隨焊超聲沖擊減小或消除焊接變形及殘余應(yīng)力技術(shù)的制作方法
【專利說明】
[0001]一、
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于材料加工學(xué)科中金屬材料焊接技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]二、
【背景技術(shù)】
焊接是一種局部、不均勻的加熱和冷卻過程。加熱時(shí)金屬膨脹，受到周圍的限制而產(chǎn)生壓縮塑性變形；冷卻時(shí)金屬收縮，也受到周圍的限制而產(chǎn)生拉伸塑性變形。當(dāng)金屬冷卻到恢復(fù)彈性以后，其收縮受限將產(chǎn)生拉伸彈性變形，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，冷卻到室溫后仍然存在的應(yīng)力便是殘余應(yīng)力。加熱時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形不能被冷卻時(shí)產(chǎn)生的拉伸塑性變形所完全抵消，多余的壓縮塑性變形在冷卻過程中保留下來，使冷卻后的焊件尺寸縮小而出現(xiàn)收縮變形。可見，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形的根源是產(chǎn)生了壓縮塑性變形。
[0003]工件焊后難免會(huì)產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力。焊接變形使焊件的形狀改變、尺寸精度降低；焊接殘余應(yīng)力則可能引起焊件靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、剛度等的降低，可能導(dǎo)致脆性斷裂、疲勞破壞、失穩(wěn)、應(yīng)力腐蝕開裂等。因而在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中，減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力是非常重要的。雖然人們已經(jīng)探索了多種減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力的方法，但傳統(tǒng)方法往往是在焊接完成之后單獨(dú)進(jìn)行，以致成本高，效率低；而新近發(fā)展起來的方法雖有在焊接過程中進(jìn)行，卻未能針對(duì)焊接壓縮塑性變形的大小與分布特點(diǎn)而采取措施，以致很難有效地減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力。
[0004]近年，焊后超聲沖擊處理因在減小焊接殘余應(yīng)力、提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命方面的顯著效果而引起人們的廣泛關(guān)注。焊后超聲沖擊處理的原理是:將超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)在一定壓力下傳遞給焊縫，使以焊縫與母材過渡區(qū)(焊趾)為中心的一定區(qū)域的焊接接頭表面產(chǎn)生一定深度的塑性變形層；有效地改善焊趾的外表形狀，使其平滑過渡，降低了焊接接頭的應(yīng)力集中程度；并形成較大數(shù)值的表面壓應(yīng)力，重新調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)；同時(shí)改善了接頭表層的組織；從而使沖擊處理后的焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命得以顯著
[0005]三、

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的思路是:針對(duì)焊接壓縮塑性變形的大小與分布特點(diǎn)，在焊接正在進(jìn)行之際，引入大小及范圍與多余的焊接壓縮塑性變形相當(dāng)?shù)碾p向拉伸塑性變形，以抵消多余的焊接壓縮塑性變形，從而從根源上實(shí)時(shí)消除焊接變形和殘余應(yīng)力。本發(fā)明的原理是:在焊接正在進(jìn)行之時(shí)，采用超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)在一定壓力下沖擊焊接熔池后方一定距離的焊縫背面(簡(jiǎn)稱隨焊超聲沖擊)，使沖擊部位的焊縫正面產(chǎn)生微小脹形以獲得雙向拉伸塑性變形，與該處冷卻收縮所產(chǎn)生的雙向拉伸塑性變形疊加，以充分抵消該處在焊接升溫時(shí)所產(chǎn)生的雙向壓縮塑性變形。由于此時(shí)該處焊縫金屬的溫度較高，因此無需太大的沖擊力(或沖擊功率)就可以產(chǎn)生足夠大的拉伸塑性變形。這種熱與機(jī)械的聯(lián)合作用，可以有效地減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力。而且，因超聲沖擊載荷的頻率超過音頻(20KHz以上)，振幅很小(只有幾十微米)，以致工件產(chǎn)生的振動(dòng)與噪音小，不會(huì)影響焊接電弧的正常燃燒和焊接熔池的穩(wěn)定。
