自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置和方法

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自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置和方法\n技术领域\n[0001] 本发明属船舶装焊技术领域，具体涉及自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置和方法。\n背景技术\n[0002] 国内外高速舰船主要采用铝合金焊接而成，由于铝合金在二三百摄氏度以上温度的弹性模量和屈服强度很小，抗变形能力差；并且铝合金材料的热导率、热膨胀系数大，焊接高温区范围较宽，焊接应力、变形比较大，导致这些铝质船体组立、合拢等悬空位置焊接时，焊缝横向收缩量和焊接变形量均比钢质分段的大很多，铝质船体结构焊后需要进行矫形处理。另外，该船体悬空位置焊接主要采用大电流TIG填丝深熔焊，焊缝背面需焊出较大尺寸焊缝，然后采用砂轮手工打磨成需要尺寸及形貌。这种焊接工艺会产生较大的焊接变形，浪费了大量焊材和人力、物力，降低了建造效率，焊缝根部很难打磨成需要形状，将会降低焊接接头的承载能力。\n[0003] 为解决上述问题，实际生产中采用装焊卡码、加强角铝以及点焊等方法来进行辅助焊接。这些技术能在一定程度上控制焊接变形，但效果一般，主要原因是刚性约束不足。\n装焊的卡码和加强角铝还要进行焊后打磨拆除，会损坏船体表面，影响美观和使用性能；而且，该方法不能有效控制焊缝的错边问题，分段焊缝较长时，会出现分段叠边等问题而影响船体组立与合拢。深熔焊接时，待焊缝根部要保持一定间隙，不能过大或过小。焊接过程中焊缝部位的热膨胀与收缩导致待焊缝根部间隙不断减小，需要点固焊缝来进行限制。整个焊接过程由于点固焊接、卡码与角铝的装焊与拆除、焊缝背面打磨成形、焊后矫形等额外工序，大大降低了生产效率。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置和方法。\n[0005] 本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：\n[0006] 自支撑控制悬空焊缝间隙及焊接变形的装置，包括定位块、上部刚性压块、下部刚性压块和成形槽，所述定位块包括定位块主体和定位部；所述定位部穿过焊缝根部间隙并嵌入成形槽中；所述上部刚性压块对称的安装在定位块主体两侧，所述下部刚性压块具有与成形槽匹配的内凹部，所述成形槽安装在内凹部中；所述上部刚性压块、下部刚性压块内部安装有磁铁。\n[0007] 优选的，所述定位部包含位于定位块主体上的第一级凸出部，所述第一级凸出部嵌合在焊缝根部间隙中；所述定位部还包含位于第一级凸出部上的第二级凸出部，所述成形槽中部设有凹槽，所述凹槽设有限位槽，所述第二级凸出部嵌合在限位槽中。优选的，所述第一级凸出部的形状与焊缝根部间隙相匹配，所述限位槽的形状与第二级凸出部匹配。\n[0008] 优选的，所述定位块、上部刚性压块、下部刚性压块、成形槽与船体壁板之间的接触面为平面或曲面。\n[0009] 优选的，所述定位块、上部刚性压块、下部刚性压块为中空结构；所述成形槽为实心结构。更优选的，所述定位块、上部刚性压块、下部刚性压块采用铝合金材料制成；所述成形槽采用不锈钢材料制成。\n[0010] 优选的，每侧相邻的上部刚性压块之间可拆卸连接，相邻的下部刚性压块之间可拆卸连接。更优选的，每侧相邻的上部刚性压块通过销钉连接，相邻的下部刚性压块通过销钉连接。\n[0011] 一种船体悬空焊缝的焊接方法，使用本发明自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置焊接，包括以下步骤：\n[0012] S1、在船体壁板待焊部位等距离安装定位块，定位块的定位部穿过焊缝根部间隙并与成形槽嵌合；在定位块的两侧分别安装上部刚性压块；\n[0013] S2、安装成形槽，使其与定位部嵌合；在成形槽下面安装下部刚性压块；\n[0014] S3、从待焊部位的一端开始，在未安装定位块处焊接焊缝，每焊完一段上部刚性压块长的焊缝，将该段处定位块拔出，焊接该定位块处的焊缝，上、下部刚性压块保留不动；按照这个步骤焊接完所有焊缝，并等待焊缝温度降低到室温后，再分别拆除上、下部刚性压块。\n[0015] 优选的，定位块的第一级凸出部与焊缝根部间隙嵌合，第二级凸出部与成形槽的限位槽嵌合。\n[0016] 与现有技术相比，采用本发明自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置及焊接方法具有如下优点：\n[0017] 1、使用方便、成本低、适应性强，可以自支撑动态控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形，既能控制焊缝横向收缩，又能控制错边，而且可以减小焊接变形,并且保证焊缝背面成形好；\n[0018] 2、定位块定位距离精确，拆装方便，解决了传统大量卡码和加强角铝的装焊和拆除操作，大幅度提高了生产效率，也降低了焊接作业人员频繁装、卸卡码与角铝的劳动强度；\n[0019] 3、上下部刚性压块脱离自如，悬空焊缝根部间隙定位效果显著，焊接变形与错边控制良好，不会损伤船体内外表面质量，工作效率高，显著提高定位的稳定可靠性和有效抑制错边，降低焊接变形，焊接质量得到良好保证；\n[0020] 4、成形槽有利于保证大电流TIG深熔焊方法的手工、半自动、自动化单面焊双面成形工艺顺利进行，焊缝背面成形美观，减少人工砂轮打磨工作量，大量节约焊材。\n附图说明\n[0021] 图1为本发明自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的结构示意图。\n[0022] 图2为定位块的结构示意图。\n[0023] 图3为上部刚性压块的连接结构示意图。\n[0024] 图4为下部刚性压块的结构示意图。\n[0025] 图5为下部刚性压块的连接结构示意图。\n[0026] 图6为定位块与成形槽的定位示意图。\n[0027] 图7为图6中A部分放大示意图。\n[0028] 图8为本发明实施例1中使用自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的焊接方法时定位块与船体壁板嵌合示意图。\n[0029] 图9为本发明实施例1中使用自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的焊接方法时安装上部刚性压块后示意图。\n[0030] 图10为本发明实施例1中使用自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的焊接方法时安装下部刚性压块和成形槽后示意图。\n[0031] 图11为本发明实施例2中使用自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的焊接方法时安装下部刚性压块和成形槽后示意图。\n[0032] 附图标记如下：\n[0033] 1、船体壁板，         21、第一级凸出部，\n[0034] 2、定位块，           22、第二级凸出部，\n[0035] 3、上部刚性压块，     51、内凹部，\n[0036] 4、磁铁，             61、凹槽，\n[0037] 5、下部刚性压块，     62、限位槽,\n[0038] 6、成形槽，           7、销钉。\n具体实施方式\n[0039] 为了更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明。\n[0040] 如图1和图4所示，本发明所述的自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置，包括定位块2、上部刚性压块3、下部刚性压块5和成形槽6，所述定位块2包括定位块主体和定位部，所述定位部穿过焊缝根部间隙11嵌入成形槽6中；所述上部刚性压块3对称的安装在定位块主体两侧，所述下部刚性压块5具有与成形槽6匹配的内凹部51，所述成形槽6安装在内凹部51中；所述上部刚性压块3、下部刚性压块5内部安装有磁铁4。所述定位部用于固定定位块2，限制定位块2的随意滑动与脱落，保证根部间隙11定位准确。\n[0041] 优选的，如图1和图2所示，所述定位部包含位于定位块主体上的第一级凸出部21，所述第一级凸出部21的形状与焊缝根部间隙11相匹配，并嵌合在焊缝根部间隙11中。