专利名称:预防平板焊接结构中板的焊接变形的方法
本发明涉及到一种在建造铁道车辆、海船和建筑物等的过程中，预防薄板和框架焊接所产生的板变形的方法。
例如，目前为了满足减轻铁道车辆结构重量的要求，在使用薄板建造铁道车辆结构，特别是平板焊接结构方面已经取得了许多进展。这里所谓平板是指用低碳钢，不锈钢和铝合金等材料制成的薄板。随着薄板的广泛使用，焊接引起的板变形在已变形板的局部应力和外观上都引起了问题。
为了解决这些问题，迄今为止已经使用过下列三种公知的方法第一种方法如图3所示。首先将板(a)焊接在框架(b)上，然后用火焰(c)将板局部加热(在图中，所有的点(d)都被加热)，接着用软管(e)将水喷在被加热处使其淬火。这种方法很费工时，并且如果板(a)是不锈钢的话，由于局部加热会使被加热处变色。
第二种方法如日本特许公报昭-5339261中指出的那样，在用定位焊把板固定在框架上时，用薄板矫直机将板拉住。这种预拉力下的焊接和紧接着的拉力释放使板中产生残余拉应力，从而消除了板的变形。其特点在于，这种方法依靠一个很大的薄板矫直装置，从而使设备的价格昂贵。该方法的另一缺点是，如果板上有开孔的话，则开孔将阻碍板被均匀平直地拉伸。
第三种方法如日本特许公报昭-5339262中指出的那样，将加热器放在板的附近或让其与板直接接触，使板局部被加热，当板发生热膨胀时，用定位焊把板和框架固定在一起。焊接后加热器停止加热，板的逐渐冷却将导致热收缩变形。但已经和板焊在一起的框架限制了这种变形，因为框架使板中产生了残余应力。这种方法的缺点是，它需要用加热器将板局部加热，这样就不可能将整个板加热均匀，因此其效果也就较差。另一方面，用加热器加热板很难将温度控制恒定。
签于上述现有技术中存在的缺点，本发明的目的是提供一种平板焊接结构的焊接方法，它不会使板在和框架的焊接过程中产生令人不愉快的外表，如变色，也不需要过多的装置，并且能完全地防止板的焊接变形。
在焊接由低碳钢、不锈钢和铝合金等材料制成的薄板和框架时，通过下述方法可实现本发明的目的在加热室中预热整块板，至给定温度立即将该板放在上述框架的上表面上，此时板由于预热而热膨胀，在关键点上先进行定位焊接然后再将剩余点全部焊上，随着焊接后板温降低而产生的热收缩使板中产生了残余的拉应力。
这种方法有下列显著效果(1)由于使用加热箱，使整板的预热迅速、均匀;
(2)易于把板加热到所需温度;
(3)为了充分冷却，选择适当的给定温度，则不需要在焊接后进行反复的加热和冷却，从而使工时大量地减少。
(4)随着焊接后板冷却而产生的热收缩引起的变形使板中产生均匀的拉应力，从而防止板变松弛，不仅使板具有良好的外表而且还具有容许的应力分布。
图1是按照本发明所说的装置的透视图;
图2是按照本发明建造的平板焊接结构的平面图;
图3是预防板变形的现有技术的说明图;
图4是冷却曲线图;
图5是用来获得上述冷却曲线的平板焊接结构模型的平面图;
图6是图5中Ⅵ-Ⅵ线的剖面图;
图7(a)，7(b)，8(a)，8(b)，9(a)，9(b)是测量根据本发明建造的平板焊接结构中的残余应力的说明图;
图10是显示如何释放应力的透视图;
图11是说明如何测量应变的方框图。
如图1所示，用于预热平板4的加热系统1带有一个加热箱2和热空气型加热器了。加热箱2是一个封闭的箱子，其内表面上镶有绝缘材料。加热箱内部的工作部分是一个加热室27。在所说的加热室27内安装了许多排搁板5，用于支撑平板4，每个搁板都各自带有滚轴输送器6，它们沿箭头A的方向输送平板4。加热箱2的前侧板7和后侧板8上分别开有进料口9和出料口(没有画出)，它们分别由门10和11来控制开关。
门上装有金属线12，其一端和门10、11的任意一边的顶部相连，另一端和活塞连杆14a相连，其中点支撑在滑轮15上。空气气缸14安装在加热箱2的顶板13上，它沿垂直方向将门10和11打开和关上。
加热室27的两边都有一个整流室17，隔板16将整流室17和加热室27隔开，并且在其上面钻有许多小孔18。两个整流室17都局部开口接入热空气型加热器3的供气管19和回气管20，这样有助于空气在热空气型加热器3和加热箱2之间沿箭头B的方向循环。
热空气型加热器3安装在加热箱2的顶板13的中央，它能够进行温度控制，使加热室27内的温度保持在一个给定值T。为了进行温度控制，加热室27内装有一个温度传感器例如温差电偶，和一个温度检测器。数字22表示脚轮，它使加热箱2可以根据加工过程的需要而移动。
一旦将热空气型加热器3启动，它所产生的热空气就通过供气管19进入整流室17，然后通过隔板16上的小孔18逐渐充满加热室27的整个空间。另一方面，在另一个整流室17内的空气通过回气管20返回热空气型加热器3中，加热器3和加热室27之间的空气循环使加热室27中的温度可以被控制在一个给定值T。
现在我们来说明上面提到的给定温度T。当考虑了板4的材料，环境温度、板的处理和定位焊所需的时间以及框架23的强度之后，温度T的选择应该使板4中的拉应力能按所期望的形式分布。
