專利名稱：鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠降低焊接殘余應(yīng)力和變形的裝置，特別是針對屈服強(qiáng)度高、難以均勻塑性延展的鈦合金TC4薄板焊件的殘余應(yīng)力和變形的控制裝置。
背景技術(shù)：
鈦合金與其他金屬材料相比，有下列優(yōu)點(diǎn)①比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度/密度)高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000 1400MPa，而密度僅為鋼的60% ;②中溫強(qiáng)度好，使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度，可在450 500°C的溫度下長期工作；③耐蝕性好，在大氣中鈦表面立即形成一層均勻致密的氧化膜，有抵抗多種介質(zhì)侵蝕的能力低溫性能好彈性模量低，熱導(dǎo)率小，無鐵磁性。這些特點(diǎn)使鈦合金在國民生產(chǎn)建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用。、針對鈦及鈦合金目前主要采用熔焊(TIG、MIG、等離子焊、電子束焊、激光焊、電阻焊)、釬焊和固相焊(摩擦焊、爆炸焊、熱壓焊、擴(kuò)散焊)等方法進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)件的焊接。鈦合金的焊接殘余應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度，但其絕對值并不低。在薄壁構(gòu)件上，如果焊后殘余應(yīng)力相當(dāng)?shù)脑?，由于鈦合金的彈性模量小，鈦合金?gòu)件的焊接變形會比一般鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重些。因此對鈦合金構(gòu)件的焊接變形控制就顯的尤為重要。引起焊接殘余應(yīng)力和各類焊接變形的基本原因在于焊接過程不均勻的加熱和冷卻使得焊縫及其附近金屬產(chǎn)生非均勻的膨脹和收縮，即在焊接過程中焊縫和近縫區(qū)發(fā)生了塑性收縮。很多情況下，由于焊接結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計要求，必須采取措施消除焊接變形。為解決上述問題，國內(nèi)外曾提出預(yù)拉伸法、靜態(tài)和動態(tài)溫差拉伸法、隨焊碾壓法、隨焊錘擊法等多種方法。這些方法在某些具體的生產(chǎn)條件下，對控制焊接殘余應(yīng)力變形方面均起到了較好的效果。預(yù)拉伸法是指在焊前和焊接過程中施加大于母材屈服強(qiáng)度50%的彈性拉伸，從而降低焊件的殘余應(yīng)力，減小焊接變形。在預(yù)置拉伸應(yīng)力一定的情況下，隨著加載寬度的增力口，試樣拉伸中心部位所承受的拉應(yīng)力越接近端部的預(yù)置拉應(yīng)力，拉伸效果越好。在焊接情況下，為保證焊道部位的金屬受到相同的拉伸效果，不得不加大加載寬度，因此需要較大的拉伸設(shè)備才能提供足夠的拉伸力，這在實(shí)際生產(chǎn)中必然會受到一定的限制。該法對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)用起來更是有局限性。均勻或局部加熱可以減小焊接溫度梯度，從而可以降低焊接殘余應(yīng)力和變形。靜態(tài)溫差拉伸法為了達(dá)到所需的溫差，需要較長時間的預(yù)熱，容易使加熱區(qū)金屬軟化，并且惡化了工作條件，操作復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本較高；動態(tài)溫差拉伸法噴水容易污染焊接熔池，導(dǎo)致焊縫缺欠、影響焊接效率及質(zhì)量，而液氮冷卻柔性接觸式成本又太高。另外，無論是靜態(tài)溫差拉伸還是動態(tài)溫差拉伸都不能降低焊縫的橫向收縮，不利于封閉焊縫失穩(wěn)變形控制和熱裂紋防止，因而溫差拉伸法不適用于封閉焊縫的焊接。