[0006]一方面，對(duì)焊接熔池附近的不同位置或不同溫度區(qū)間進(jìn)行超聲沖擊，其減小焊接變形與減小殘余應(yīng)力的效果是不同的；因此，可以根據(jù)實(shí)際需要來調(diào)節(jié)超聲沖擊焊縫背面相對(duì)于熔池的位置或溫度區(qū)間。另一方面，超聲沖擊功率的選擇取決于焊件材料的種類、尺寸、焊接工藝參數(shù)等；通常，超聲沖擊功率需隨焊件材料強(qiáng)度與剛度的提高、焊件厚度的增加、焊接線能量的增大而提高。
[0007]本發(fā)明的設(shè)備組成包括:超聲波頻率的電源、內(nèi)置換能器的超聲沖擊槍、特制的沖擊頭、專用的焊接工作臺(tái)等。所用超聲波頻率的電源、內(nèi)置換能器的超聲沖擊槍與目前用于焊后超聲沖擊處理的超聲波發(fā)生器、超聲沖擊槍類似。所用特制的沖擊頭是一個(gè)直徑與焊縫寬度相當(dāng)、與焊縫接觸端為球冠面、另一端為平面的圓柱形沖擊頭，并采用耐磨、耐高溫、耐沖擊的材料制成。所用專用的焊接工作臺(tái)將在后面介紹。
[0008]四、
【附圖說明】
圖1為對(duì)熔池后方一定距離的焊縫背面進(jìn)行超聲沖擊以減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力的原理示意圖。當(dāng)采用焊條、焊絲或鎢極在工件上引燃電弧進(jìn)行焊接時(shí)，熔池后方一定距離的焊縫背面與超聲沖擊槍的沖擊頭接觸。接觸處受超聲沖擊作用，該處背面即焊縫正面將產(chǎn)生雙向拉伸塑性變形，與冷卻收縮所產(chǎn)生的雙向拉伸塑性變形疊加，抵消在加熱升溫時(shí)所產(chǎn)生的雙向壓縮塑性變形，從而減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力。
[0009]圖2為實(shí)時(shí)超聲沖擊專用焊接工作臺(tái)示意圖。該工作臺(tái)的臺(tái)面I中心開了一條穿透的縫隙，該縫隙大于焊縫的寬度，工作臺(tái)上安裝了彈簧夾緊機(jī)構(gòu)2 ;超聲沖擊槍3裝在臺(tái)面下方的行走機(jī)構(gòu)上，用電機(jī)及調(diào)速裝置9和絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8帶動(dòng)，使行走速度可調(diào)；超聲沖擊槍尾端置于固定套筒4中，下面有螺旋升降機(jī)構(gòu)5，可調(diào)沖擊頭與焊件之間的靜壓力；螺旋升降機(jī)構(gòu)安裝在行走小車6上，行走小車行走在導(dǎo)軌7上，導(dǎo)軌固定在工作臺(tái)下方并與工作臺(tái)連成一體。
[0010]五、
【具體實(shí)施方式】
若對(duì)平板對(duì)接、搭接和T形角接接頭的平焊、平角焊焊縫進(jìn)行自動(dòng)焊接，可采用如圖2所示的專用焊接工作臺(tái)實(shí)施超聲沖擊處理。將工件夾緊在該工作臺(tái)上，焊縫處于臺(tái)面中心的縫隙處，當(dāng)在工作臺(tái)上面對(duì)焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，處于臺(tái)面下方的超聲沖擊槍的沖擊頭可以穿過臺(tái)面的縫隙頂住焊縫背面，從而對(duì)焊縫背面實(shí)施沖擊。通常在焊槍引燃電弧并行走一小段距離之后，才開啟超聲沖擊。隨著焊槍在工作臺(tái)上方的移動(dòng)，電機(jī)與絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)下方的超聲沖擊槍沿著焊縫與焊槍同向移動(dòng)。而超聲沖擊槍下面的螺旋升降機(jī)構(gòu)與臺(tái)面上的彈簧夾緊機(jī)構(gòu)配合，可調(diào)節(jié)沖擊槍對(duì)焊縫背面的壓緊力。
[0011]若對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全位置焊接時(shí)，可用人工手持超聲沖擊槍，在焊件背面對(duì)熔池后方一定距離的焊縫背面進(jìn)行超聲沖擊，并使沖擊頭沿著焊縫與熔池同向移動(dòng)，同樣可以達(dá)到減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力的目的，且這樣使用更加靈活方便。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種隨焊超聲沖擊減小或消除焊接變形及殘余應(yīng)力的技術(shù)，其特點(diǎn)在于:在焊接正在進(jìn)行之時(shí)，采用超聲波頻率的機(jī)械振動(dòng)在一定壓力下對(duì)焊接熔池后方一定距離的焊縫背面進(jìn)行沖擊(簡(jiǎn)稱隨焊超聲沖擊)，隨焊超聲沖擊的精確位置以及超聲沖擊功率可以根據(jù)實(shí)際需要來調(diào)節(jié)，從而有效地減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力；設(shè)備組成包括:超聲波頻率的電源、內(nèi)置換能器的超聲沖擊槍、特制的沖擊頭、專用的焊接工作臺(tái)等。
