控制薄板件对接的焊接变形的装置及方法

摘要

本发明提供一种控制薄板件对接的焊接变形的装置及方法，包括焊接平台，焊接平台上在对接焊缝下方的位置设有用于通入冷却液的通液孔；在焊接平台上还设有用于压紧薄板件的压紧装置。所述的焊接平台材质为铜。焊接时，用压紧装置将两片薄板件按对接焊的结构压紧，在通液孔内通入冷却液；焊接完成，待薄板件冷却后，松开压紧装置；通过以上步骤使薄板件对接的焊接变形减小。通过采用以上的结构和方法，使冷却液带走大量焊接时产生的热量，配合在薄板件上方使用压紧装置将薄板件压紧，压紧装置上的压簧可以根据不同的板厚调节压紧力的大小，能够非常有效的控制薄板件的焊接变形。

权利要求

1.一种控制薄板件对接的焊接变形的装置，包括焊接平台（1），其特征是：焊接平台（1）上在对接焊缝（6）下方的位置设有用于通入冷却液的通液孔（8）；

在焊接平台（1）上还设有用于压紧薄板件（7）的压紧装置；

所述的焊接平台（1）材质为铜；

所述的通液孔（8）为多个，沿着对接焊缝（6）的方向布置；多个通液孔（8）之间互相平行，并互相连通；

所述的压紧装置为两组，分别位于对接焊缝（6）的两侧；

所述的压紧装置中，在薄板件（7）下方的焊接平台（1）内设有铁芯（12），铁芯（12）外设有线圈（9），线圈（9）与功率控制装置（10）连接；

在薄板件（7）上方与铁芯（12）相对应的位置设有与铁芯（12）以磁力吸合的立柱杆（11），立柱杆（11）与顶板（4）连接，在顶板（4）上设有多个可滑动的导杆（5），导杆（5）的下端与压板（2）固定连接；在导杆（5）上，顶板（4）与压板（2）之间设有压簧（3）；

立柱杆（11）的顶端设有螺纹段（14），螺纹段（14）穿过顶板（4）与可调螺母（15）连接；

在压板（2）上设有压力传感器（13）。

2.一种采用权利要求1所述的控制薄板件对接的焊接变形的装置进行焊接的方法，其特征是包括以下步骤：一、用压紧装置将两片薄板件（7）按对接焊的结构压紧，按设计参数调节对接焊的间隙；

根据焊接参数调节压紧力的大小；

二、在通液孔（8）内通入冷却液，所述的冷却液为液氮；

三、根据焊接工艺焊接薄板件（7），形成对接焊缝（6）；

四、待薄板件（7）冷却后，松开压紧装置；

通过以上步骤实现薄板件对接的焊接变形控制。

说明书

控制薄板件对接的焊接变形的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及焊接领域，尤其是一种控制薄板件对接的焊接变形的装置及方法。

背景技术

[0002] 薄板焊接结构广泛应用于铁路运输、船舶工程、航空航天飞行器、汽车工业、海上钻井采油平台的上层建筑等大型结构制造领域。薄板具有重量轻、工艺性能好（易加工、易成型）和连接方便等特点，本例中的薄板指厚度低于5mm的可焊接金属板。但薄板由于其自身拘束度小，焊接时变形较大，变形包括但不限于横向收缩、纵向收缩、回转变形、角变形和弯曲变形等，参见图5中所示，严重时会由于失稳而产生波浪变形，且很难矫正，特别是对一些热膨胀系数较大的材料，变形尤为严重。变形不仅严重地影响了薄板本身的结构强度、制造精度和使用性能，甚至会因变形而使焊接操作无法继续进行，因此很有必要对薄板焊接变形控制技术，包括焊接变形产生的影响因素和控制工艺进行研究，以指导生产实践、提高产品质量。

