CN102990265A - 一种带弯角的文丘里管的焊接方法及夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于带弯角的文丘里管的焊接方法和夹具；将文丘里管的入口段、出口段分别与过渡段装夹定位进行焊接；依次点焊0°→180°→270°→450°→495°→675°圆弧对应的对接缝上各点；从对接缝起点开始沿顺时针旋转封焊，焊接对接缝一周后超过起点15°处开始收弧，完成封焊；选取与起点圆弧角为180°的点作为另一起点，焊接一周后超过起点15°处开始收弧，完成焊接。该夹具包括与一根带弯角的中心轴，在中心轴上套装入口段内套和出口段内套，内套的外缘面与文丘里管内壁贴合；在内套两端分别装配保护套管，在入口段和出口段开口端分别安装夹紧法兰，通过螺母固定。本发明的焊接方法和夹具可实现壁厚1～3mm、弯角3～8°的文丘里管的焊接。

Description

一种带弯角的文丘里管的焊接方法及夹具

技术领域

本发明是一种带弯角的文丘里管的焊接方法及夹具，属于焊接技术领域，适用于氩弧焊、真空电子束焊接及激光焊接操作。

背景技术

文丘里管是通过管径的变化来改变气体、液体的流量，在入口段与出口段的形成的压差，在出口段后测形成一定的真空，然后利用射吸原理完成相关的特殊功能，如图1所示。由于其结构简单、压力损失小、重复性好、适用工况范围广、精度高、易实时监控等优点。目前文丘里管主要应用于冶金行业、热能动力工程、汽车、农业机械、内燃机与发动机、仪表计量、化学工程、水利水电、建材研制、高压风洞等工程装备领域，主要功能是实现气体的除尘、洗涤、净化，送粉与喷涂，油箱的加油等。主要产品包括吸尘器、粉末输送器、冷却器、流量计、干燥器等，文丘里管在航空发动机的节流阀、燃烧室火焰筒头部装置以及液体火箭发动机也得到了广泛的应用。

规则的直管形式的文丘里管主要由入口段(1)、过渡段(2)、出口段(3)组成，采用数控加工各组件，然后采用焊接的方法将三段拼焊在一起进行制造，接头为环形焊缝。焊接是其关键制造工艺之一。如图2所示为数控加工后入口段(1)与过渡段(2)拼焊示意图。由于文丘里管回转中心为零件的轴心，工装夹具设计、焊接制造相对容易；采用在入口段(1)、过渡段(2)两端装配夹紧法兰，通过中心轴(10)和螺母(15)锁紧法兰，将入口段(1)、过渡段(2)装夹到位；通过对中心轴(10)及夹紧法兰的轴孔精度配合，实现零件的定位装配；然后垂直轴向，调控工艺参数进行焊接；入口段(1)焊接完成后，采用相同的夹具和装夹方式，完成出口段(3)焊接。采用三爪(19)夹紧中心轴(10)，旋转零件即可实现自动焊接。文丘里管零件可采用自动氩弧焊、电子束焊以及激光焊接完成对接缝的焊接。

随着航空、航天等制造领域的技术发展需求，新型复杂的钛合金文丘里管出现了。这种文丘里管主要为带小弯角的非规则薄壁结构，40～80mm变直径，壁厚为1～3mm，弯角为3°～8°。焊接入口段(1)、出口段(3)时需分别装夹中心轴(10)两端，中心轴(10)需设计为带转角的双头螺柱结构。由于入过渡段的弯角存在，采用现有装夹方式即使保证了孔轴的配合精度，过渡段(2)沿中心轴(10)水平方向仍存在一定的向左、右窜动量，易造成对接位置错边、间隙过大等问题，无法实现零件径向和轴向的精确定位，如图3所示入口段(1)与过渡段(2)装配。一般无法保证焊接质量和焊接成品率。由于零件自身的特点及尚无合适的焊接工装，对于此类带有小弯角的薄壁文丘里管零件若采用氩弧焊热源，焊缝成形和焊接质量达不到相应的二级标准，焊接成品率低于50%。

经文献和资料查询、检索，规则的直管形式的文丘里管用于民用工业领域，材料为钢铁材料，形状规则，主要采用铸造+机械加工等方式进行制造，少数零件采用了氩弧焊工艺，其焊接方法、工装形式与图2基本相同。

目前，国内带弯角的文丘里管零件主要采用数控加工方法制造，由于零件复杂，技术难度较大，材料利用率低，成本较高，废品率高。由于机械加工+焊接复合制造工艺简单、质量高、成本低，这种复合工艺将成为带弯角的文丘里管制造的发展趋势。因此，亟待需要设计适于焊接的方法及工装，特别是自动氩弧焊、电子束焊接、激光焊接等，以改善焊接成形及质量，提高产品的成品率，降低零件的成本，实现带弯角的文丘里管的数控加工+焊接复合制造。

发明内容

本发明正针对上述现有技术状况和存在的不足，而设计提供了一种带弯角的文丘里管的焊接方法及夹具，其目的是提高焊接工艺稳定性和制造精度,扩展焊接技术在文丘里管生产中应用领域与范围，提高文丘里管零件的加工技术水平。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明技术方案提出一种带弯角的文丘里管的焊接方法，所述文丘里管包括入口段(1)、过渡段(2)和出口段(3)，入口段(1)的中轴线和过渡段(2)的中轴线之间存在3～8°的夹角，该文丘里管的壁厚为1～3mm，该文丘里管从入口段(1)到出口段(3)的直径变化范围是40～80mm，其特征在于：该焊接方法的步骤是：

⑴将文丘里管的待焊组件—入口段(1)、过渡段(2)和出口段(3)，通过酸洗的方式去除金属表面氧化膜，并用干净的牛皮纸包裹好；

⑵将文丘里管的入口段(1)、过渡段(2)装夹定位，保证入口对接缝(4)的间隙小于0.05mm，保证入口对接缝(4)的同轴度小于0.10mm；

⑶采用小束流对入口对接缝(4)进行定位点焊，定位点焊的位置从圆弧形入口对接缝(4)的起点Ⅰ(5)开始，顺时针依次为0°→180°→270°→450°→495°→675°所对应的圆弧形入口对接缝(4)上的各点；

小束流是指焊接电流为2～3mA；

⑷设定20mm/s的焊接速度，从入口对接缝(4)的起点Ⅰ(5)开始沿顺时针旋转进行封焊，焊接环形入口对接缝(4)一周后，再超过起点Ⅰ(5)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止封焊；

然后，在环形入口对接缝(4)上选取与起点Ⅰ(5)的圆弧角为180°的点作为起点Ⅱ(6)，从入口对接缝(4)的起点Ⅱ(6)开始沿顺时针旋转进行焊接，焊接环形入口对接缝(4)一周后，再超过起点Ⅱ(6)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止焊接；

⑸将文丘里管的出口段(3)、过渡段(2)装夹定位，保证出口对接缝(7)的间隙小于0.05mm，保证出口对接缝(7)的同轴度小于0.10mm；

⑹采用小束流对出口对接缝(7)进行定位点焊，定位点焊的位置从圆弧形出口对接缝(7)的起点Ⅲ(8)开始，顺时针依次为0°→180°→270°→450°→495°→675°所对应的圆弧形出口对接缝(7)上的各点；

小束流是指焊接电流为2～3mA；

⑺设定20mm/s的焊接速度，从出口对接缝(7)的起点Ⅲ(8)开始沿顺时针旋转进行封焊，焊接环形出口对接缝(7)一周后，再超过起点起点Ⅲ(8)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止封焊；

然后，在环形出口对接缝(7)上选取与起点Ⅲ(8)的圆弧角为180°的点作为起点Ⅳ(9)，从出口对接缝(7)的起点Ⅳ(9)开始沿顺时针旋转进行焊接，焊接环形出口对接缝(7)一周后，再超过起点Ⅳ(9)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止焊接。

本发明技术方案还提出一种用于上述带弯角的文丘里管的焊接方法的夹具，其特征在于：该夹具包括一根与带弯角的文丘里管中心线尺寸和形状相匹配的中心轴(10)，在中心轴(10)上套装一个入口段内套(11)和一个出口段内套(12)，入口段内套(11)和出口段内套(12)分别位于中心轴(10)两端，入口段内套(11)和出口段内套(12)的外缘面与文丘里管的内壁贴合并起支撑作用，使中心轴(10)位于过渡段(2)的中心线上；

在文丘里管的入口段(1)和出口段(3)的开口端分别安装与开口直径相吻合的入口段夹紧法兰(13)和出口段夹紧法兰(14)，使入口段(1)和出口段(3)的开口端与过渡段(2)的对接缝的同轴度小于0.10mm，入口段夹紧法兰(13)和出口段夹紧法兰(14)通过螺母(15)固定连接在中心轴(10)上。

在入口段内套(11)和出口段内套(12)上加工有沿轴向的通孔(16)作为过渡段(2)封闭型腔内残余气体的放气孔，通孔(16)直径为5～8mm。

在入口段(1)和出口段(3)封闭型腔内的中心轴(10)上套装保护套管(17)以防止焊接热源(18)烧伤中心轴(10)，保护套管(17)的厚度为3～5mm。

本发明技术方案的优点是：

1、针对带弯角的薄壁文丘里管，设计了不锈钢、铝合金材料的夹具工装，采用了悬臂式装夹焊接方法，简化了工装结构设计，满足了焊接要求，降低了制造成本；

2、针对入口段和出口段焊缝，设计了一套点焊、封焊、焊接等的工艺方法，设计圆周方向均匀的定位点焊位置，封焊和焊接在不同位置起弧，保证足够的封焊、焊接搭接余量，降低焊接变形，提高焊接质量；

3、针对带弯角、存在喉头的过渡段组件，设计了嵌入式入口段内套和出口段内套结构，实现了过渡段组件的轴向、径向装配定位，保证了过渡段与入口段、出口段的对接缝间隙和同轴度，减少了焊接下榻、咬边等缺陷；

4、在入口段内套和出口段内套上设计了放气孔，提高了文丘里管内腔的通畅性，降低了内腔残余气体含量，避免焊接中型腔内部多余气体逸出影响焊接质量，减少了焊缝内部超标气孔产生几率；增加了保护套管，避免焊接过程烧伤中心轴，保证了焊接工装的完好；

5、本发明设计的工装结构、材料以及工艺方法，适用于钛合金、铝合金、高温合金及特种钢等多种材料文丘里管，可满足自动氩弧焊、电子束焊、激光焊等多种自动焊接方法，简化了制造工艺，降低了数控加工难度，缩短了生产制造周期（10天～15天），提高了产品外形尺寸的设计裕度。

6、本发明设计的焊接方法和夹具，解决了焊缝成形、焊接缺陷以及零件变形控制等问题，提高了焊接工艺稳定性和制造精度,扩展了焊接技术在文丘里管生产中应用领域与范围。

附图说明

图1为现有文丘里管的结构形状示意图

图2为现有文丘里管的装配示意图

图3为本发明技术方案中所述文丘里管的结构形状示意图

图4为本发明技术方案中所述文丘里管的入口段装配及焊接示意图

图5为本发明技术方案中所述文丘里管的出口段装配及焊接示意图

图6为本发明技术方案中定位点焊的示意图

图7为本发明技术方案中从起点Ⅰ或起点Ⅲ开始的封焊示意图

图8为本发明技术方案中从起点Ⅱ或起点Ⅳ开始的焊接示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图3～8所示，该文丘里管包括入口段1、过渡段2和出口段3，入口段1的中轴线和过渡段2的中轴线之间存在6°的夹角，该文丘里管的壁厚为2mm，该文丘里管从入口段1到出口段3的直径变化范围是40～80mm，该种带弯角的文丘里管的焊接方法的过程为：

⑴将文丘里管的待焊组件—入口段1、过渡段2和出口段3，通过酸洗的方式去金属表面氧化膜，并用干净的牛皮纸包裹好；

⑵焊接工装表面清理：使用工业酒精将焊接工装擦拭干净，准备装配；

⑶将入口段1与过渡段2通过夹具装配、定位：

首先将过渡段2套装在中心轴10上；在中心轴10上的台阶上装配入口段内套11将其定位；通过入口段内套11定位过渡段2并将其装配到轴10上；将出口内套12套装在中心轴10上，定位过渡段2未端，并将保护套管17套装在中心轴10上；装配出口段夹紧法兰14，在法兰14外侧旋紧螺母15，将过渡段2装配到位；在中心轴10另一端装配保护套管17和入口段1，在外侧装配入口段夹紧法兰13，旋紧螺母15，将入口段1夹紧定位。通过三爪19夹紧中心轴10。将文丘里管的入口段1、过渡段2装夹定位，保证入口对接缝4的间隙小于0.05mm，保证入口对接缝4的同轴度小于0.10mm；

⑷采用小束流对入口对接缝4进行定位点焊，定位点焊的位置从圆弧形入口对接缝4的起点Ⅰ5开始，顺时针依次为0°→180°→270°→450°→495°→675°所对应的圆弧形入口对接缝4上的各点；

小束流是指焊接电流为2～3mA；

⑸设定20mm/s的焊接速度，从入口对接缝4的起点Ⅰ5开始沿顺时针旋转进行封焊，焊接环形入口对接缝4一周后，再超过起点Ⅰ5位置15°处开始收弧，30s内结束收弧；

然后，在环形入口对接缝4上选取与起点Ⅰ5的圆弧角为180°的点作为起点Ⅱ6，从入口对接缝4的起点Ⅱ6开始沿顺时针旋转进行焊接，焊接环形入口对接缝4一周后，再超过起点Ⅱ6位置15°处开始收弧，30s内结束收弧；

⑹将文丘里管的出口段3、过渡段2装夹定位

松动螺母15，拆开出口段夹紧法兰14；装配出口段3，在中心轴上套装加长的保护套管17，重新装配夹紧法兰14及螺母15。零件装配好后，采用三爪19夹紧中心轴10出口端。打表检查间隙及同轴度，保证出口对接缝7的间隙小于0.05mm，保证出口对接缝7的同轴度小于0.10mm；

⑺采用小束流对出口对接缝7进行定位点焊，定位点焊的位置从圆弧形出口对接缝7的起点Ⅲ8开始，顺时针依次为0°→180°→270°→450°→495°→675°所对应的圆弧形出口对接缝7上的各点；

小束流是指焊接电流为2～3mA；

⑻设定20mm/s的焊接速度，从出口对接缝7的起点Ⅲ8开始沿顺时针旋转进行封焊，焊接环形出口对接缝7一周后，再超过起点起点Ⅲ8位置15°处开始收弧，30s内结束收弧；

然后，在环形出口对接缝7上选取与起点Ⅲ8的圆弧角为180°的点作为起点Ⅳ9，从出口对接缝7的起点Ⅳ9开始沿顺时针旋转进行焊接，焊接环形出口对接缝7一周后，再超过起点Ⅳ9位置15°处开始收弧，30s内结束收弧。

⑼焊接质量检测：采用X射线无损探伤检测焊缝质量，带弯角的文丘里管零件焊缝满足航标HB5484-91Ⅰ级标准。

与现有技术相比，本发明的数控加工+焊接的带弯角的文丘里管复合制造工艺方法，不仅节约了成本，缩短了制造周期，而且提高了文丘里管的制造质量和成品率，为了零件的外型尺寸设计提供了较大裕度和空间。本发明为带弯角的文丘里管的制造，提供了一种数控加工+焊接的新型复合制造方案，开拓了一种复杂零件的制造新路。因此，本发明不仅在飞机、火箭及舰船发动机及机体结构等制造领域，而且在民用冶金、热能工程及汽车制造等领域，具有广阔的应用前景，预期将产生巨大经济效益。

Claims (4)

1.一种带弯角的文丘里管的焊接方法，该文丘里管包括入口段(1)、过渡段(2)和出口段(3)，入口段(1)的中轴线和过渡段(2)的中轴线之间存在3～8°的夹角，该文丘里管的壁厚为1～3mm，该文丘里管从入口段(1)到出口段(3)的直径变化范围是40～80mm，其特征在于：该焊接方法的步骤是：

⑴将文丘里管的待焊组件—入口段(1)、过渡段(2)和出口段(3)，通过酸洗的方式去金属表面氧化膜，并用干净的牛皮纸包裹好；

⑵将文丘里管的入口段(1)、过渡段(2)装夹定位，保证入口对接缝(4)的间隙小于0.05mm，保证入口对接缝(4)的同轴度小于0.10mm；

⑶采用小束流对入口对接缝(4)进行定位点焊，定位点焊的位置从圆弧形入口对接缝(4)的起点Ⅰ(5)开始，顺时针依次为0°→180°→270°→450°→495°→675°所对应的圆弧形入口对接缝(4)上的各点；

小束流是指焊接电流为2～3mA；

⑷设定20mm/s的焊接速度，从入口对接缝(4)的起点Ⅰ(5)开始沿顺时针旋转进行封焊，焊接环形入口对接缝(4)一周后，再超过起点Ⅰ(5)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止封焊；

然后，在环形入口对接缝(4)上选取与起点Ⅰ(5)的圆弧角为180°的点作为起点Ⅱ(6)，从入口对接缝(4)的起点Ⅱ(6)开始沿顺时针旋转进行焊接，焊接环形入口对接缝(4)一周后，再超过起点Ⅱ(6)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止焊接；

⑸将文丘里管的出口段(3)、过渡段(2)装夹定位，保证出口对接缝(7)的间隙小于0.05mm，保证出口对接缝(7)的同轴度小于0.10mm；

⑹采用小束流对出口对接缝(7)进行定位点焊，定位点焊的位置从圆弧形出口对接缝(7)的起点Ⅲ(8)开始，顺时针依次为0°→180°→270°→450°→495°→675°所对应的圆弧形出口对接缝(7)上的各点；

小束流是指焊接电流为2～3mA；

⑺设定20mm/s的焊接速度，从出口对接缝(7)的起点Ⅲ(8)开始沿顺时针旋转进行封焊，焊接环形出口对接缝(7)一周后，再超过起点起点Ⅲ(8)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止封焊；

然后，在环形出口对接缝(7)上选取与起点Ⅲ(8)的圆弧角为180°的点作为起点Ⅳ(9)，从出口对接缝(7)的起点Ⅳ(9)开始沿顺时针旋转进行焊接，焊接环形出口对接缝(7)一周后，再超过起点Ⅳ(9)位置15°处开始收弧，30s内结束收弧，停止焊接。

2.一种用于权利要求1所述的带弯角的文丘里管的焊接方法的夹具，其特征在于：该夹具包括一根与带弯角的文丘里管中心线尺寸和形状相匹配的中心轴(10)，在中心轴(10)上套装一个入口段内套(11)和一个出口段内套(12)，入口段内套(11)和出口段内套(12)分别位于中心轴(10)两端，入口段内套(11)和出口段内套(12)的外缘面与文丘里管的内壁贴合并起支撑作用，使中心轴(10)位于过渡段(2)的中心线上；

在文丘里管的入口段(1)和出口段(3)的开口端分别安装与开口直径相吻合的入口段夹紧法兰(13)和出口段夹紧法兰(14)，使入口段(1)和出口段(3)的开口端与过渡段(2)的对接缝(4)、对接缝(7)的同轴度小于0.10mm，入口段夹紧法兰(13)和出口段夹紧法兰(14)通过螺母(15)固定连接在中心轴(10)上。

3.根据权利要求1所述的用于权利要求1所述的带弯角的文丘里管的焊接方法的夹具，其特征在于：在入口段内套(11)和出口段内套(12)上加工有沿轴向的通孔(16)作为过渡段(2)封闭型腔内残余气体的放气孔，通孔(16)直径为5～8mm。

4.根据权利要求1所述的用于权利要求1所述的带弯角的文丘里管的焊接方法的夹具，其特征在于：在入口段(1)和出口段(3)封闭型腔内的中心轴(10)上套装保护套管(17)以防止焊接热源(18)烧伤中心轴(10)，保护套管(17)的厚度为3～5mm。

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