專利名稱:預(yù)防平板焊接結(jié)構(gòu)中板的焊接變形的方法
本發(fā)明涉及到一種在建造鐵道車輛、海船和建筑物等的過程中，預(yù)防薄板和框架焊接所產(chǎn)生的板變形的方法。
例如，目前為了滿足減輕鐵道車輛結(jié)構(gòu)重量的要求，在使用薄板建造鐵道車輛結(jié)構(gòu)，特別是平板焊接結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)取得了許多進展。這里所謂平板是指用低碳鋼，不銹鋼和鋁合金等材料制成的薄板。隨著薄板的廣泛使用，焊接引起的板變形在已變形板的局部應(yīng)力和外觀上都引起了問題。
為了解決這些問題，迄今為止已經(jīng)使用過下列三種公知的方法第一種方法如圖3所示。首先將板(a)焊接在框架(b)上，然后用火焰(c)將板局部加熱(在圖中，所有的點(d)都被加熱)，接著用軟管(e)將水噴在被加熱處使其淬火。這種方法很費工時，并且如果板(a)是不銹鋼的話，由于局部加熱會使被加熱處變色。
第二種方法如日本特許公報昭-5339261中指出的那樣，在用定位焊把板固定在框架上時，用薄板矯直機將板拉住。這種預(yù)拉力下的焊接和緊接著的拉力釋放使板中產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，從而消除了板的變形。其特點在于，這種方法依靠一個很大的薄板矯直裝置，從而使設(shè)備的價格昂貴。該方法的另一缺點是，如果板上有開孔的話，則開孔將阻礙板被均勻平直地拉伸。
第三種方法如日本特許公報昭-5339262中指出的那樣，將加熱器放在板的附近或讓其與板直接接觸，使板局部被加熱，當(dāng)板發(fā)生熱膨脹時，用定位焊把板和框架固定在一起。焊接后加熱器停止加熱，板的逐漸冷卻將導(dǎo)致熱收縮變形。但已經(jīng)和板焊在一起的框架限制了這種變形，因為框架使板中產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。這種方法的缺點是，它需要用加熱器將板局部加熱，這樣就不可能將整個板加熱均勻，因此其效果也就較差。另一方面，用加熱器加熱板很難將溫度控制恒定。
簽于上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種平板焊接結(jié)構(gòu)的焊接方法，它不會使板在和框架的焊接過程中產(chǎn)生令人不愉快的外表，如變色，也不需要過多的裝置，并且能完全地防止板的焊接變形。
在焊接由低碳鋼、不銹鋼和鋁合金等材料制成的薄板和框架時，通過下述方法可實現(xiàn)本發(fā)明的目的在加熱室中預(yù)熱整塊板，至給定溫度立即將該板放在上述框架的上表面上，此時板由于預(yù)熱而熱膨脹，在關(guān)鍵點上先進行定位焊接然后再將剩余點全部焊上，隨著焊接后板溫降低而產(chǎn)生的熱收縮使板中產(chǎn)生了殘余的拉應(yīng)力。
這種方法有下列顯著效果(1)由于使用加熱箱，使整板的預(yù)熱迅速、均勻;
(2)易于把板加熱到所需溫度;
(3)為了充分冷卻，選擇適當(dāng)?shù)慕o定溫度，則不需要在焊接后進行反復(fù)的加熱和冷卻，從而使工時大量地減少。
(4)隨著焊接后板冷卻而產(chǎn)生的熱收縮引起的變形使板中產(chǎn)生均勻的拉應(yīng)力，從而防止板變松弛，不僅使板具有良好的外表而且還具有容許的應(yīng)力分布。
圖1是按照本發(fā)明所說的裝置的透視圖;
圖2是按照本發(fā)明建造的平板焊接結(jié)構(gòu)的平面圖;
圖3是預(yù)防板變形的現(xiàn)有技術(shù)的說明圖;
圖4是冷卻曲線圖;
圖5是用來獲得上述冷卻曲線的平板焊接結(jié)構(gòu)模型的平面圖;
圖6是圖5中Ⅵ-Ⅵ線的剖面圖;
圖7(a)，7(b)，8(a)，8(b)，9(a)，9(b)是測量根據(jù)本發(fā)明建造的平板焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力的說明圖;