[0003] 目前控制薄板变形的主要方法有：

[0004] 工艺方面的措施有：正确选用焊接方法和焊接材料；反变形法和刚性固定法。

[0005] 刚性固定法是将焊件固定在有足够刚性的胎夹具上，或是临时装焊支撑，以增加构件的刚度来减小焊接变形，待焊接构件上所有焊缝冷却到室温时再去掉刚性固定，这时构件产生的变形将大大小于在自由状态下的焊接变形。如果再配合其它控制焊接变形的措施，将使焊接变形控制在产品技术公差要求范围以内。

[0006] 反变形法则是通过反向给予更多的机械变形来矫正薄板焊接变形。例如当薄板焊接变形为向内弧形变形时，则通过给予向外的弧形变形，且变形程度超过向内弧形变形量来进行矫正。

[0007] 但是上述两种方法的变形控制仍不够理想，且均操作较为复杂。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种控制薄板件对接的焊接变形的装置及方法，能够有效控制薄板件的焊接变形，较少焊后的校正工作。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种控制薄板件对接的焊接变形的装置，包括焊接平台，焊接平台上在对接焊缝下方的位置设有用于通入冷却液的通液孔；

[0010] 在焊接平台上还设有用于压紧薄板件的压紧装置。

[0011] 优选的方案中，所述的焊接平台材质为铜。

[0012] 优选的方案中，所述的通液孔为多个，沿着对接焊缝的方向布置；多个通液孔之间互相平行，并互相连通。

[0013] 优选的方案中，所述的压紧装置为两组，分别位于对接焊缝的两侧。

[0014] 优选的方案中，所述的压紧装置中，顶板与压力机固定连接，顶板上设有多个可滑动的导杆，导杆的下端与压板固定连接；在导杆上，顶板与压板之间设有压簧。

[0015] 优选的方案中，所述的压紧装置中，在薄板件下方的焊接平台内设有铁芯，铁芯外设有线圈，线圈与功率控制装置连接；

[0016] 在薄板件上方设有与铁芯以磁力吸合的压板。

[0017] 优选的方案中，所述的压紧装置中，在薄板件下方的焊接平台内设有铁芯，铁芯外设有线圈，线圈与功率控制装置连接；

[0018] 在薄板件上方与铁芯相对应的位置设有与铁芯以磁力吸合的立柱杆，立柱杆与顶板连接，在顶板上设有多个可滑动的导杆，导杆的下端与压板固定连接；在导杆上，顶板与压板之间设有压簧。

[0019] 优选的方案中，立柱杆的顶端设有螺纹段，螺纹段穿过顶板与可调螺母连接。

[0020] 优选的方案中，在压板上设有压力传感器。

[0021] 一种采用上述的控制薄板件对接的焊接变形的装置进行焊接的方法，包括以下步骤：

[0022] 一、用压紧装置将两片薄板件按对接焊的结构压紧，按设计参数调节对接焊的间隙；

[0023] 根据焊接参数调节压紧力的大小；

[0024] 二、在通液孔内通入冷却液；

[0025] 三、根据焊接工艺焊接薄板件，形成对接焊缝；

[0026] 四、待薄板件冷却后，松开压紧装置；

[0027] 通过以上步骤实现薄板件对接的焊接变形控制。

[0028] 薄板件焊接时由于钢板受热发生膨胀、收缩，焊接时焊缝处的温度远高于焊缝周围的温度，导致钢板的受热不均匀，膨胀、收缩系数不一致，所以焊接后会出现变形，薄板件以扭曲变形和波浪变形居多，校正的工作量大。

[0029] 本发明提供的一种控制薄板件对接的焊接变形的装置及方法，通过采用以上的结构和方法，使冷却液带走大量焊接时产生的热量，配合在薄板件上方使用压紧装置将薄板件压紧，压紧装置上的压簧根据不同的板厚自动调节压紧力的大小，从而非常有效的防止薄板件的焊接变形。本发明的结构和方法操作简单，使用方便，能够很有效的控制焊接件的变形，减少薄板件焊后的校正工作。