碾壓強(qiáng)化和鈍化工藝是一種改善焊接接頭力學(xué)性能的有效手段。碾壓強(qiáng)化研究始于六十年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者K y p K H H等人最先研究了焊后碾壓焊縫提高A M r 6焊接接頭強(qiáng)度的可能性，發(fā)現(xiàn)碾壓后焊接接頭的硬度顯著升高，硬度值隨碾壓力的增加而增大。不僅焊縫金屬的硬度升高而且近縫區(qū)金屬的硬度也有不同程度的升高。對于冷作硬化狀態(tài)的AM r6合金焊接接頭經(jīng)碾壓焊縫后的接頭強(qiáng)度可接近母材強(qiáng)度。但是隨焊碾壓法設(shè)備龐大，制造成本高，應(yīng)用對象主要集中于長直平板的拼焊焊縫、較大型筒體縱縫及環(huán)縫的焊接，且對被焊件形狀要求比較嚴(yán)格，由于主要靠碾壓輪軸承受壓力，所以碾壓輪的尺寸較大，可到達(dá)性差，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。錘擊消除焊接接頭殘余應(yīng)力是通過錘擊處理焊接接頭過程中，被處理金屬在面內(nèi)產(chǎn)生兩維塑性伸長釋放了焊接過程中產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)變，從而達(dá)到釋放焊接殘余應(yīng)力的目的。錘擊能夠在接頭焊趾區(qū)外表面造成壓應(yīng)力，減少焊趾區(qū)的缺口尖銳度，降低應(yīng)力集中程度，因此可以大幅度提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。隨焊錘擊法由于錘尖直接錘擊焊道兩側(cè)，錘擊面粗糙，工作表面光潔度差，同時錘頭偏擺振動較大，需要額外添加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在實(shí)際焊接封閉焊縫時實(shí)現(xiàn)起來比較困難。

對于薄壁鈦合金焊接構(gòu)件，如果焊后殘余應(yīng)力相當(dāng)?shù)脑?，由于鈦合金的彈性模量小，鈦合金?gòu)件的焊接變形會比一般鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重。雖然六角密排結(jié)構(gòu)的TC4合金在室溫下具有較好的塑韌性，但其變形抗力大、屬于難變形材料。因而焊后控制鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)的變形是不易實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置。該裝置在高溫、低應(yīng)變速率下，隨焊對鈦合金進(jìn)行機(jī)械擠壓，利用鈦合金材料在該條件下的熱變形抗力下降的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低外載、低應(yīng)變速率、大變形的鈦合金焊縫金屬塑性延展，抵消焊接熱收縮產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變，控制鈦合金的焊接殘余應(yīng)力與變形。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，由前逐點(diǎn)擠壓裝置和旋轉(zhuǎn)擠壓裝置組成；所述前逐點(diǎn)擠壓裝置包括具有前逐點(diǎn)擠壓桿通孔的第一底板，在第一底板上分別設(shè)置有直流電機(jī)和蝸輪減速器；所述直流電機(jī)的輸出軸通過第一聯(lián)軸器與蝸輪減速器的輸入軸相連接，蝸輪減速器的輸出軸與采用直線運(yùn)動形式的凸輪相連接；在所述前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)設(shè)置有具有壓頭的前逐點(diǎn)擠壓桿，所述凸輪與前逐點(diǎn)擠壓桿的非壓頭端相接觸；所述前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)具有擋塊，所述前逐點(diǎn)擠壓桿上具有擋板，在擋塊與擋板間的前逐點(diǎn)擠壓桿上設(shè)置有彈簧；所述旋轉(zhuǎn)擠壓裝置包括第二底板，在第二底板的上方設(shè)置有導(dǎo)柱，所述導(dǎo)柱通過支座固定在第二底板上；在所述導(dǎo)柱的上方設(shè)置有支撐板，所述支撐板通過具有導(dǎo)孔的滑座設(shè)置在導(dǎo)柱上，在所述支座與滑座間的導(dǎo)柱上設(shè)置有壓縮彈簧；在所述支座的螺孔內(nèi)設(shè)置有加壓螺栓，所述加壓螺栓通過支座的螺孔與滑座相接觸；在所述支撐板上分別設(shè)置有電動機(jī)和軸承座，電動機(jī)的輸出軸通過第二聯(lián)軸器與設(shè)置在軸承座上的軸的一端相連接，軸的另一端通過夾頭與后摩擦壓桿相連接。為了減少振動，在所述加壓螺栓與滑座之間設(shè)置有滑塊。所述蝸輪減速器的輸出軸與采用直線運(yùn)動形式的凸輪通過平鍵相連接。所述導(dǎo)柱設(shè)置為兩根，兩根導(dǎo)柱平行設(shè)置，由支座和端蓋進(jìn)行軸向定位。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的控制裝置在高溫、低應(yīng)變速率下，隨焊對鈦合金進(jìn)行機(jī)械擠壓，利用鈦合金材料在該條件下的熱變形抗力下降的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低外載、低應(yīng)變速率、大變形的鈦合金焊縫金屬塑性延展，抵消焊接熱收縮產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變，控制鈦合金的焊接殘余應(yīng)力與變形。


圖I是本發(fā)明的鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置的使用狀態(tài)示意圖；圖2是本發(fā)明的前逐點(diǎn)擠壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)擠壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，I-焊槍，2-前逐點(diǎn)擠壓桿，3-后摩擦壓桿，4-母材，5-第一底板，6_直流電機(jī)，7—第一聯(lián)軸器，8—蝸輪減速器的輸入軸，9一蝸輪減速器，10-蝸輪減速器的輸出軸，11-平鍵，12-前逐點(diǎn)擠壓裝置，13-凸輪，14-彈簧，15-壓頭，16-端蓋，17-支撐板，18—電動機(jī)，19一第二聯(lián)軸器，20—加壓螺栓，21—軸承座，22-軸，23-夾頭，24-旋轉(zhuǎn)擠壓裝置，25-第二底板，26-支座，27-壓縮彈簧，28-滑塊，29-導(dǎo)柱，30-滑座，31-擋板，32-擋塊，33-長圓孔。
具體實(shí)施例方式一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，由前逐點(diǎn)擠壓裝置12和旋轉(zhuǎn)擠壓裝置24組成；如圖2所示，所述前逐點(diǎn)擠壓裝置12包括具有前逐點(diǎn)擠壓桿通孔的第一底板5，在第一底板5上分別設(shè)置有直流電機(jī)6和蝸輪減速器9 ;所述直流電機(jī)6的輸出軸通過第一聯(lián)軸器7與減速比為20的蝸輪減速器的輸入軸8相連接，起到了輸入動力的作用，蝸輪減速器的輸出軸10與采用直線運(yùn)動形式的凸輪13相連接；在所述前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)設(shè)置有具有壓頭15的前逐點(diǎn)擠壓桿2，所述凸輪13與前逐點(diǎn)擠壓桿2的非壓頭端相接觸，通過凸輪13的旋轉(zhuǎn)不斷地推動前逐點(diǎn)擠壓桿2，從而達(dá)到了擠壓的作用；所述前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)具有擋塊32，所述前逐點(diǎn)擠壓桿2上具有擋板31，為了達(dá)到往復(fù)運(yùn)動的要求，在擋塊32與擋板31間的前逐點(diǎn)擠壓桿2上設(shè)置有圓柱形螺旋彈簧14，起到將壓下的壓頭15回復(fù)原有位置的作用。如圖3所示，所述旋轉(zhuǎn)擠壓裝置24包括第二底板25，在第二底板25的上方設(shè)置有導(dǎo)柱29，所述導(dǎo)柱29通過支座26固定在第二底板25上；在所述導(dǎo)柱29的上方設(shè)置有支撐板17，所述支撐板17通過具有導(dǎo)孔的滑座30設(shè)置在導(dǎo)柱29上，滑座30可帶動支撐板17及其連接部件在導(dǎo)柱29上滑動；在所述支座26與滑座30間的導(dǎo)柱29上設(shè)置有壓縮彈簧27 ;在所述支座26的螺孔內(nèi)設(shè)置有加壓螺栓20，所述加壓螺栓20從支座26的螺孔旋入頂在滑座30的表面，推動支座26向前滑移，壓縮壓縮彈簧27從而起到限制滑座30及其連接部件的軸向位移和預(yù)緊彈簧的作用；在所述支撐板17上分別設(shè)置有電動機(jī)18和軸承座21，電動機(jī)18的輸出軸通過第二聯(lián)軸器19與設(shè)置在軸承座21上的軸22的一端相連接，軸22的另一端通過夾頭23與后摩擦壓桿3相連接。為了減少振動，在所述加壓螺栓20與滑座30之間設(shè)置有滑塊28。
為了周向的固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，所述蝸輪減速器的輸出軸10與采用直線運(yùn)動形式的凸輪13通過平鍵11相連接，所述平鍵11標(biāo)準(zhǔn)為GB1096-79的普通B型平鍵。所述導(dǎo)柱29設(shè)置為兩根，兩根導(dǎo)柱29平行設(shè)置，由支座26和端蓋16進(jìn)行軸向定位。所述軸承座21、電動機(jī)18和滑座30通過螺栓固定在支撐板17上，支座26通過螺栓固定在第二底板25上。結(jié)合鈦合金的機(jī)械性能在不同溫度和變形速率的情況下的特征，控制變形的溫度應(yīng)是在一個連續(xù)的區(qū)域在高溫— a相變溫度以上)采用較快的變形速度得到較大的變形，從而獲得充足的變形量來補(bǔ)償焊接時產(chǎn)生多余的壓縮塑性變形量；在較高的溫度(平 衡冷卻時的a+0區(qū))區(qū)間采用低的變形速度(10-3/s)進(jìn)行平整校形同時起到控制回彈量的作用。本發(fā)明將控制裝置分為兩部分一部分為高溫P區(qū)工作的機(jī)械裝置，即前逐點(diǎn)擠壓裝置12，該部分是可動的，通過凸輪13來控制變形量的大?。涣硪徊糠譃閍+0區(qū)工作的機(jī)械裝置，即旋轉(zhuǎn)擠壓裝置24，考慮到該部分的變形速度非常低，采用具有一定的旋轉(zhuǎn)速度的壓頭15，通過控制壓頭15在單位時間內(nèi)的壓入量即可以控制變形金屬在厚度方向上的變形速度。下面結(jié)合

本發(fā)明的一次工作過程在前逐點(diǎn)擠壓裝置12的第一底板5和旋轉(zhuǎn)擠壓裝置24的第二底板25上均設(shè)置有長圓孔33，工作前，可通過調(diào)整前逐點(diǎn)擠壓裝置12和旋轉(zhuǎn)擠壓裝置24位于底板上的長圓孔33上的位置來調(diào)整工作的位置，并保證隨焊控制過程中前逐點(diǎn)擠壓桿2和后摩擦壓桿3能位于焊縫中心。調(diào)整完成后，先引燃電弧施焊，待熔池出現(xiàn)后使母材4向電弧后方行進(jìn)，緊接著開動電動機(jī)18和直流電機(jī)6對焊縫進(jìn)行隨焊控制。如圖I所示，前逐點(diǎn)擠壓桿2緊隨焊接電弧之后，通過逐點(diǎn)擠壓的方式對焊縫及近縫區(qū)部位的焊縫金屬進(jìn)行高溫擠壓。由于前逐點(diǎn)擠壓桿2擠壓時，作用的區(qū)域離焊接熔池較近，溫度較高，具有較好的塑性加工性能，其屈服強(qiáng)度較低，可以進(jìn)行較大的變形處理。從而對焊接時鈦合金在縱向上的撓曲變形起到大的反變形的作用，降低了變形量。后摩擦壓桿3垂直作用于焊縫部位，對應(yīng)于超塑性溫度區(qū)間，對處于具有超塑性狀態(tài)的焊縫金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擠壓。