2.如權(quán)利要求1所述的專用焊接工作臺(tái)，是對(duì)平板對(duì)接、搭接和T形角接接頭的平焊、平角焊焊縫自動(dòng)焊接進(jìn)行隨焊超聲沖擊時(shí)專門設(shè)計(jì)的；該工作臺(tái)的臺(tái)面中心開有一條穿透的縫隙，該縫隙大于焊縫的寬度；工作臺(tái)上安裝了彈簧夾緊機(jī)構(gòu)；超聲沖擊槍安裝在臺(tái)面下方的行走機(jī)構(gòu)上，用電機(jī)配合調(diào)速裝置和絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)；超聲沖擊槍尾端置于固定套筒中，下面有螺旋升降機(jī)構(gòu)；螺旋升降機(jī)構(gòu)安裝在行走小車上，行走小車行走在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌固定在工作臺(tái)下方并與工作臺(tái)連成一體。
3.如權(quán)利要求2所述的焊接工作臺(tái)在使用時(shí)，將工件夾緊在工作臺(tái)上，讓焊縫處于臺(tái)面中心的縫隙處，當(dāng)在工作臺(tái)上面對(duì)焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，處于臺(tái)面下方的超聲沖擊槍的沖擊頭可以穿過臺(tái)面中心的縫隙頂住焊縫背面，從而對(duì)焊縫背面實(shí)施沖擊；隨著焊槍在工作臺(tái)上方的移動(dòng)，電機(jī)與絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)下方的超聲沖擊槍沿著焊縫與焊槍同向移動(dòng)，且移動(dòng)速度可調(diào)；而超聲沖擊槍下面的螺旋升降機(jī)構(gòu)與臺(tái)面上的彈簧夾緊機(jī)構(gòu)配合，可調(diào)節(jié)沖擊槍對(duì)焊縫背面的壓緊力。
4.對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全位置焊接時(shí)，可用人工手持超聲沖擊槍，在焊件背面對(duì)熔池后方一定距離的焊縫背面進(jìn)行超聲沖擊，并使沖擊頭沿著焊縫與熔池同向移動(dòng)，同樣可以達(dá)到減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力的目的。
5.如權(quán)利要求1所述的特制的沖擊頭，是一個(gè)直徑與焊縫寬度相當(dāng)、與焊縫接觸端為球冠面、另一端為平面的圓柱形沖擊頭，采用耐磨、耐高溫、耐沖擊的材料制成。
【專利摘要】本發(fā)明是一項(xiàng)隨焊超聲沖擊減小或消除焊接變形及殘余應(yīng)力技術(shù)，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。它是在焊接正在進(jìn)行之時(shí)，對(duì)熔池后方一定距離的焊縫背面進(jìn)行超聲沖擊，使沖擊部位的焊縫正面產(chǎn)生微小脹形以獲得雙向拉伸塑性變形，以抵消該處在焊接升溫時(shí)所產(chǎn)生的雙向壓縮塑性變形，從而有效地減小或消除焊接變形和殘余應(yīng)力。超聲沖擊的精確位置以及超聲沖擊功率可以根據(jù)實(shí)際需要來調(diào)節(jié)。若對(duì)平板對(duì)接、搭接和T形角接接頭的平焊、平角焊焊縫進(jìn)行自動(dòng)焊接，可采用本發(fā)明專門設(shè)計(jì)的焊接工作臺(tái)實(shí)施隨焊超聲沖擊處理；若對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全位置焊接時(shí)，可用人工手持超聲沖擊槍，在焊件背面對(duì)熔池后方一定距離的焊縫背面進(jìn)行隨焊超聲沖擊，這樣使用更加靈活方便。
【IPC分類】C21D10-00, B23K9-32
【公開號(hào)】CN104726687
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410543906
【發(fā)明人】賀文雄, 趙洪運(yùn), 李思昊, 盛夏, 于靜泊
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2014年10月15日