[其他]薄板構件低應力無變形焊接方法及其裝置

在審

• 申請號: 101987000000959
• 申請日: 1987-02-28
• 公開（公告）號: CN87100959B
• 公開（公告）日: 1988-10-05
• 發明（設計）人: 關橋;郭德倫;曹陽;李從卿;邵亦陳;劉紀達
• 申請（專利權）人: 航空工業部六二五研究所
• 代理公司: 中國航空專利中心
• 代理人: 吳厚先;梁瑞林

一種用于薄板構件在焊接過程中控制焊接應力和變形的方法和裝置。在焊縫區冷卻，在焊縫區外側加熱，形成所要求的預置溫差，在構件的適當部位施加外力，保證構件在焊接溫度場和預熱溫度場同時作用下不發生其型面以外的壓曲失穩變形。此方法適用于控制薄板對接焊縫、管筒殼體縱向對接焊縫、直線角焊縫和丁字焊縫的焊接應力和變形。

本發明屬于焊接結構制造中控制應力和變形的方法及其裝置。

在焊接薄板構件時，由于熱源的不均勻加熱，在構件上形成殘余壓縮塑性應變場和殘余應力場。殘余應力場將使構件失穩變形。消除薄板構件焊接變形通常采用的方法有兩種：其一是在焊前對工件進行預變形，用與焊接變形相反的預變形來補償焊接變形量;其二是在焊接之后再矯正已經出現的變形。在焊接之前用于控制薄板結構焊接應力和變形的方法有如：預變形法，整體加載拉伸法等;焊接之后采用的方法有如：滾壓法、溫差拉伸法等。各種控制和消除焊接應力和變形的方法有一定的應用范圍和一定的局限性。

蘇聯Я.И.БУРак等人在1977年№3和1979年№5期《自動焊接》（АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА）雜志的著文，對于在焊接過程中冷卻焊縫區和加熱焊縫區以外的兩側來控制焊接應力和變形的方法所形成的溫度梯度和相應的拉伸應力進行了討論。雖然作者也把近似計算法用于薄板，但僅在4mm和5mm厚的試件上進行了實驗驗證，還未見這種方法在4mm厚以下的薄板構件的實驗結果和實際應用的文獻報導。實踐表明，這一方法在較薄（如4mm以下）的構件上不能獲得預期的效果。反復進行試驗研究的結果證明：在預置溫度場和焊接溫度場同時作用下，薄板構件在壓應力區發生壓曲失穩變形，失去了預置拉伸效應。

本發明的目的在于克服上述方法的缺點，針對較薄的薄板構件受壓容易失穩這一特點，提出一種新的焊接方法，即直接在焊接過程中控制薄板構件的焊接應力和變形，達到低應力無變形的實際焊接效果。

本發明的構成是一種在焊縫區冷卻，焊縫區外側加熱，形成特定的預置溫度場，在構件適當的部位施加外力，保證構件在預置溫度場和焊接溫度場同時作用下不發生壓曲失穩變形從而獲得特定的溫差拉伸效應，在焊接過程中控制應力和變形的焊接方法（以下簡稱NDW法）及其裝置。

予置溫度場是根據材料和構件特性，通過對焊接熱彈塑性過程分析和測試相結合的方法優選確定的。應用本發明操作簡便，技術經濟效益高，能保證焊接構件的質量。

在焊接過程中，保證構件在預置溫度場和焊接溫度場同時作用下不發生壓曲失穩變形獲得預置溫差拉伸效應是本發明獨具的特點。溫差拉伸效應指的是預置溫度場在焊縫區域所形成的拉伸應力分布。拉伸應力水平越高，控制焊接應力變形的效果越好。焊縫區拉伸應力的形成是由于在焊縫區冷卻：焊縫區外側加熱，熱脹冷縮效應所致。如果在預熱和焊接過程中，被焊構件出現了壓曲失穩變形，雖然在被焊構件上造成了所選定的預置溫度場，由于構件上出現失穩變形，也達不到所要求的預置溫差拉伸效應。也就是說，為了控制焊接應力和變形，在所施加的預置溫度場相同的條件下，被焊構件上出現失穩變形和沒有出現失穩變形的差別就是預置溫差拉伸效應的差別，它將導致最終控制焊接應力和變形效果上的差別。

在焊接和預熱時所形成的壓應力的作用下，薄板構件容易出現壓曲失穩變形。板殼理論和焊接結構分析表明：厚度遠大于4mm的板件，由于其壓曲失穩的臨界應力值較高，因而這些焊接構件的失穩變形對壓應力的變化并不敏感。但是在同樣的條件下，若構件厚度接近4mm或在4mm以下，則其發生壓曲失穩的臨界應力值較小，因而構件在焊接和預熱過程中是否發生壓曲失穩變形對構件內部壓應力水平的變化非常敏感，實驗表明，在焊接和預熱同時作用下，構件將發生失穩變形。在實施NDW法時，對于這類構件，為了保證構件在預熱和焊接時不發生失穩變形，在構件適當的部位施加外力是必不可少的。對于厚度大于4mm的構件，其壓曲失穩的臨界應力較高，當構件厚度逐漸接近4mm時，其壓曲失穩的臨界應力值也逐漸下降，因而在焊接時，構件仍會發生程度不同的失穩變形，當對焊接變形控制的要求較高時，采用NDW法同樣會產生良好的效果。