CN105921895A - 一种减小t型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置及方法，装置：测量牵引杆设置在矩形凹槽中，测量滑块套装在测量牵引杆上，测量牵引杆的下端穿过矩形凹槽并与控制器内的拉力传感器连接，拉伸牵引杆设置在矩形开口中，拉伸滑块套装在拉伸牵引杆上，拉伸牵引杆的下端与传动板连接，传动板与丝杠螺纹连接，丝杠的输入端与步进电机的输出轴连接，两个圆柱滑杆对称设置在丝杠的两侧，两个圆柱滑杆均与传动板滑动连接，控制器通过数据线与步进电机连接。方法：一、在长桁上加工定位圆孔；二、对蒙皮和长桁进行装卡；三、设置预拉伸应力值并对长桁进行预拉伸；四、对蒙皮和预拉伸的长桁进行连续的双侧激光填丝焊接。本发明用于T型结构件焊接。

Description

一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置及方法

技术领域

本发明涉及一种T型结构件的焊接装置及方法，具体涉及一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置及方法。

背景技术

目前，由长桁和蒙皮构成的T型结构件是大型客机机身壁板的主要结构形式，这种结构目前主要采用传统的铆接方法进行连接。铆接技术作为一种机械连接方式，其工艺简单，强度稳定可靠，检查和排除故障容易，特别适用于对安全性能要求极高且需要重复使用的商用客机的制造，但铆接由于使用大量铆钉及密封材料导致了机身重量增加，不利于机身轻量化的发展方向。同时，铆接技术经过长期发展日趋完善，其发展潜力已经基本被充分挖掘，未来虽然还可以在质量上和技术上加以提升，但想要取得较大程度的发展所面临的难度极高。

20世纪90年代初，德国空客公司联合欧洲多家激光焊接研究机构和激光焊接设备制造商率先开展了机身壁板双侧激光焊接技术的研究工作来代替传统的铆接技术，以期通过制造工艺的改变来实现减轻机身重量的目的。该技术先后被成功应用于空客A318、A380系列飞机下机身壁板的批量化加工制造过程中，实现了减轻机身重量和降低制造成本这两个最为重要的目标。

机身上的长桁-蒙皮T型结构件通常是由铝合金或铝锂合金材料制成，然而这类材料的热膨胀系数较大，弹性模量较小；此外，双侧激光焊接过程中激光束的高能量密度导致蒙皮和长桁的不均匀受热，并在焊缝冷却过程中发生局部收缩变形；加之，T型结构件的刚度较大，局部的收缩形变无法被释放；以上诸多因素导致了这种长桁-蒙皮焊接后获得的T型焊接结构件存在明显的挠曲变形，以挠度d表示，如图8所示。过大的挠曲变形使机身壁板产生较大残余装配应力，影响机身的服役性能，甚至会直接导致机身壁板组件无法安装。为了消除T型结构件的挠曲变形。通常采用机身喷丸或去应力热处理的方法，然而，机身喷丸极容易对机身表面造成伤害，同时该方法对工艺参数要求很严格；机身去应力热处理会改变母材的原始热处理状态而破坏母材的力学性能。显然，机身喷丸和去应力热处理的方法均需要投入大量资金且难以实现，大大增加了飞机的制造成本并降低了生产效率。

如果能够在双侧激光焊接之前对长桁进行预拉伸变形，将会在焊后显著减小T型焊接结构的挠曲变形，无需复杂繁琐的后续矫形处理，降低飞机制造成本并提高生产效率。

发明内容

本发明为解决T型结构件双侧激光焊接后存在挠曲变形，需要采用机身喷丸或去应力热处理的方法消除挠曲变形的问题，而提出了一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置及方法。

装置：一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置包括平台、拉伸牵引杆、拉伸滑块、测量牵引杆、测量滑块、控制器、步进电机、丝杠、传动板、轴承座、两个圆柱滑杆、四个底座支架和四个滑杆固定座，四个底座支架分别固定在平台下面的四角处，平台上设有矩形凹槽和矩形开口，矩形凹槽和矩形开口沿同一直线分别设置在平台的两端，测量牵引杆设置在矩形凹槽中，测量滑块套装在测量牵引杆上，测量牵引杆的下端穿过矩形凹槽并与控制器内的拉力传感器连接，控制器固定在平台上，拉伸牵引杆设置在矩形开口中，拉伸滑块套装在拉伸牵引杆上，拉伸牵引杆的下端与传动板连接，传动板设置在平台的下面，传动板与丝杠螺纹连接，丝杠的一端设置在轴承座中，丝杠的另一端与步进电机的输出轴连接，两个圆柱滑杆对称设置在丝杠的两侧，两个圆柱滑杆均与传动板滑动连接，每个圆柱滑杆的两端分别与其对应的滑杆固定座连接，滑杆固定座固定在平台下面，控制器通过数据线与步进电机连接，拉伸滑块的侧端面设有拉伸滑块定位销，测量滑块的侧端面设有测量滑块定位销，拉伸滑块定位销与测量滑块定位销位于同侧。

方法：一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、在长桁上加工定位圆孔：根据长桁的横截面尺寸确定定位圆孔的水平距离f和竖直距离g，并利用钻床在长桁两侧各加工一个定位圆孔；

步骤二、对蒙皮和长桁进行装卡：将蒙皮平放于平台上，使蒙皮上的待焊位置线与平台的对称中位线重合，将长桁竖直放置于蒙皮上并与待焊位置线重合，长桁两端的定位圆孔分别与拉伸滑块定位销和测量滑块定位销配合，将长桁定位安装于拉伸滑块和测量滑块上；

步骤三、设置预拉伸应力值并对长桁进行预拉伸：将长桁的横截面尺寸：长边高度a、宽度b、短边高度c、长桁厚度e及设定的预拉伸应力值σ输入控制器中，通过控制器控制步进电机和丝杠转动，传动板沿丝杠运动，传动板带动拉伸牵引杆和拉伸滑块向平台后侧运动，拉伸长桁并带动平台前侧的测量滑块运动，测量滑块经由测量牵引杆将实时拉力F传递给控制器中的拉力传感器，并由控制器计算出实时拉伸应力值σ′，将实时拉伸应力值σ′与预拉伸应力值σ进行比较，实现对步进电机和丝杠转动进行反馈控制；

步骤四、对蒙皮和预拉伸的长桁进行连续的双侧激光填丝焊接：将两个保护气喷嘴、两个激光束、两个焊丝分别对称放置于长桁两侧，同侧的保护气喷嘴、激光束、焊丝的顺序为由前至后依次设置，对长桁与蒙皮进行连续的双侧激光填丝焊接，以获得T型结构件。

本发明与现有方法相比具有以下有益效果：

一、在长桁-蒙皮组焊之前，利用本发明的装置及方法对长桁进行预拉伸，然后实施焊接，焊后获得的T型结构件没有挠曲变形；焊后无需对T型结构件进行喷丸或去应力热处理，因此，不会对长桁和蒙皮母材的表面、原始热处理状态及力学性能造成破坏。与焊后喷丸矫形和去应力热处理方法相比，大幅提高机身壁板生产效率，从而降低了生产成本。

二、本发明能够与双侧激光填丝同步焊接系统进行整合，预拉伸后的长桁不必进行二次装卡，将长桁直接定位装卡于蒙皮上即可进行最终组焊，

三、本发明的工作原理简单，普适性强，对T型结构件的材料没有严格的限制，如铝合金、铝锂合金、镁合金、钛合金、不锈钢等材料均可。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构立体图；

