采用施加点状预加应力对大型薄壁金属工件焊接的方法

摘要

采用施加点状预加应力对大型薄壁金属工件焊接的方法，先在焊道上下两边5λhmm处从焊缝起点开始每隔15λhmm以点接触的方式预加应力，预加应力点接触面为圆形，然后焊接，焊接速率控制到300mm/min；在焊接的同时对预加应力点均匀加热至50λh℃。焊接完成后，保持上述预加应力及预热温度30min。焊接方式为激光焊接时，最后完成焊接后还需要将激光焦点上调4～8mm，以600mm/min的扫描速率重新对焊缝进行修整，所有焊接完成；本发明实现大型薄壁工件的精密化焊接，降低废品率；提高制造水平，改变一些特殊部件制造方式，在焊接过程及焊后30min内对点状应力点均匀加热，可有效控制焊接变形，实现精密焊接。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术及应力控制技术领域，涉及一种焊接变形控制技 术，特别涉及采用施加点状预加应力对大型薄壁金属工件焊接的方法，通过 在焊接过程中对焊缝施加预加应力调节焊缝应力，从而防止焊缝变形的方 法。

背景技术

大型薄壁金属（高温合金、不锈钢、铝合金、钛合金、碳钢等）构件在 焊接过程容易因热输入过高及局部受热不均产生变形、扭曲以及焊缝硬化凸 起，影响装配精度和性能。

目前，用于大型薄壁金属构件精密焊接的方法主要有专用工装控制变 形、焊接后钳工打磨修配、焊后热处理控制变形、根据变形调整焊接顺序控 制变形及激光焊接等。针对大型复杂薄壁金属构件设计专用工装可以有效控 制变形，但无法实现精密化控制，焊缝整体似乎无变形，但局部的突起与凹 陷无法有效调，特别是针对一些精密结构件；焊接后打磨修配工作量大，且 打磨修配过程容易再次产生应力，造成焊缝区域二次硬化，降低不锈钢构件 的疲劳寿命以及耐蚀性能，钳工修配亦不能有效保证修配精度，导致一些装 配精度要求高的薄壁不锈钢构件的成品率降低；焊后热处理可以调节焊缝应 力状态，但无法控制工件，且往往导致工件扭曲，特别是复杂薄壁工件；根 据变形调节焊接顺序对需要大量堆焊的结构件（如桥梁结构件）适用，而对 于厚度在1.5mm以内的薄壁工件效果并不明显；采用激光焊接虽能使变形扭 曲减小，但焊缝部位因应力集中仍出现硬化凸起，影响装配精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供采用施加点状预 加应力对大型薄壁金属工件焊接的方法，根据大型薄壁金属工件曲面形状随 型在焊道周围施加点状预加应力，在焊接过程及焊后30min内对点状应力点 均匀加热，可有效控制焊接变形，实现精密焊接，解决了大型薄壁金属工件 焊接变形的问题；实现大型薄壁工件的精密化焊接，降低废品率；提高制造 水平。

采用施加点状预加应力对大型薄壁金属工件焊接的方法，包括以下步 骤：

步骤一：在焊道上下两边5λhmm处从焊缝起点开始每隔15λhmm以点 接触的方式预加应力，预加应力点接触面为圆形，其圆形直径D=5h，h为不 锈钢工件板厚，焊道首尾4δLmm内预加应力为（0.5δL-0.3D）λN，其它 所有点预加应力为0.5（δL-D）λN，其中：L为焊道长度，δ为长度因子， λ为材料因子；

L=0～100mm(不含100)时，δ=1；

L=100～1000mm(不含1000)时，δ=0.1；

L=1000～1500mm时，δ=0.01；

L超过1500mm时，进行分段焊接，δ随分段长度按上述要求确定；

钛合金λ=0.8；

不锈钢、碳钢、铁类λ=1

高温合金λ=1.2；

铝合金、镁合金λ=1.4；

步骤二：焊接，焊接速率控制到300mm/min；

步骤三：在焊接的同时对预加应力点均匀加热至50λh℃；

步骤四：焊接完成后，保持上述预加应力及预热温度30min。

上述的焊接方式为激光焊接时，最后完成上述焊接后还需要将激光焦点 上调4～8mm，按照步骤二的参数以600mm/min的扫描速率重新对焊缝进行修 整，所有焊接完成。

本发明特点在于：

一、本发明将焊接与焊缝应力调整有效结合，应用于薄壁金属工件焊接 中，可根据不同曲面不同部位在焊接过程呈现的应力状态自由调节，达到调 节应力的作用，在焊缝敏感区域采用点状压触地方式在焊接前对焊缝部位施 加预加应力，以抵消焊接过程产生的应力，防止焊缝凸起；对点状应力点的 均匀加热可保证工件始终处于一个相对稳定的温度场中，避免焊接过程中的 急冷急热造成的焊缝组织突变及扭曲变形，有效改善焊缝应力，控制焊接变 形，提高焊缝疲劳强度。

二、本发明适用于所有常规大型平面及曲面薄壁金属工件的焊接，如钛 合金、镁合金、铝合金、不锈钢、高温合金等。

三、本发明所提出的新型大型薄壁金属工件焊接工艺可有效提高大型薄 壁精密金属工件焊接成品率，提高制造效率。

四、本发明所提出的新型大型薄壁金属工件精密焊接工艺有助于提高制 造业水平，降低制造业成本，原本需要铸造及机械加工的薄壁精密构件可以 通过焊接实现，大大缩短制造周期，节省了制造成本。

附图说明

附图为预加应力工装示意图。

具体实施方式

本发明方法完整的步骤：

以下结合具体实施例对本发明技术方案详细内容说明。实施例中所使用 的设备及辅材为：JJM-1GXY-400B数控多功能激光加工机、AVP-500焊机、 力矩扳手、预加应力工装、加热带。

实施例一：

应用对象及基材：某型飞机模型发动机唇口，材质0Cr18Ni9，厚度为 1.2mm，焊道长度1200mm，为大曲面复杂薄壁工件。原工艺为氩弧焊，焊后 变形大，无法有效装配，采用激光焊接后，变形量为3mm，仍不能很好的满 足装配。以下为本实施例工艺过程：

①在焊道上下两边12mm处从焊缝起始部位开始每隔18mm以点接触的方 式预加应力，焊道首尾48mm内预加应力为5.64N（使用力矩扳手），其它 所有点预加应力为5.4N（使用力矩扳手）；

附图为预加应力工装示意图，图中A为点接触式预加应力螺杆；B为焊 道；C为螺杆固定托板；D托板支架；E为地板托架（槽钢）；F大型薄壁金 属工件；为G为螺纹孔；

②采用激光焊接，电流150A、频率18Hz、脉宽6ms、光斑宽度1.0mm， 焊接速率为300mm/min；

③在焊接的同时使用加热带将所有预加应力点均匀加热至60℃

④焊接完成后，保持上述预加应力及温度30min；

⑤激光焦点上调8mm，按照步骤2的参数以600mm/min的扫描速率重新 对焊缝进行修整，所有焊接完成。

综合性能：采用本发明工艺焊接的唇口变形量仅仅为0.2mm，完全满足 装配要求。

实施例二：

应用对象及基材：不锈钢尾罩，材质30CrMnSi，厚度为0.8mm，焊道长 度300mm，为大曲面复杂薄壁工件。原工艺为激光焊接，变形量为7mm，仍 不能很好的满足装配。以下为本发明工艺过程：

①在焊道上下两边4mm处每隔12mm以点接触的方式预加应力，焊道首 尾120mm内预加应力为14.7N（使用力矩扳手），其它所有点预加应力为14.5N （使用力矩扳手）；

②采用钨极氩弧焊，采用直流脉冲，电流80A、电压40Hz、氩气流量 6.4L/min、钨极直径2mm、焊接速率为300mm/min，焊丝采用70S-6、焊丝直 径1.2mm；

③在焊接的同时使用加热带将所有预加应力点均匀加热至40℃

④焊接完成后，保持上述预加应力30min；

综合性能：采用本发明工艺焊接的尾罩变形量仅仅为0.3mm，完全满足 装配要求。

实施例三：

应用对象及基材：某型飞机尾喷管，材质TC4,厚度为1.2mm，焊道长度 100mm，为复杂薄壁工件。原工艺为氩弧焊，焊后焊缝部位变形大，无法有 效装配，采用激光焊接后，变形量为2mm。以下为本发明工艺过程：

①在焊道上下两边4.8mm处从焊缝起始部位开始每隔14.4mm以点接触 的方式预加应力，焊道首尾40mm内预加应力为3.7N（使用力矩扳手），其它 所有点预加应力为3.5N（使用力矩扳手）；

②采用激光焊接，电流160A、频率16Hz、脉宽6ms、光斑宽度1.2mm， 焊接速率为300mm/min；

③在焊接的同时使用加热带将所有预加应力点均匀加热至48℃

④焊接完成后，保持上述预加应力及温度30min；

⑤激光焦点上调6mm，按照步骤2的参数以600mm/min的扫描速率重新 对焊缝进行修整，所有焊接完成。

综合性能：采用本发明工艺焊接的尾喷管无变形，满足装配要求。