[其他]薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置

说明书

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。

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。