更优选的，所述第一级凸出部21的宽度与焊缝根部间隙11的宽度相同，其高度略大于船体壁板1的板厚；第一级凸出部的宽度与分段焊缝根部间隙宽度相同，可克服焊接过程中熔池前方因横向收缩而导致分段焊缝根部间隙不断变小的问题。在本发明中所述定位块2优选的长度为40-60mm、宽度为40-60mm、高度为40-60mm。在本发明中焊缝根部间隙11的宽度与第一级凸出部21的宽度优选为2-4mm。\n[0042] 更优选的，如图1、图2、图6和图7所示，所述定位部还包含位于第一级凸出部21上的第二级凸出部22；所述成形槽6中部设有凹槽61，所述凹槽61内进一步设有限位槽62，限位槽62的形状与第二级凸出部22匹配，所述第二级凸出部22嵌合在限位槽62中。更进一步优选的，成形槽6沿凹槽61对称，限位槽62宽度与第二级凸出部22的宽度相同，这使得成形槽6对称分布在焊缝背面两侧，从而保证焊缝背面成形对称。在本发明中所述第二级凸出部\n22优选的宽度为1-2mm、高度为2-3mm；成形槽6优选的长度为100-120mm、宽度为50-70mm、高度为50-60mm；凹槽61优选的宽度为1-2mm、高度略小于第二级凸出部22的长度。\n[0043] 优选的，每侧相邻的上部刚性压块3之间可拆卸连接，相邻的下部刚性压块5之间可拆卸连接，以便于拆装。更优选的，每侧相邻的上部刚性压块3之间通过销钉连接，相邻的下部刚性压块5之间通过销钉7连接。销钉7连接可组成尺寸较长的刚性约束带，上下部刚性压块可以绕着销钉7转动，以适应船体曲面型线的要求。为了更好的与定位块2配合，在本发明中上部刚性压块3优选的长度为100-120mm、宽度为60-80mm、高度为60-80mm；下部刚性压块5优选的长度为100-120mm、宽度为160-200mm、高度为60-80mm。\n[0044] 为了与上部刚性压块3和下部刚性压块5配合使用，本发明中磁铁4优选的长度为\n70-80mm、宽度为25-35mm、高度为25-35mm。所述磁铁4为开关磁铁。磁铁4打开时产生的磁力作用，通过上下部刚性压块对待焊船体壁板产生挤压作用，压紧待焊焊缝，产生整体刚性约束，限制船体壁板的摆动、错边及变形，加上定位块2与成形槽6的共同作用，可以保证船体壁板待焊部位的根部间隙11尺寸及无错边发生。磁铁4关闭时不再产生磁力作用，上下部刚性压块脱离自如。磁力的大小可以根据实际情况进行选择和调整，这是本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。\n[0045] 为了减轻重量，所述定位块2可以采用中空结构。同样的，所述上部刚性压块3和下部刚性压块5也可以采用中空结构。优选的，所述定位块2和上、下部刚性压块均采用铝合金材质的中空结构。进一步优选的，为了便于提拿搬运，可在所述定位块2上设置把手。优选的，所述成形槽6为实心结构，增加刚度并利于焊接过程中焊缝的散热，保证焊接效果。更优选的，所述成形槽6采用不锈钢材料制成。\n[0046] 优选的，所述定位块2、上部刚性压块3、下部刚性压块5、成形槽6与船体壁板1之间的接触面为平面或曲面。\n[0047] 如图8-10所示，使用本发明自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的焊接方法，包括以下步骤：\n[0048] S1、在船体壁板1待焊部位等距离安装定位块2，定位块2的定位部穿过焊缝根部间隙11嵌入成形槽6中，在定位块主体两侧分别安装上部刚性压块3；\n[0049] S2、安装成形槽6，使其与定位部嵌合；在成形槽6下面安装下部刚性压块5；\n[0050] S3、从待焊部位的一端开始，在未安装定位块2处焊接焊缝，每焊完一段上部刚性压块3长的焊缝，将该段处定位块2拔出，焊接该定位块2处的焊缝，上、下部刚性压块保留不动；按照这个步骤焊接完所有焊缝，并等待焊缝温度降低到室温后，再分别拆除上、下部刚性压块。\n[0051] 优选的，定位块2的第一级凸出部21与焊缝根部间隙11嵌合，第二级凸出部22穿过焊缝与成形槽6的限位槽62嵌合。\n[0052] 与定位块2在船体壁板1待焊部位等距离安装不同，上部刚性压块3、下部刚性压块\n5以及成形槽6是沿焊缝安装且铺满焊缝。