圖10是顯示如何釋放應(yīng)力的透視圖;
圖11是說明如何測量應(yīng)變的方框圖。
如圖1所示，用于預(yù)熱平板4的加熱系統(tǒng)1帶有一個加熱箱2和熱空氣型加熱器了。加熱箱2是一個封閉的箱子，其內(nèi)表面上鑲有絕緣材料。加熱箱內(nèi)部的工作部分是一個加熱室27。在所說的加熱室27內(nèi)安裝了許多排擱板5，用于支撐平板4，每個擱板都各自帶有滾軸輸送器6，它們沿箭頭A的方向輸送平板4。加熱箱2的前側(cè)板7和后側(cè)板8上分別開有進料口9和出料口(沒有畫出)，它們分別由門10和11來控制開關(guān)。
門上裝有金屬線12，其一端和門10、11的任意一邊的頂部相連，另一端和活塞連桿14a相連，其中點支撐在滑輪15上?？諝鈿飧?4安裝在加熱箱2的頂板13上，它沿垂直方向?qū)㈤T10和11打開和關(guān)上。
加熱室27的兩邊都有一個整流室17，隔板16將整流室17和加熱室27隔開，并且在其上面鉆有許多小孔18。兩個整流室17都局部開口接入熱空氣型加熱器3的供氣管19和回氣管20，這樣有助于空氣在熱空氣型加熱器3和加熱箱2之間沿箭頭B的方向循環(huán)。
熱空氣型加熱器3安裝在加熱箱2的頂板13的中央，它能夠進行溫度控制，使加熱室27內(nèi)的溫度保持在一個給定值T。為了進行溫度控制，加熱室27內(nèi)裝有一個溫度傳感器例如溫差電偶，和一個溫度檢測器。數(shù)字22表示腳輪，它使加熱箱2可以根據(jù)加工過程的需要而移動。
一旦將熱空氣型加熱器3啟動，它所產(chǎn)生的熱空氣就通過供氣管19進入整流室17，然后通過隔板16上的小孔18逐漸充滿加熱室27的整個空間。另一方面，在另一個整流室17內(nèi)的空氣通過回氣管20返回?zé)峥諝庑图訜崞?中，加熱器3和加熱室27之間的空氣循環(huán)使加熱室27中的溫度可以被控制在一個給定值T。
現(xiàn)在我們來說明上面提到的給定溫度T。當(dāng)考慮了板4的材料，環(huán)境溫度、板的處理和定位焊所需的時間以及框架23的強度之后，溫度T的選擇應(yīng)該使板4中的拉應(yīng)力能按所期望的形式分布。
例如上述各因素的值如下板4的厚度為1.5mm，材料是不銹鋼，環(huán)境溫度大約20℃，板4被卸出和定位焊所需時間不超過90秒。
在不銹鋼平板焊接結(jié)構(gòu)中，主要使用點焊，防止板4產(chǎn)生焊接變形或松弛所需的拉應(yīng)力是15kg/mm2。為了能產(chǎn)生這個拉應(yīng)力，板4和框架24之間的溫度差x由下列公式給出x＝κ·σ/σyσ拉應(yīng)力σy屈服應(yīng)力κ拉應(yīng)力等于屈服應(yīng)力時的溫差根據(jù)上述公式和實驗中獲得的數(shù)據(jù)可知，σ＝15kg/mm2，σy＝52.7kg/mm2，κ＝154℃，所需溫差x大約是44℃。在定位焊結(jié)束之后必須使溫差達到所需值x，假定定位焊所需時間是1分鐘，環(huán)境溫度即框架24的溫度是24°，根據(jù)板4放在框架上以后的冷卻曲線可知其最初溫度即前面提到的給定溫度T大約是90℃時，才能保證在卸下板4分鐘之后，溫差達到44℃。
現(xiàn)在我們來說明如何使用上述加熱系統(tǒng)1來裝配一個平板焊接結(jié)構(gòu)。
(Ⅰ)將已經(jīng)沿框架23上的分隔線28(見圖2)切割開的板4放入加熱室27的擱板5上，然后關(guān)閉門10，將板加熱一定時間。
(Ⅱ)在經(jīng)過一給定時間之后，把板4從加熱室27中卸出，此時板4已預(yù)熱到一給定溫度T，例如90℃，迅速將已經(jīng)因預(yù)熱而熱膨脹的板4放到框架24上使其和框架23上的分隔線28對齊。如果板4輸入加熱系統(tǒng)1的位置距離框架23的裝配線相當(dāng)遠，那么應(yīng)該把加熱系統(tǒng)1移近裝配線后再將板4卸出。
(Ⅲ)在板4安置好了以后，用點焊(圖2中用圓圈表示)將板4的關(guān)鍵點25和框架24連接起來，點焊必須在給定時間內(nèi)完成，例如1.5或2分鐘。其中包括板4的安置時間。如果環(huán)境溫度太低使得溫度下降太快的話，應(yīng)該將板4的表面絕緣，并且由兩個或更多的焊2在短時間內(nèi)完成點焊。
(Ⅳ)最后用點焊將板4上的剩余點26(圖2中用x表示)焊在框架24上，完成整個裝配工作。當(dāng)板冷卻到環(huán)境溫度時，板中的殘余應(yīng)力在主應(yīng)力方向上保持在3-5kg/mm2之間，從而在正常情況下防止了板的變形。
(試驗例)為了使用上述通過板5框架的焊接來制造平板焊接結(jié)構(gòu)的方法，進行了一系列試驗用于確定冷卻曲線和殘余應(yīng)力。下面將說明這些試驗結(jié)果。
(1)冷卻曲線如圖5和圖6所示(圖5為平面圖，圖6為圖5中Ⅵ-Ⅵ線的剖面圖)，用厚度為1.5mm的不銹鋼角形件(30×50×30mm)做一個正方形盒狀框架30，按照本發(fā)明所說的方法將一塊厚度為1.5mm的不銹鋼板31(500×500mm)焊在框架30的上表面上，從而做成模型32。圖5和圖6中的尺寸單位是mm。在制造這個模型中，面接觸溫度計被安裝在模型32的溫度測量點①、②和③上。將被加熱的板31卸出后焊在框架30上，溫度測量點上的溫度變化值如圖4所示，點①、②和③的溫度變化分別用實踐、虛線和點劃線來表示。
就溫度測量點①來講，在板被安置在框架上以后，點①的溫度從大約85℃降低到環(huán)境溫度20℃花了大約20分鐘。
(2)殘余應(yīng)力如圖7(a)至9(b)所示，用6mm厚的不銹鋼角形件(65×65×65)做一個矩形的盒狀框架33，然后按照本發(fā)明所說的方法將厚度為1.5mm的板34焊在框架33的上表面上，從而做成模型35。
把圖7(a)和7(b)中所示的模型稱為ИО.1，圖8(a)和8(b)的為ИО.2，9(a)和9(b)的為ИО.3，它們的制造情況如下表所示。
在圖7(a)至9(b)的每個圖中，指示數(shù)字①至⑩代表殘余應(yīng)力的測量點，在每個點上園圈的尺寸代表應(yīng)力的大小，箭頭代表每個主應(yīng)力的方向。這里采用所謂應(yīng)力釋放方法來測量殘余應(yīng)力，即如表1
注1只進行定位焊不進行點焊注2定位焊后進行點焊圖10所示那樣在平板焊接結(jié)構(gòu)38上貼上一個應(yīng)變片G，用靠模機床將環(huán)繞該應(yīng)變片周圍100mm見方的平板切割開。根據(jù)切割前后的應(yīng)變差可以算出殘余應(yīng)力。
如圖11所示那樣，在用上述應(yīng)變片測量應(yīng)變時，可以通過靜應(yīng)變表M直接讀出應(yīng)變片的輸出值。從應(yīng)變值計算應(yīng)力值時，要用到下列轉(zhuǎn)換σ＝ε·Eσ是應(yīng)力(kg/mm2)ε是應(yīng)變(mm/mm)E是揚氏模數(shù)(假定為19500kg/mm2)
權(quán)利要求
一種預(yù)防平板焊接結(jié)構(gòu)中板的焊接變形的方法，該結(jié)構(gòu)由薄板和框架構(gòu)成，其特征在于在一個加熱箱中將整塊板預(yù)熱到一給定溫度，迅速將由于預(yù)熱已經(jīng)熱膨脹的板放到上述框架的上表面上，在關(guān)鍵點進行定位焊，然后進行點焊；隨著焊接后板的冷卻而產(chǎn)生的熱收縮變形使所說的板中產(chǎn)生拉應(yīng)力從而防止板變得松弛。
專利摘要
一種預(yù)防平板焊接結(jié)構(gòu)中薄板的焊接變形的方法，該結(jié)構(gòu)由薄板和框架構(gòu)成，用于鐵道車輛的邊板等部件。所說的方法包括將整塊薄板放在一個加熱箱中預(yù)熱使其產(chǎn)生熱膨脹，當(dāng)薄板膨脹時將其和框架焊在一起。
文檔編號B23K31/00GK85101016SQ85101016
公開日1986年10月8日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者阪口章, 鯉江英昭 申請人:川崎重工業(yè)株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan