CN102699515B

CN102699515B - 大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具及焊接方法

Info

Publication number: CN102699515B
Application number: CN201210144736.7A
Authority: CN
Inventors: 周炼刚; 焦好军; 康黎; 胡太文; 李海刚
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: CN102699515A

Abstract

本发明提供一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具及焊接方法。该夹具包括一个外形与贮箱前底相吻合并可罩住贮箱前底的前罩，以及一个外形与贮箱后底相吻合并可罩住贮箱后底的后罩；前罩和后罩的端部均带有突出并向外延伸的外沿，外沿的内侧与贮箱前底的过渡区域的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面。该方法采用电子束焊接方式将贮箱前底和贮箱后底分别与贮箱法兰两端连接。本发明夹具将自身重量作用在贮箱结构较厚的焊口区域，从而有效避免在焊接时夹具对作用在较薄区域带来的不利后果的设计方法，利用这个夹具在焊接时能增加薄壁贮箱结构的整体刚性，可以有效防止焊接变形。

Description

大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具及焊接方法

技术领域

本发明属于金属连接领域，涉及一种大型薄壁贮箱结构焊接变形控制领域，具体涉及一种大型薄壁贮箱结构焊接控制变形的装置及方法。

背景技术

大型薄壁贮箱结构电子束焊接是焊接技术领域中的重要难题，主要原因就是焊接变形很难控制。在焊接过程中必须使用焊接夹具增加薄壁结构件的整体刚性，这样焊接变形才能得到有效控制。焊接夹具本身必须具有足够的刚性，一般情况下焊接夹具重量较大，对于薄壁结构件，其自身无法承受焊接夹具的较大重量，常规焊接夹具无法可靠与薄壁结构件进行固定，从而导致无法进行装配，也就无法进行焊接。

目前大型薄壁贮箱的贮箱外径大于600mm，贮箱法兰壁厚2.0~6.0mm，贮箱前后底主体壁厚小于2.0mm，对这种结构尺寸的贮箱如果采用常用焊接夹具，由于自身刚性很小、强度很弱，在较重的焊接夹具作用下发生屈服变形，不但无法进行装配焊接，还可能导致薄壁贮箱局部产生塑性变形从而报废。可见，如果能设计一种特殊的焊接夹具，避免其重力对薄壁贮箱结构的不利影响，就能实现装配、焊接要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具及焊接方法，其能够满足大型薄壁贮箱结构装配及电子束焊接要求。

实现本发明目的的技术方案：一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，所述的大型薄壁贮箱结构包括对称设置的贮箱前底和贮箱后底，该贮箱前底和贮箱后底之间为贮箱法兰，贮箱外径在600~1500mm，贮箱法兰的壁厚在2.0~6.0mm，贮箱前底和贮箱后底的主体壁厚在0.5~2.0mm，贮箱前底和贮箱后底的端部均带有一段过渡区域，该过渡区域的厚度逐渐增大至与贮箱法兰等壁厚；该夹具包括一个外形与贮箱前底相吻合并可罩住贮箱前底的前罩，以及一个外形与贮箱后底相吻合并可罩住贮箱后底的后罩；

所述的前罩的端部带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱前底的过渡区域的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面；所述的后罩的端部也带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱后底的过渡区域的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面；上述前罩的外沿外侧与后罩的外沿外侧之间通过若干螺栓固定连接；

所述的前罩的罩底部带有突出的开口，前连接头通过螺栓与前罩的罩底部凸出开口部位相连接；所述的后罩的罩底部也带有突出的开口，后连接头通过螺栓与后罩的罩底部凸出开口部位相连接；上述前连接头和后连接头之间通过贯穿贮箱前底和贮箱后底中心的连接轴固定连接。

如上所述的一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，其所述的前罩的外沿环状楔形面倾斜角度在5~20度；所述的后罩的外沿环状楔形面倾斜在5~20度。

如上所述的一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，其所述的前罩和后罩的主体厚度为5~20mm，前罩和后罩的外沿厚度在20~50mm。