又因定位块的长度小于上部刚性压块3、下部刚性压块5以及成形槽6的长度，所以焊缝会有未安装定位块处，以便进行焊接。\n[0053] 实施例1\n[0054] 本发明所述的自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置，包括定位块2、上部刚性压块3、下部刚性压块5和成形槽6，所述成形槽6中部设有凹槽61，所示凹槽61内设有限位槽62，所述定位块2包括定位块主体和定位部，所述定位部包含位于定位块主体上的第一级凸出部21以及位于第一级凸出部21上的第二级凸出部22，所述第一级凸出部21的形状与焊缝根部间隙11相匹配，并嵌合在焊缝根部间隙11中，所述限位槽62的形状与第二级凸出部22匹配，所述第二级凸出部22嵌合在限位槽62中；所述上部刚性压块3对称的安装在定位块主体两侧，所述下部刚性压块5具有与成形槽6匹配的内凹部51，所述成形槽6安装在内凹部51中；所述上部刚性压块3、下部刚性压块5内部安装有磁铁4。\n[0055] 在本实施例中所述定位块2优选的长度为45mm、宽度为45mm、高度为45mm，焊缝根部间隙11的宽度与第一级凸出部21的宽度为3mm，第二级凸出部22宽度为1mm、高度为2mm；\n成形槽6的长度为100mm、宽度为50mm、高度为60mm；限位槽62优选的宽度为1mm、高度略小于第二级凸出部22的高度；上部刚性压块3长度为100mm、宽度为60mm、高度为60mm；下部刚性压块5的长度为100mm、宽度为160mm、高度为80mm。\n[0056] 使用本发明自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置的焊接方法，包括以下步骤：\n[0057] S1、根据船体壁板1厚度、型线特征、焊缝背面成形特征与根部间隙工艺要求的尺寸，在船体壁板1待焊部位上面安装一系列方形中空的定位块2，所述定位部2包含位于定位块主体上的第一级凸出部21以及位于第一级凸出部21上的第二级凸出部22，所述第一级凸出部21的形状与焊缝根部间隙11相匹配，并嵌合在焊缝根部间隙11中；\n[0058] S2、根据船体壁板型线特征，选取上部刚性压块3对称紧密安装在定位块2两侧，上部刚性压块3之间通过销钉7连接，上部刚性压块3内部安装有磁铁4,用以产生磁力作用；\n[0059] S3、根据船体壁板型线特征，选取下部刚性压块5和成形槽6，限位槽62的形状与第二级凸出部22匹配，所述第二级凸出部22嵌合在限位槽62中，使得成形槽对称分布在根部间隙中心线两侧，保证焊缝对称成形；然后，将下部刚性压块5对称紧密安装在成形槽6的两侧，下部刚性压块5之间也通过销钉7连接，下部刚性压块5内部安装有磁铁4。\n[0060] 铝合金船体分段合拢悬空焊缝的大电流TIG填丝深熔焊工艺，在焊接过程中要求焊接接头根部间隙保持在2～4mm，错边量要小于0.5mm，而且要保证单面焊双面成形。使用本发明所述的船体悬空焊缝自支撑动态控制根部间隙及焊接变形的装置进行焊接完全可以满足该要求。\n[0061] 在本实施例中船体分段合拢甲板铝合金薄板的厚度为5mm，对接焊部位为平面，定位块、上下部刚性压块与待焊部位的接触面均为平面。将接触面为平面的定位块、上下部刚性压块以及成形槽依次安装好，开通磁铁，上下部刚性压块内部的磁铁产生异性磁力作用，通过刚性压块带对待焊甲板施加较强压力约束作用，然后开始TIG填丝焊接，由于下面具有成形槽，顺利完成5mm平面甲板的TIG焊单面焊双面成形焊接，焊接变形控制效果好。\n[0062] 实施例2\n[0063] 本实施例中自支撑控制悬空焊缝根部间隙及焊接变形的装置与焊接方法同实施例1基本相同，但是定位块和上下部刚性压块的接触面均为曲面，以用于曲面部位的焊接，其焊接过程示意图如图1所示。本实施例中船体分段合拢舷侧板的厚度为4mm，对接焊部位为曲面。将接触面为曲面的方形定位块、上下部刚性压块以及成形槽依次安装好，开通磁铁，上下部刚性压块内部的磁铁产生异性磁力作用，通过刚性压块带对待焊舷侧板施加较强压力约束作用，然后开始TIG填丝焊接，由于下面具有成形槽，顺利完成4mm曲面舱壁的TIG焊单面焊双面成形焊接，焊接变形控制效果好。\n[0064] 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。