附图说明

[0030] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0031] 图1为本发明的主视结构示意图。

[0032] 图2为本发明的立体结构示意图。

[0033] 图3为本发明另一改进结构的结构示意图。

[0034] 图4为本发明另一改进结构的结构示意图。

[0035] 图5为现有技术中薄板件变形的示意图。

[0036] 图6为本发明中的压紧装置与压力机连接时的结构示意图。

[0037] 图中：焊接平台1，压板2，压簧3，顶板4，导杆5，对接焊缝6，薄板件7，通液孔8，线圈9，功率控制装置10，立柱杆11，铁芯12，压力传感器13，螺纹段14，可调螺母15。

具体实施方式

[0038] 实施例1：

[0039] 如图1 4中，一种控制薄板件对接的焊接变形的装置，包括焊接平台1，优选的方案~中，所述的焊接平台1材质为铜。因铜的导热系数非常高，高达401W/m·℃。故利用铜制作一个焊接平台, 焊接平台1的大小根据焊接零件的大小和实际情况确定。焊接平台1上在对接焊缝6下方的位置设有用于通入冷却液的通液孔8；通过冷却液将传导到铜制的焊接平台的热量迅速传导出去，本例中的冷却液采用水或液氮。同时平台也可以当成衬垫使用，当薄板件对接焊接时，可以在平台上单面焊接双面成型。

[0040] 在焊接平台1上还设有用于压紧薄板件7的压紧装置。当薄板件7放在焊接平台上后，使用压紧装置将薄板件7压紧，然后进行焊接，此压紧装置对工件进行刚性固定，可以有效的控制薄板件7焊接时产生的角变形、弯曲变形和波浪变形等。压紧装置上面的压簧能够根据板厚来调节压紧力的大小。

[0041] 本发明的原理为：

[0042]   (1)

[0043] σsr: 临界应力；

[0044] K:与薄板件的支撑情况有关的系数。

[0045] t：薄板厚度；

[0046] B：板宽；

[0047] 在式(1)中，板厚与板宽的比值越小，临界应力就越小，薄板也就越容易失稳。因此，可以从降低残余压应力和提高临界应力、薄板刚度两方面着手以减少波浪变形。焊接失稳变形主要受薄板几何形状、板面积、厚度、板件初始不平度和支承条件的影响，同时焊接方法、焊接工艺和焊接程序显著影响焊接变形的程度。

[0048] 开单V坡口焊接横向收缩近似值

[0049]   (2)

[0050] 无坡口焊接横向收缩近似值

[0051]   (3)

[0052] y1：单V坡口时横向收缩近似值

[0053] y2：无坡口时横向收缩近似值

[0054] e：样式模量e=2.718282

[0055] x：钢板厚度

[0056] 假设3mm钢板焊接时，则开单V坡口和无坡口的横向收缩值分别为

[0057]

[0058]

[0059] 故不管是开单V坡口还是不开坡口，3mm钢板焊接后的收缩量时非常大，这也导致焊后变形非常大。

[0060] 通过使用上述发明的防变形薄板拼焊机，使用压板将焊接的薄板件7压紧，被焊接的薄板件7减少了6个方向的自由度，使其无法产生弯曲变形和波浪变形。同时在薄板件7底部的焊接平台1通入冷却液，在焊接后降低薄板件7的温度，能够有效控制由于焊接温度过高导致薄板件7产生的膨胀和收缩变形。

[0061] 根据热传导公式可得：

[0062]   (4)

[0063] λ：导热系数，铜的导热系数为401W/m·℃；

[0064] δ：板厚，即传导媒介长度；

[0065] T1：传出热量物体温度；

[0066] T2：传入热量物体温度；

[0067] t：传导时间；

[0068] A：接触面积。

[0069] 假设气保焊时融合区温度1100℃，通冷却液的孔中心距焊接平台10mm，冷却液为-196℃的液氮，焊缝宽度为5mm，所以每米长的焊缝在1s传出热量为：

[0070]

[0071] 由此可见在薄板件7底部通过冷却液有效地带走焊接时产生的热量，能够有效的控制焊接温度，防止因焊接时温度过高而产生的变形。

[0072] 优选的方案如图1 4中，所述的通液孔8为多个，沿着对接焊缝6的方向布置；多个~通液孔8之间互相平行，并互相连通。由此结构，提高冷却效率。

[0073] 优选的方案如图2中，所述的压紧装置为两组，分别位于对接焊缝6的两侧。

[0074] 实施例2：

[0075] 在实施例1的基础上，优选的方案如图1中，所述的压紧装置中，顶板4与压力机固定连接，压力机为液压机，如图6中所示。顶板4上设有多个可滑动的导杆5，导杆5的下端与压板2固定连接；在导杆5上，顶板4与压板2之间设有压簧3。由此结构，通过压力机控制下压的压力，而设置的压簧3能够自动根据板厚来调节压紧力的大小，以使压力分布均匀。

[0076] 进一步优选的方案中，在压板2上设有压力传感器13。由此结构，便于自动控制压力机的输出压力，在确保控制焊接变形的基础上，也避免损坏薄板件7。

[0077] 实施例3：

[0078] 在实施例2中，需要使用压力机，而压力机作为大型设备，使用频率较高，频繁占用会影响整个车间的生产效率。

[0079] 在实施例1的基础上，优选的方案如图3中，所述的压紧装置中，在薄板件7下方的焊接平台1内设有铁芯12，铁芯12外设有线圈9，线圈9与功率控制装置10连接；

[0080] 在薄板件7上方设有与铁芯12以磁力吸合的压板2。本例中，通过采用磁力吸合的方式将薄板件7压紧，通过功率控制装置10通过调节输出的电压或电流的大小，调节吸合力的大小。由此结构，降低对于压力机的占用。通过设置合适的铁芯12的数量，确保压力足够。进一步优选的方案中，在压板2上设有压力传感器13。由此结构，便于自动控制压力机的输出压力，在确保控制焊接变形的基础上，也避免损坏薄板件7。

[0081] 进一步优选的方案如图4中，所述的压紧装置中，在薄板件7下方的焊接平台1内设有铁芯12，铁芯12外设有线圈9，线圈9与功率控制装置10连接；

[0082] 在薄板件7上方与铁芯12相对应的位置设有与铁芯12以磁力吸合的立柱杆11，立柱杆11与顶板4连接，在顶板4上设有多个可滑动的导杆5，导杆5的下端与压板2固定连接；在导杆5上，顶板4与压板2之间设有压簧3。

[0083] 优选的方案中，立柱杆11的顶端设有螺纹段14，螺纹段14穿过顶板4与可调螺母15连接。本例中压力的大小由可调螺母15进行调节，从而确保压力处于合适的范围。设置的压簧3能够自动根据板厚来调节压紧力的大小，以使压力均衡。

[0084] 实施例4：

[0085] 在实施例1 3的基础上，一种采用上述的控制薄板件对接的焊接变形的装置进行~焊接的方法，包括以下步骤：

[0086] 一、用压紧装置将两片薄板件7按对接焊的结构压紧，按设计参数调节对接焊的间隙，即两片薄板件7之间的间隙；

[0087] 根据焊接参数调节压紧装置的压紧力的大小；

[0088] 二、在通液孔8内通入冷却液；

[0089] 三、根据焊接工艺焊接薄板件7，形成对接焊缝6；

[0090] 四、待薄板件7冷却后，关闭冷却液的供应，松开压紧装置，取出焊接后的薄板件7；

[0091] 通过以上步骤使薄板件对接的焊接变形减小，从而有效控制薄板件焊接变形。

[0092] 上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，在互不冲突的前提下，本发明记载的各项技术特征能够互相组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。