本发明所述的一种大型薄壁贮箱结构的焊接方法，其包括如下步骤：

（a）将待连接的贮箱前底与前罩装配在一起，贮箱后底与后罩装配在一起，贮箱法兰放置于贮箱前底和贮箱后底之间，调整贮箱前底与贮箱法兰、以及贮箱后底与贮箱法兰的装配间隙和错变量，保证装配间隙和错边量均小于0.3mm；

（b）前罩的罩底部带有突出的开口，将前连接头通过螺栓与前罩的罩底部凸出开口部位相连接；后罩的罩底部也带有突出的开口，将后连接头通过螺栓与后罩的罩底部凸出开口部位相连接；前连接头和后连接头之间通过贯穿贮箱前底和贮箱后底中心的连接轴固定连接。

（c）采用电子束焊接方式将贮箱前底和贮箱后底分别与贮箱法兰两端连接；电子束焊接参数为：加速电压60KV，聚焦电流350~380mm，焊接电流15~25mA，焊接线速度15~25mm/s；

（d）检查焊缝内部质量，确认焊缝符合要求。

如上所述的一种大型薄壁贮箱结构的焊接方法，其所述的前罩的外沿环状楔形面倾斜角度在5~20度；所述的后罩的外沿环状楔形面倾斜在5~20度。

如上所述的一种大型薄壁贮箱结构的焊接方法，其所述的前罩主体厚度为5~20mm，前罩的外沿厚度在20~50mm；所述的后罩主体厚度为5~20mm，后罩的外沿厚度在20~50mm。

本发明的效果在于：

本发明所述的大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，其有效利用薄壁贮箱结构焊口与其它部位较薄之间存在一定长度过渡区域，设计了一种特殊的夹具，这种夹具将自身重量作用在贮箱结构较厚的焊口区域，从而有效避免在焊接时夹具对作用在较薄区域带来的不利后果的设计方法，利用这个夹具在焊接时能增加薄壁贮箱结构的整体刚性，可以有效防止焊接变形。

本发明的夹具利用环状楔形面能保证夹具与薄壁贮箱结构件紧密连接。可以压紧但不压伤贮箱，又可以将贮箱口部校圆，这样有效增加了贮箱焊口刚性，可以减小在焊接过程中焊口部位变形。装配完成后，采用高能电子束进行焊接，从而进一步减小薄壁贮箱的焊接变形。

本发明所述的大型薄壁贮箱结构的焊接方法，采用一种特殊结构的夹具，它能将自身的重量作用在薄壁贮箱结构上，但不产生新的变形。具体是这样的，带有环形楔形面的夹具，将过渡区域作为装夹部位，这样就能在焊接时将夹具的重量直接作用在前底/后底较厚部位，从而避免对贮箱结构前底较薄区域产生不利影响。本发明方法能够满足薄壁贮箱结构装配及随后电子束焊要求，所焊焊缝符合QJ972-96《电子束焊技术条件》Ⅰ级焊缝要求，焊接后贮箱整体变形小于0.5mm。

附图说明

图1为本发明所述的一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具结构示意图；

图2为夹具的局部示意图。

图中：1.贮箱前底；2.前罩；3.后罩；4.连接螺栓；5.连接轴；6.后连接头；7.前连接头；8.过渡区域；9.贮箱后底；10.贮箱法兰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具及焊接方法作进一步描述。

实施例1

如图1所示，大型薄壁贮箱结构1为铝合金贮箱，外径950mm，贮箱法兰10壁厚3.0mm，贮箱前底1和贮箱后底9的厚度1.5mm。采用电子束焊接方式将贮箱前底1和贮箱后底9分别与贮箱法兰10两端相连。贮箱前底1和贮箱后底9的端部均带有一段过渡区域8，该过渡区域8的厚度由1.5mm逐渐增大至3.0mm。

采用本发明所述的一种控制焊接变形夹具，该夹具主要包括前罩2、后罩3、前连接头7、后连接头6等。其中，其中前罩2的外形与贮箱前底1相吻合并可罩住贮箱前底1，后罩3的外形与贮箱后底9相吻合并可罩住贮箱后底9。