后摩擦壓桿3的端面向下旋轉(zhuǎn)擠壓時，迫使焊縫金屬向兩側(cè)流動，將焊縫金屬在冷卻過程中形成的縱向和橫向壓縮塑性變形以及由前逐點(diǎn)擠壓桿2在焊縫中引起的橫向壓縮變形都充分延展，主要起到降低殘余應(yīng)力減小焊接變形的效果。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，其特征在于由前逐點(diǎn)擠壓裝置和旋轉(zhuǎn)擠壓裝置組成； 所述前逐點(diǎn)擠壓裝置包括具有前逐點(diǎn)擠壓桿通孔的第一底板，在第一底板上分別設(shè)置有直流電機(jī)和蝸輪減速器；所述直流電機(jī)的輸出軸通過第一聯(lián)軸器與蝸輪減速器的輸入軸相連接，蝸輪減速器的輸出軸與采用直線運(yùn)動形式的凸輪相連接；在所述前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)設(shè)置有具有壓頭的前逐點(diǎn)擠壓桿，所述凸輪與前逐點(diǎn)擠壓桿的非壓頭端相接觸；所述前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)具有擋塊，所述前逐點(diǎn)擠壓桿上具有擋板，在擋塊與擋板間的前逐點(diǎn)擠壓桿上設(shè)置有彈簧； 所述旋轉(zhuǎn)擠壓裝置包括第二底板，在第二底板的上方設(shè)置有導(dǎo)柱，所述導(dǎo)柱通過支座固定在第二底板上；在所述導(dǎo)柱的上方設(shè)置有支撐板，所述支撐板通過具有導(dǎo)孔的滑座設(shè)置在導(dǎo)柱上，在所述支座與滑座間的導(dǎo)柱上設(shè)置有壓縮彈簧；在所述支座的螺孔內(nèi)設(shè)置有加壓螺栓，所述加壓螺栓通過支座的螺孔與滑座相接觸；在所述支撐板上分別設(shè)置有電動機(jī)和軸承座，電動機(jī)的輸出軸通過第二聯(lián)軸器與設(shè)置在軸承座上的軸的一端相連接，軸的另一端通過夾頭與后摩擦壓桿相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，其特征在于在所述加壓螺栓與滑座之間設(shè)置有滑塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，其特征在于所述蝸輪減速器的輸出軸與采用直線運(yùn)動形式的凸輪通過平鍵相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，其特征在于所述導(dǎo)柱設(shè)置為兩根，兩根導(dǎo)柱平行設(shè)置，由支座和端蓋進(jìn)行軸向定位。
全文摘要
鈦合金隨焊殘余應(yīng)力應(yīng)變控制裝置，涉及一種能夠降低焊接殘余應(yīng)力和變形的裝置。本發(fā)明由前逐點(diǎn)擠壓裝置和旋轉(zhuǎn)擠壓裝置組成；前逐點(diǎn)擠壓裝置包括底板，在底板上分別設(shè)置有直流電機(jī)和蝸輪減速器；直流電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與蝸輪減速器的輸入軸相連，蝸輪減速器的輸出軸與凸輪相連；在前逐點(diǎn)擠壓桿通孔內(nèi)設(shè)置有前逐點(diǎn)擠壓桿，凸輪與前逐點(diǎn)擠壓桿相接觸；旋轉(zhuǎn)擠壓裝置包括底板，在底板的上方設(shè)置有導(dǎo)柱，導(dǎo)柱通過支座固定在底板上；在導(dǎo)柱的上方設(shè)置有支撐板，支撐板通過滑座設(shè)置在導(dǎo)柱上；加壓螺栓通過支座的螺孔與滑座相接觸；在支撐板上設(shè)置有電動機(jī)和軸承座，電動機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器與軸的一端相連，軸的另一端通過夾頭與后摩擦壓桿相連。
文檔編號B23K37/00GK102728972SQ201210184329
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者張勇, 綦秀玲 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)