓冷，也就是说，既控制焊接应力和变形，又防止焊接接头的淬硬或裂纹。
图6是本发明焊接装置示意图，图7是筒体纵向对接焊时加压装置的示意图。根据本发明所述的焊接方法的薄板构件低应力无变形焊接装置，包括焊接热源（3）、冷却***（13）、加热***（14）、加压***（6）和控制***（12），待焊构件（4）的焊缝下面是冷却垫板（1），其两侧等距离地设置支撑（7），这样在被焊构件的下面形成三个沿焊缝伸展的刚性支撑体，中间的支撑体即冷却垫板（1）内可以带有流通冷却介质的通道，该通道与冷却***（13）相通。冷却垫板可以采用铜或其他材料，冷却方式可通过介质流通冷却，也可以采用其他的散热方式。在冷却垫板（1）与支撑体（7）之间的空腔中有加热元件（2），由加热***（14）提供能源。加热元件由平行放置的多个发热元件组成，这样便于调节温度分布。在焊缝正面的两侧有加压装置，它们是带有铰接的双支点压键（5），压键（5）有两个加压点，其中一点对应于中间支撑体即冷却垫板（1），另外一点对应于两侧的支撑体（7）之一，加压***（6）向压键（5）提供所需要的压力。三个支撑体（指（1）和（7））可一体加工制成，也可以分别加工后组装，其接触被焊构件的表面应与被焊构件的型面吻合，整个焊接装置可以是悬臂梁式的，也可以是箱体式的，视被焊构件的总体尺寸而定。控制***（12）用来控制焊接装置各***的协调工作。整个装置的焊接方式可以是手工、半自动或自动焊接。
下面结合附图6以平板对接焊形式为例说明本专利的实施。首先将被焊构件（4）装在装置中，焊缝中心线对齐冷却垫板（1）的中心线，然后加压***（6）通过双支点压键（5）压紧被焊构件（4），控制***（12）控制加热元件（2）对构件（4）加热，冷却***（13）使冷却垫板（1）同时冷却，当被焊构件（4）上的预置温度分布达到所要求的温度分布时，控制***（12）自动地保持这个温度分布，此时即可启动焊接热源（3）进行焊接。焊接过程中预置温度分布不变。焊缝完成后，加热元件（2）对构件（4）的加热作用自动消失，双支点压键（15）抬起，取出被焊构件（4）并冷却到室温后，被焊构件的状态就是低应力无变形状态。
图8和图9给出使用NDW法与常规焊法对同一构件焊接时焊缝区残余塑性应变量εxP和纵向残余应力δx的实测结果对比，它清晰地表明了本发明方法的优点。被焊材料为LF6铝合金，构件是尺寸为500×200×1.5mm的平板对接。其中曲线（8）为常规焊接条件下焊缝区残余塑性应变量εxP沿焊缝横截面（Y轴）上的分布，曲线（9）为同等条件下采用NDW法所得到的结果。曲线（10）为常规焊缝区的残余应力δx的分布，它与曲线（8）相对应。由于焊接时焊缝区域的金属受到其他区域金属的约束而最终呈现塑性压缩应变状态（εxP为负值），所以其残余应力δx表现为拉应力（δx为正值）。曲线（11）是与曲线（9）对应的采用NDW法时的δx分布。显而易见，NDW法把焊缝中的残余拉应力控制在极低的水平上。实测表明，对这样的构件，常规焊失稳变形挠度约为14mm，采用NDW法时失稳变形为零，实现了低应力无变形的焊接效果。

Claims (9)

1、一种薄板构件低应力无变形焊接方法，根据材料和构件的特性，通过对焊接热弹塑性过程分析和测试相结合的方法优选予置温度场，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予置温度场，其特征在于：在被焊构件的适当部位施加外力，保证被焊构件在焊接温度场和预置温度场同时作用下不发生压曲失稳变形。
2、根据权利要求1所述的焊接方法，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，一点要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稳为限。
3、根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于：对于直线型的角焊缝和丁字型焊缝，造成予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予热区外，还要在垂直于平板的助板上设置予热区，并保证构件不发生失稳变形。
4、根据权利要求1、2或3所述的焊接方法，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予热温度的基础上形成予置温差，通过予置温差控制构件变形，通过予热和缓冷防止构件在焊接后淬硬和裂纹。
5、根据权利要求1所述方法的薄板构件低应力无变形焊接装置，包括焊接热源、冷却***、加热***、加压***和控制***，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地位于焊缝的两侧，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。
6、根据权利要求5所述的焊接装置，其特征在于所说的加压装置是带有铰接的双支点压键。
7、根据权利要求6所述的焊接装置，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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