一种便携式焊接变形控制设备及其变形处理方法

摘要

一种便携式焊接变形控制设备及其变形处理方法，包括电源、电极系统、接触电缆终端、手柄、冲击杆和铜衬垫，所述电源用于将交流电转变为不同强度的脉冲电流，所述接触电缆终端和冲击杆可与焊接结构工件接触而形成电流回路，当脉冲电流在焊接结构工件内瞬间升起时，在电极系统与焊接结构工件之间形成电脉冲磁场而进一步将电能转变为冲击能，且冲击能通过冲击杆和铜衬垫传递给焊接结构工件，从而使焊接结构工件可在不同冲击时间和冲击力的共同作用下，产生塑性变形，达到降低焊接变形和残余应力的目的。本发明的结构简单、体积小、重量轻、易于手持操作，可在狭小空间内处理焊接变形，实用性强，而且还具有能耗低、价格低廉、冲击能可控等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接变形控制设备及方法，具体是涉及一种便携式焊接变形控制设备及其变形处理方法。

背景技术

焊接时，由于被焊构件受热不均匀，在结构内部产生焊接应力和应变。焊接应力将引起构件脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏，甚至导致事故的发生；焊接变形会降低结构的形状和尺寸精度，提高制造成本，直接影响结构的制造质量和使用性能，严重者甚至导致结构报废。所以，控制焊接变形和降低焊接残余应力是焊接结构生产中必要的步骤，目前针对大型构件的方法主要有局部温度回火法和机械法。

（1）局部温度回火法

局部温度回火即在焊缝周围的一个局部区域进行加热，其机理是利用金属局部加热和冷却后的收缩所引起的新变形，来抵消已发生的焊接变形。由于其局部加热的性质，客观上只能降低应力峰值，而不能完全消除，适用于结构简单的接头。但该方法常伴随繁重的劳动、极大的噪音（120-140分贝）和结构振动，高温的工作环境进一步加剧了工作环境的恶劣性。此外，对于高热导性的材料，如铝，效果十分不明显。

（2）机械法

机械法又分为机械拉伸法（过载法）和温差拉伸法（低温消除应力法），它们的基本原理是利用拉伸来抵消焊接时所产生的压缩塑性变形。但高定位精度、大结构尺寸及高昂的费用等因素，客观上限制了其使用范围。

局部温度回火法和机械法耗能大，与节能环保的要求不符。便携式焊接变形控制设备具有尺寸小、价格低廉、能耗小、操作简便的特点，可有效地弥补上述两种方法的不足,特别适合在狭小空间内作业。便携式焊接变形设备发明的难点在于将电能转换为动能，在不损伤工件表面的情况下，可有效地应用于降低焊接变形和残余应力，提高焊接结构静态和动态力学性能。

对于目前的焊接变形控制方法，公开号为CN103817452A的中国专利申请公开了“一种多层多道焊的随焊锤击方法”，提供了一种随焊锤击方法。该发明根据焊接的层数和道数来确定锤子和焊枪的距离，来锤击熔合线和热影响区。设备简单轻便，成本低，但锤击过程中无法进行能量的控制。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构简单轻便、操作方便、能耗小、价格低廉、冲击能量可控的的便携式焊接变形控制设备及其变形处理方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的便携式焊接变形控制设备，其特点是包括电源、电极系统、接触电缆终端、手柄、冲击杆和铜衬垫，其中所述电极系统和接触电缆终端与电源相连接，所述冲击杆的一端连接在电极系统上，其另一端与铜衬垫相连接，所述手柄固定连接在电极系统上，所述电源用于将交流电转变为脉冲电流，且转变后的脉冲电流的电压可通过电源控制箱上的旋钮进行调节，调节范围为200-800V，所述接触电缆终端和冲击杆可与焊接结构工件接触而形成电流回路，当脉冲电流在焊接结构工件内瞬间升起时，在电极系统与焊接结构工件之间形成电脉冲磁场而进一步将电能转变为冲击能，且冲击能通过冲击杆和铜衬垫传递给焊接结构工件。

本发明所述的便携式焊接变形控制设备的变形处理方法，其特点是包括如下步骤：

步骤一：将接触电缆终端固定装夹在焊接结构工件上，并使电极系统上的冲击杆保持与焊接结构工件非接触；

步骤二：打开电源，并根据待处理焊接结构工件的材质、厚度和变形量来确定脉冲电流的输出电压；

步骤三：手握手柄，并通过铜衬垫使冲击杆与焊接结构工件接触，产生冲击；

步骤四：对焊接结构工件进行冲击：起始冲击点为焊接变形最大的位置，以此点为中心按照螺旋形路径进行处理，螺旋形路径的半径标定为R，由内到外对焊接结构工件的表面进行冲击，一般选定依次增大的三个半径和相应的冲击点，每个冲击点的作用次数为一次；

步骤五：判断标准：假设被处理的焊接结构工件所允许的最大变形量为f，当处理后焊接结构工件变形量小于f，则该次处理合格，其中f可由公式f=a/80获得，a表示肋板之间的距离，当采用一个R值对焊缝处理完成后，如果焊接结构工件的最大变形量达到要求，即小于f时，便可停止处理，如果不能达到要求，则需增大R的值继续对焊缝进行处理，直到焊接结构工件的最大变形量达到要求为止。

本发明由于采用了由电源、电极系统、接触电缆终端、手柄、冲击杆和铜衬垫共同组成焊接变形控制设备的结构，通过该设备的接触电缆终端和冲击杆与导电的焊接结构工件形成电流回路，当脉冲电流在焊接结构工件中瞬间升起时，在电极系统与焊接结构工件之间形成电脉冲磁场而进一步将电能转变为动能（即冲击能），并通过冲击杆和铜衬垫将动能传递给焊接结构工件，从而使焊接结构工件可在不同冲击时间和冲击力的共同作用下，产生塑性变形，达到降低焊接变形和残余应力的目的，同时通过铜衬垫可有效降低冲击对焊接工件表面的影响，确保了理想的冲击效果。本发明的结构简单、体积小、重量轻、易于手持操作，可在狭小空间内处理焊接变形，实用性强，而且还具有能耗低、价格低廉、冲击能可控等优点，从而有效地解决了现有焊接变形控制设备存在的设备昂贵、工作环境恶劣、高耗能等缺点。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明所述螺旋形路径的示意图。

图3为本发明所述焊接结构工件的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的便携式焊接变形控制设备，包括电源1、电极系统2、接触电缆终端3、手柄4、冲击杆5和铜衬垫6，其中所述电极系统2和接触电缆终端3与电源1电连接，所述冲击杆5的一端连接在电极系统2上，其另一端与铜衬垫6相连接，所述手柄4固定连接在电极系统2上，所述电源1用于将交流电转变为不同强度的脉冲电流，且转变后的脉冲电流的电压可通过电源控制箱上的旋钮进行调节，调节范围为200-800V，所述接触电缆终端3和冲击杆5可与焊接结构工件7接触而形成电流回路，当脉冲电流在焊接结构工件7内瞬间升起时，在电极系统2与焊接结构工件7之间形成电脉冲磁场而进一步将电能转变为冲击能，且冲击能通过冲击杆5和铜衬垫6传递给焊接结构工件7，从而使焊接结构工件7可在不同冲击时间和冲击力的共同作用下，产生塑性变形，达到降低焊接变形和残余应力的目的，同时通过铜衬垫6可有效降低冲击对焊接工件表面的影响，确保了理想的冲击效果。本发明的结构简单、体积小、重量轻、易于手持操作，可在狭小空间内处理焊接变形，实用性强，而且还具有能耗低、价格低廉、冲击能可控等优点，从而有效地解决了现有焊接变形控制设备存在的设备昂贵、工作环境恶劣、高耗能等缺点。

实施例一：

在带有搭接接头的4mm厚的5083铝合金工件上，模拟了凸起变形弯曲值f。如图3所示，该工件四周为四个肋板8并通过角焊缝10与中心薄板9连接。其中，各肋板8的尺寸为300mm×300mm，底板工件尺寸为260mm×260mm。使用直径为3.0mm的填充焊丝，在电流为130A、焊速为1.3mm/s的氩气保护环境下，通过手工TIG焊完成铝合金试样的角焊缝。通过本发明所述的便携式焊接变形控制设备的变形处理方法，包括以下具体步骤：

步骤一：将接触电缆终端3固定装夹在焊接结构工件7上，并使电极系统2上的冲击杆5保持与焊接结构工件7非接触；

步骤二：打开设备的电源1，被焊材料为4mm厚的5083铝合金，经测量焊接结构件7的最大变形量为8mm，变形方向为肋板方向，脉冲电流的输出电压设定为400V；

步骤三：手握手柄4，并通过铜衬垫6使冲击杆5与焊接结构工件7接触，产生冲击；

步骤四：对焊接结构工件7进行冲击：冲击的路径为螺旋状，即采用工件中心到边缘的可变半径R的螺旋形状（如图2所示），由内到外对焊接结构工件7的表面进行冲击，本实例选取的半径R分别为15mm和50mm和90mm，其中R=15mm时共有8个冲击点，R=50mm时共有30个冲击点，R=90mm时共有55个冲击点，每个冲击点作用次数为一次；

步骤五：判断标准：由公式f=a/80，其中a表示肋板之间的距离，得出被处理的工件允许的最大变形量f=300/80=3.75mm，当R=15mm时，经测量焊接结构工件7的最大变形量为5mm，不能满足要求；当R=50mm时，经测量焊接结构工件7的最大变形量为3mm，符合要求。对于单次冲击来说能量消耗不超过800J，当R=50mm时，总能量消耗E=2.4×10⁴J，相对应传统的热校正方法的能耗1.6×10⁶J来讲，节能效果显著。

实施例二：

在带有搭接接头的2mm厚的304不锈钢工件上，模拟了凸起变形弯曲值f。如图3所示，该工件四周为四个肋板8并通过角焊缝10与中心薄板9连接。其中，各肋板8的尺寸为300mm×300mm，底板工件尺寸为260mm×260mm。使用直径为3.0mm的填充焊丝，在电流为120A、焊速为1.5mm/s的氩气保护环境下，通过手工TIG焊完成不锈钢试样的角焊缝。通过本发明所述的便携式焊接变形控制设备的变形处理方法，包括以下具体步骤：

步骤一：将接触电缆终端3固定装夹在焊接结构工件7上，并使电极系统2上的冲击杆5保持与焊接结构工件7非接触；

步骤二：打开设备的电源1，被焊材料为2mm厚的304铝合金，经测量焊接结构工件7的最大变形量为6.7mm，变形方向为肋板方向，脉冲电流的输出电压设定为250V；

步骤三：手握手柄4，并通过铜衬垫6使冲击杆5与焊接结构工件7接触，产生冲击；

步骤四：对焊接结构工件7进行冲击：冲击的路径为螺旋状，即采用工件中心到边缘的可变半径R的螺旋形状（如图2所示），由内到外对焊接结构工件7的表面进行冲击，本实例选取的最大半径R分别为20 mm和40 mm和75 mm，其中R=20 mm时共有10个冲击点，R=40 mm时共有22个冲击点，R=75 mm时共有48个冲击点，每个冲击点作用次数为一次；

步骤五：判断标准：由公式f=a/80，其中a表示肋板之间的距离，得出被处理的工件允许的最大变形量f=300/80=3.75 mm，当R=20 mm时，经测量焊接结构工件7的最大变形量为5.5 mm，不能满足要求；当R=40 mm时，经测量焊接结构工件7的最大变形量为4.0 mm，不能满足要求；当R=75mm时，经测量焊接结构工件7的最大变形量为2.8 mm，满足要求。对于单次冲击来说能量消耗不超过800J，当R=75mm时，总能量消耗E=3.84×10⁴J，相对应传统的热校正方法的能耗1.15×10⁵J来讲，节能效果显著。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。