薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置制造方法及图纸

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。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。这些方法都需要在构件制造工艺流程中增加相应的焊前或焊后工序，并需有专用的设备，提高了成本，有时还难以保证焊接构件的质量。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对工件整体加载拉伸法等，这类方法需要专用的加载设备，实施时技术复杂，其技术经济效果较差，未能广泛应用。在焊接之后采用的方法有如1983年4月日本渡边正纪等人申报的昭60-18292专利等。这些方法都是采用对焊缝区冷却和在其相邻的区域加热，用温差拉伸效应来减小或消除焊接残余应力和变形。在焊接过程中，采取在焊缝两侧降温减小应力和变形的方法有如1981年7月Π.С.Астахов在苏联专利SU1066765中所述的靠挥发性较强的液体在焊缝两侧挥发吸热降温。这种方法只能减小变形和应力而无法完全消除。另外，日本木下统雄、松井繁明等人在昭53-11138专利中采取大面积平台压紧并加热焊缝以外的板面的方法，在焊接过程中控制变形。该装置局限于焊接带有加强刚性肋条的板件。苏联Я.И.Бурак等人在1977年№3和1979年№5期《自动焊接》(АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА)杂誌的著文，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，这一方法在较薄的薄板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。本专利技术的目的在于克服上述各类方法的缺点，形成一种针对4mm以下薄板构件受压容易失稳特点的、直接在焊接过程中实施的控制薄板构件焊接应力和变形的方法和装置，操作简便，节省能源，无需专用重型设备，达到低应力、无变形的实际焊接效果。同时也适用4mm以上的构件的焊接。本专利技术的构成是一种在焊接区冷却，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型面以外的压曲失稳变形，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。应用本专利技术操作简便，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型面以外的压曲失稳变形，获得预置温差拉伸效应是本专利技术独具的特点。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。焊接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，构件型面以外出现了压曲失稳变形，将直接影响拉伸效应和控制应力和变形效果。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在4mm以上的板件，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应力的变化并不敏感。但是在同样的条件下，若构件的厚度在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，焊接和预热同时作用，构件将发生失稳变形。在实施NDW法时，在构件的适当部位施加外力，保证构件在预热和焊接时不发生型面以外的失稳变形。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，焊缝区以外两侧加热，造成特定的预热温差，在构件适当部位施加外力，再进行焊接。外力施加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，另一点位于形成预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，并保证构件不发生型面以外的失稳变形。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、冷却系统、加热系统、加压系统和控制系统，适应焊接平板对接焊缝、筒体纵向对接焊缝。在被焊构件的下面有三个延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。为了全面了解本专利技术的内容，现结合有关附图作如下具体说明，其中图1为平面对接焊时采用的NDW方法图。图2为直线型角焊缝焊接时采用的NDW方法图。图3为直线型丁字型焊缝焊接时采用的NDW方法图。图4为预置温度分布和与其相对应的温差应力分布曲线。图5为一个压力点压紧时构件受压应力作用失稳的情况。图6为两个压力点压紧构件的情况。图7为焊接具有淬硬倾向的材料时的预置温度分布曲线。图8为低应力无变形焊接装置示意图。图9为平板对接焊时加压系统图。图10为筒体纵向对接焊时加压系统图。图11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12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。冷却系统1冷却焊缝区域，加热系统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，防止构件在预热和焊接时型面以外的压曲失稳变形。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。冷却系统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，防止构件在型面以外的失稳变形。外力施加的方法与平板对接焊时的情况相同。在图4中给出了预热温度分布和与其相对应的温差应力分布。焊缝区域的温差拉伸效应，取决于预热温度分布。在实际实施NDW法时，预热温度分布主要有三个参数，即Tmax、To和H，随着(Tmax-To)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бPmax值必须小于构件材料的屈服极限。Tmax、To和H三个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，应用焊接弹塑性应力应变分析和实验相结合的方法。在焊接铝合金材料时，(Tmax-To)的值为130℃～200本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄板构件低应力无变形焊接方法，其步骤包括：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预置温度场，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预置温度场，其特征在于：在构件的适当部位施加外力，保证构件在焊接温度场和预置温度场同时作用下不发生型面以外的压曲失稳变形。

【技术特征摘要】
1.一种薄板构件低应力无变形焊接方法，其步骤包括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预置温度场，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预置温度场，其特征在于在构件的适当部位施加外力，保证构件在焊接温度场和预置温度场同时作用下不发生型面以外的压曲失稳变形。2.一种薄板构件低应力无变形焊接装置，包括焊接热源、冷却系统、加热系统、加压系统和控制系统，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。3.根据权利要求1的焊接...

【专利技术属性】
技术研发人员：关桥，郭德伦，曹阳，李从卿，邵亦陈，刘纪达，
申请(专利权)人：航空工业部六二五研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]