例如上述各因素的值如下板4的厚度为1.5mm，材料是不锈钢，环境温度大约20℃，板4被卸出和定位焊所需时间不超过90秒。
在不锈钢平板焊接结构中，主要使用点焊，防止板4产生焊接变形或松弛所需的拉应力是15kg/mm2。为了能产生这个拉应力，板4和框架24之间的温度差x由下列公式给出x＝κ·σ/σyσ拉应力σy屈服应力κ拉应力等于屈服应力时的温差根据上述公式和实验中获得的数据可知，σ＝15kg/mm2，σy＝52.7kg/mm2，κ＝154℃，所需温差x大约是44℃。在定位焊结束之后必须使温差达到所需值x，假定定位焊所需时间是1分钟，环境温度即框架24的温度是24°，根据板4放在框架上以后的冷却曲线可知其最初温度即前面提到的给定温度T大约是90℃时，才能保证在卸下板4分钟之后，温差达到44℃。
现在我们来说明如何使用上述加热系统1来装配一个平板焊接结构。
(Ⅰ)将已经沿框架23上的分隔线28(见图2)切割开的板4放入加热室27的搁板5上，然后关闭门10，将板加热一定时间。
(Ⅱ)在经过一给定时间之后，把板4从加热室27中卸出，此时板4已预热到一给定温度T，例如90℃，迅速将已经因预热而热膨胀的板4放到框架24上使其和框架23上的分隔线28对齐。如果板4输入加热系统1的位置距离框架23的装配线相当远，那么应该把加热系统1移近装配线后再将板4卸出。
(Ⅲ)在板4安置好了以后，用点焊(图2中用圆圈表示)将板4的关键点25和框架24连接起来，点焊必须在给定时间内完成，例如1.5或2分钟。其中包括板4的安置时间。如果环境温度太低使得温度下降太快的话，应该将板4的表面绝缘，并且由两个或更多的焊2在短时间内完成点焊。
(Ⅳ)最后用点焊将板4上的剩余点26(图2中用x表示)焊在框架24上，完成整个装配工作。当板冷却到环境温度时，板中的残余应力在主应力方向上保持在3-5kg/mm2之间，从而在正常情况下防止了板的变形。
(试验例)为了使用上述通过板5框架的焊接来制造平板焊接结构的方法，进行了一系列试验用于确定冷却曲线和残余应力。下面将说明这些试验结果。
(1)冷却曲线如图5和图6所示(图5为平面图，图6为图5中Ⅵ-Ⅵ线的剖面图)，用厚度为1.5mm的不锈钢角形件(30×50×30mm)做一个正方形盒状框架30，按照本发明所说的方法将一块厚度为1.5mm的不锈钢板31(500×500mm)焊在框架30的上表面上，从而做成模型32。图5和图6中的尺寸单位是mm。在制造这个模型中，面接触温度计被安装在模型32的温度测量点①、②和③上。将被加热的板31卸出后焊在框架30上，温度测量点上的温度变化值如图4所示，点①、②和③的温度变化分别用实践、虚线和点划线来表示。
就温度测量点①来讲，在板被安置在框架上以后，点①的温度从大约85℃降低到环境温度20℃花了大约20分钟。
(2)残余应力如图7(a)至9(b)所示，用6mm厚的不锈钢角形件(65×65×65)做一个矩形的盒状框架33，然后按照本发明所说的方法将厚度为1.5mm的板34焊在框架33的上表面上，从而做成模型35。
把图7(a)和7(b)中所示的模型称为ИО.1，图8(a)和8(b)的为ИО.2，9(a)和9(b)的为ИО.3，它们的制造情况如下表所示。
在图7(a)至9(b)的每个图中，指示数字①至⑩代表残余应力的测量点，在每个点上园圈的尺寸代表应力的大小，箭头代表每个主应力的方向。这里采用所谓应力释放方法来测量残余应力，即如表1
注1只进行定位焊不进行点焊注2定位焊后进行点焊图10所示那样在平板焊接结构38上贴上一个应变片G，用靠模机床将环绕该应变片周围100mm见方的平板切割开。根据切割前后的应变差可以算出残余应力。
如图11所示那样，在用上述应变片测量应变时，可以通过静应变表M直接读出应变片的输出值。从应变值计算应力值时，要用到下列转换σ＝ε·Eσ是应力(kg/mm2)ε是应变(mm/mm)E是扬氏模数(假定为19500kg/mm2)
权利要求
一种预防平板焊接结构中板的焊接变形的方法，该结构由薄板和框架构成，其特征在于在一个加热箱中将整块板预热到一给定温度，迅速将由于预热已经热膨胀的板放到上述框架的上表面上，在关键点进行定位焊，然后进行点焊；随着焊接后板的冷却而产生的热收缩变形使所说的板中产生拉应力从而防止板变得松弛。
专利摘要
一种预防平板焊接结构中薄板的焊接变形的方法，该结构由薄板和框架构成，用于铁道车辆的边板等部件。所说的方法包括将整块薄板放在一个加热箱中预热使其产生热膨胀，当薄板膨胀时将其和框架焊在一起。
文档编号B23K31/00GK85101016SQ85101016
公开日1986年10月8日 申请日期1985年4月1日
发明者阪口章, 鲤江英昭 申请人:川崎重工业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan