[发明专利]动态控制薄板构件低应力无变形焊接方法及其装置

说明书

本发明属于焊接结构制造中控制焊接应力和变形的方法和装置。

用常规的焊接方法焊接薄板构件时，由于受焊接热源局部加热，焊缝区的温度很不均匀，在焊缝区产生较大的压缩塑性变形，并因此在焊后会形成与压缩塑性应变场对应的残余应力场。对于薄板结构，如果该残余应力超过构件失稳的临界应力，就会导致构件的失稳变形。

原苏联专利[AC414066]公开的“耐热镍铬钢及合金的焊接方法”，在焊接过程中，把两股或多股液态气体射流与金属平面成一定角度，沿焊接的反方向输送到熔池的结晶部位，提高该处的冷却速度，调整焊缝金属的结晶，提高焊缝区的热裂纹成形的焊接稳定性。

从控制焊接区的内应力方面来讲，这种焊接方法的局限性在于：其一，用多个喷嘴同时输送液态气体，是对熔池及高温焊缝区的大面积冷却，不能有效地控制焊接区的应力和变形;其二，仅利用液态气体射流进行冷却，其冷却强度受到限制;其三，以液态气体射流与金属平面成一定角度，沿焊接的反方向喷射来保证液态气体不干扰电弧实际上不可行。

本发明的目的是提出一种能提高冷却强度、实现局部冷却，有效地控制焊接区的应力和变形，同时能防止冷却介质干扰电弧的焊接方法和装置。

本发明的技术方案是：一种动态控制薄板构件低应力无变形焊接方法，采用跟随焊接热源移动的冷却介质射流对仍处于高温状态的焊缝进行强制冷却，其特征是：（1）利用高压气体将冷却介质先行雾化后，再喷射到焊缝高温区;（2）通过包围着冷却介质喷嘴的抽气管及时将冷却介质的蒸汽和剩余冷却介质排走;（3）抽气管下端与工件之间的间隙用屏蔽网封严，屏蔽网的材料可以用玻璃纤维布、石棉布、金属丝网等制作。

所述的冷却介质可以是水、液化二氧化碳、液氮或者其它冷却液。使用流量计调节冷却介质和高压气的流量，以控制冷却强度，适应不同材质、不同厚度的薄板构件的焊接需要。

在焊接过程中，用冷却介质射流跟随焊接热源对仍处于高温状态的焊缝局部急冷来获得强烈拉伸效应，从而在焊接过程中控制工件的焊接应力和变形是本发明独具的特点。常规焊时，由于焊缝区受焊接热源的局部加热而急速膨胀，但其膨胀却受到周围温度较低金属的约束，焊缝高温区因此被强烈压缩，并且由于高温区材料的屈服极限较低，从而在焊缝区产生了很大的压缩塑性变形，随着焊件温度的降低，焊缝区由于不协调压缩塑性变形的产生，其收缩又受到周围金属的约束，从而产生很大的残余拉应力，而周围金属则产生残余压应力。对于薄板构件，由于其本身的刚度小，稳定性差，很容易在焊接残余应力作用下发生诸如局部翘曲和扭转等比较明显的失稳变形。采用可跟随焊接热源移动的冷却介质射流，可在焊接热源后适当位置，对焊缝高温区进行局部急冷。虽然在焊接热源作用下，焊缝区产生了一定的压缩塑性变形，但由于在焊接热源后，热量开始向周围温度较低的区域扩散，使附近区域的温度升高而产生膨胀。在这种情况下，利用冷却介质射流对处于高温状态的焊缝区的局部急冷，使其局部急剧收缩，就会产生对该焊缝区的强烈拉伸效应，由此而产生的拉伸塑性变形补偿了已产生的压缩塑性变形，同时，由于冷却介质的吸热，构件的受热区变窄，也控制了压缩塑性变形区的扩展，从而在残余状态下的焊接应力可以降到很低的水平，甚至在焊缝中心会出现拉伸塑性变形及与其相对应的残余压应力。这样就在焊接过程中动态地控制了焊接应力与变形，防止了薄板构件的失稳变形，达到低应力无变形的焊接效果。这种动态低应力无变形焊接方法不受焊缝形状和专用夹具的限制，射流冷却装置可跟随焊接热源焊接任何长度的直线、非直线、非规则焊缝，实现对薄板构件焊接应力和变形的动态控制。

一种体现本发明方法的动态控制薄板构件低应力无变形焊接专用装置如图1所示。其特征是：由冷却介质喷嘴2和高压气流喷嘴3组合形成介质雾化射流喷嘴，并在其外围设置一个抽气管，抽气管与真空泵相连接，抽气管下端固定有柔性耐高温材料制成的屏蔽网，该网将抽气管下端与工件之间的间隙封严，防止冷却介质干扰焊接电弧。为了便于调整冷却强度，在冷却介质管路和高压气流管路中分别配置了液体和气体流量计;为了便于调整冷却位置，将介质射流喷嘴和抽气管固定在一个三向可调的装夹机构上。

本发明方法和装置的优点是：

第一、本发明将冷却介质先行雾化后再喷射到焊缝高温区，大大增强了冷却液与高温焊缝的热交换，加强了冷却液的汽化，提高了冷却强度。

第二、由于冷却介质的蒸汽和剩余的冷却介质通过抽气管排走，实现了对高温焊缝的局部冷却，同时能有效地防止冷却介质对焊接电弧的干扰，保证焊接过程的稳定性。