前罩2的端部带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱前底1的过渡区域8的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面（环状楔形面倾斜角度可为5度、10度或20度）。后罩3的端部也带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱后底9的过渡区域的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面（环状楔形面倾斜角度可为5度、10度或20度）。上述前罩2的外沿外侧与后罩3的外沿外侧之间通过10~20个螺栓4（例如：10个、15个或20个）固定连接。

前罩2的罩底部带有突出的开口，前连接头7通过螺栓与前罩2的罩底部凸出开口部位相连接。后罩3的罩底部也带有突出的开口，后连接头6通过螺栓与后罩的罩底部凸出开口部位相连接。上述前连接头7和后连接头6之间通过贯穿贮箱前底1和贮箱后底9中心的连接轴5固定连接。

上述的前罩2主体厚度为5~20mm（例如：5mm、10mm或20mm），前罩2的外沿厚度在20~50mm（例如：20mm、35mm或50mm）。

上述的后罩3主体厚度为5~20mm（例如：5mm、10mm或20mm），后罩3的外沿厚度在20~50mm（例如：20mm、35mm或50mm）。

实施例2

大型薄壁贮箱结构1为钛合金贮箱，外径1050mm，贮箱法兰10壁厚3.0mm，贮箱前底1和贮箱后底9的厚度1.0mm。采用电子束焊接方式将贮箱前底1和贮箱后底9分别与贮箱法兰10两端相连。贮箱前底1和贮箱后底9的端部均带有一段过渡区域8，该过渡区域8的厚度由1.0mm逐渐增大至3.0mm。

该方法具体包括如下步骤：

（a）将待连接的贮箱前底1与前罩装配在一起，贮箱后底9与后罩3装配在一起，贮箱法兰10放置于贮箱前底1和贮箱后底9之间，调整贮箱前底1与贮箱法兰10、以及贮箱后底9与贮箱法兰10的装配间隙和错变量，保证装配间隙和错边量均小于0.3mm；

前罩2的端部带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱前底1的过渡区域8的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面（环状楔形面倾斜角度可为5度、10度或20度）。

后罩3的端部也带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱后底9的过渡区域的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面（环状楔形面倾斜角度可为5度、10度或20度）。

上述前罩2的外沿外侧与后罩3的外沿外侧之间通过若干个螺栓4固定连接。

（b）前罩2的罩底部带有突出的开口，将前连接头7通过螺栓与前罩2的罩底部凸出开口部位相连接。后罩3的罩底部也带有突出的开口，将后连接头6通过螺栓与后罩的罩底部凸出开口部位相连接。前连接头7和后连接头6之间通过贯穿贮箱前底1和贮箱后底9中心的连接轴5固定连接。

（c）采用电子束焊接方式将贮箱前底1和贮箱后底9分别与贮箱法兰10两端连接；电子束焊接参数为：加速电压60KV，聚焦电流350~380mm（例如：350mm、360mm或380mm），焊接电流15~25mA（例如：15mA、20mA或25mA），焊接线速度15~25mm/s（例如：15mm/s、20mm/s或25mm/s）。

（d）检查焊缝内部质量，确认焊缝符合要求。测量贮箱整体焊接变形，测量值为0.46mm。

本发明的关键就是设计了一种特殊的夹具，它能满足大型薄壁贮箱结构装配及电子束焊接要求，同时其自身重量又不会对薄壁贮箱结构产生不利影响。从图2可以看出在薄壁贮箱结构焊口部位较厚和其它部位较薄之间存在一定长度过渡区域8，夹具将此过渡区域作为二者接触面，二者之间的较大作用力通过此接触面直接作用在贮箱焊口较厚部位，而贮箱前后底薄壁厚小于2.0mm的区域则完全不受力，夹具局部示意图也就不会产生屈服变形，这样有效避免的夹具的重力对此类大型薄壁贮箱结构的不利影响，从而可以进行装配和电子束焊接。

Claims

1.一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，所述的大型薄壁贮箱结构（1）包括对称设置的贮箱前底（1）和贮箱后底（9），该贮箱前底（1）和贮箱后底（9）之间为贮箱法兰（10），贮箱外径在600～1500mm，贮箱法兰（10）的壁厚在2.0～6.0mm，贮箱前底（1）和贮箱后底（9）的主体壁厚在0.5～2.0mm，贮箱前底（1）和贮箱后底（9）的端部均带有一段过渡区域（8），该过渡区域（8）的厚度逐渐增大至与贮箱法兰（10）等壁厚；其特征在于：该夹具包括一个外形与贮箱前底（1）相吻合并可罩住贮箱前底（1）的前罩（2），以及一个外形与贮箱后底（9）相吻合并可罩住贮箱后底（9）的后罩（3）；

所述的前罩（2）的端部带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱前底（1）的过渡区域（8）的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面；所述的后罩（3）的端部也带有突出并向外延伸的外沿，该外沿的内侧与贮箱后底（9）的过渡区域的外表面相紧密贴合，并且为环状楔形面；上述前罩（2）的外沿外侧与后罩（3）的外沿外侧之间通过若干个螺栓（4）固定连接；

所述的前罩（2）的罩底部带有突出的开口，前连接头（7）通过螺栓与前罩（2）的罩底部凸出开口部位相连接；所述的后罩（3）的罩底部也带有突出的开口，后连接头（6）通过螺栓与后罩的罩底部凸出开口部位相连接；上述前连接头（7）和后连接头（6）之间通过贯穿贮箱前底（1）和贮箱后底（9）中心的连接轴（5）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，其特征在于：所述的前罩（2）的外沿环状楔形面倾斜角度在5～20度；所述的后罩（3）的外沿环状楔形面倾斜在5～20度。

3.根据权利要求1所述的一种大型薄壁贮箱结构焊接的控制焊接变形夹具，其特征在于：所述的前罩（2）主体厚度为5～20mm，前罩（2）的外沿厚度在20～50mm；所述的后罩（3）主体厚度为5～20mm，后罩（3）的外沿厚度在20～50mm。

4.一种大型薄壁贮箱结构的焊接方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（a）将待连接的贮箱前底（1）与前罩装配在一起，贮箱后底（9）与后罩（3）装配在一起，贮箱法兰（10）放置于贮箱前底（1）和贮箱后底（9）之间，调整贮箱前底（1）与贮箱法兰（10）、以及贮箱后底（9）与贮箱法兰（10）的装配间隙和错边量，保证装配间隙和错边量均小于0.3mm；

（b）前罩（2）的罩底部带有突出的开口，将前连接头（7）通过螺栓与前罩（2）的罩底部凸出开口部位相连接；后罩（3）的罩底部也带有突出的开口，将后连接头（6）通过螺栓与后罩的罩底部凸出开口部位相连接；前连接头（7）和后连接头（6）之间通过贯穿贮箱前底（1）和贮箱后底（9）中心的连接轴（5）固定连接；

（c）采用电子束焊接方式将贮箱前底（1）和贮箱后底（9）分别与贮箱法兰（10）两端连接；电子束焊接参数为：加速电压60KV，聚焦电流350～380mm，焊接电流15～25mA，焊接线速度15～25mm/s；

（d）检查焊缝内部质量，确认焊缝符合要求。

5.根据权利要求4所述的一种大型薄壁贮箱结构的焊接方法，其特征在于：所述的前罩（2）的外沿环状楔形面倾斜角度在5～20度；所述的后罩（3）的外沿环状楔形面倾斜在5～20度。

6.根据权利要求4所述的一种大型薄壁贮箱结构的焊接方法，其特征在于：所述的前罩（2）主体厚度为5～20mm，前罩（2）的外沿厚度在20～50mm；所述的后罩（3）主体厚度为5～20mm，后罩（3）的外沿厚度在20～50mm。