图2是图1的仰视立体图；

图3是具体实施方式六中步骤一在长桁1上预加工定位圆孔1-1相对位置的示意图；

图4是具体实施方式六中步骤二将蒙皮2平放于平台4上，使蒙皮2上的待焊位置线N-N与平台4的对称中位线M-M重合的示意图；

图5是具体实施方式六中步骤二长桁1竖直放置于蒙皮2上并与待焊位置线N-N重合的示意图；

图6是长桁1的横截面尺寸示意图；

图7是具体实施方式六中步骤四将双保护气喷嘴18、双激光束19、双焊丝20置于T型结构两侧接合缝处并对T型结构整体进行连续的双侧激光填丝焊接的示意图；

图8是现有方法焊接长桁-蒙皮获得的T型结构件存在焊接挠曲变形的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括平台4、拉伸牵引杆6、拉伸滑块7、测量牵引杆8、测量滑块9、控制器10、步进电机11、丝杠12、传动板16、轴承座17、两个圆柱滑杆15、四个底座支架5和四个滑杆固定座14，四个底座支架5分别固定在平台4下面的四角处，平台4上设有矩形凹槽4-1和矩形开口4-2，矩形凹槽4-1和矩形开口4-2沿同一直线分别设置在平台4的两端，测量牵引杆8设置在矩形凹槽4-1中，测量滑块9套装在测量牵引杆8上，测量牵引杆8的下端穿过矩形凹槽4-1并与控制器10内的拉力传感器连接，控制器10固定在平台4上，拉伸牵引杆6设置在矩形开口4-2中，拉伸滑块7套装在拉伸牵引杆6上，拉伸牵引杆6的下端与传动板16连接，传动板16设置在平台4的下面，传动板16与丝杠12螺纹连接，丝杠12的一端设置在轴承座17中，丝杠12的另一端与步进电机11的输出轴连接，步进电机11固定在平台4上，两个圆柱滑杆15对称设置在丝杠12的两侧，两个圆柱滑杆15均与传动板16滑动连接，每个圆柱滑杆15的两端分别与其对应的滑杆固定座14连接，滑杆固定座14固定在平台4下面，控制器10通过数据线与步进电机11连接，拉伸滑块7的侧端面设有拉伸滑块定位销7-1，测量滑块9的侧端面设有测量滑块定位销9-1，拉伸滑块定位销7-1与测量滑块定位销9-1位于同侧。拉伸滑块定位销7-1和测量滑块定位销9-1用于分别与长桁1上加工的定位圆孔1-1配合，将长桁1定位安装于平台4上，且拉伸滑块定位销7-1的半径、测量滑块定位销9-1的半径与定位圆孔1-1的半径相等。控制器10、步进电机11、丝杠12均可直接购置成品，其他零件均为钢材加工而成，坚固耐用。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的拉伸牵引杆6与传动板16的配合表面、拉伸滑块7与拉伸牵引杆6的配合表面、测量牵引杆8与矩形凹槽4-1的配合表面、测量滑块9与测量牵引杆8的配合表面、圆柱滑杆15与传动板16的配合表面均采用精确铣、磨削加工而成。这样设计可以满足配合精度要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的每个底座支架5上设有一个通孔5-1。螺栓能够穿过通孔5-1而将底座支架5固定于地面或其他平台上。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同的是它还增加有两个加强筋13，两个加强筋13对称固定在两个圆柱滑杆15的外侧且固装在平台4上。这样设计可以增加装置的强度，以提高其稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的轴承座17、两个加强筋13、四个滑杆固定座14和四个底座支架5与平台4制成一体。这样设计可提高装置的稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图3～图7说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、在长桁1上加工定位圆孔1-1：根据长桁1的横截面尺寸确定定位圆孔1-1的水平距离f和竖直距离g，并利用钻床在长桁1两侧各加工一个定位圆孔1-1，见图3；

步骤二、对蒙皮2和长桁1进行装卡：将蒙皮2平放于平台4上，见图4，使蒙皮2上的待焊位置线N-N与平台4的对称中位线M-M重合，将长桁1竖直放置于蒙皮2上并与待焊位置线N-N重合，见图5，长桁1两端的定位圆孔1-1分别与拉伸滑块定位销7-1和测量滑块定位销9-1配合，将长桁1定位安装于拉伸滑块7和测量滑块9上，见图5；

步骤三、设置预拉伸应力值并对长桁1进行预拉伸：将长桁1的横截面尺寸：长边高度a、宽度b、短边高度c、长桁厚度e及设定的预拉伸应力值σ输入控制器10中，见图6，通过控制器10控制步进电机11和丝杠12转动，传动板16沿丝杠12运动，传动板16带动拉伸牵引杆6和拉伸滑块7向平台4后侧运动，拉伸长桁1并带动平台4前侧的测量滑块9运动，测量滑块9经由测量牵引杆8将实时拉力F传递给控制器10中的拉力传感器，并由控制器10计算出实时拉伸应力值σ′，将实时拉伸应力值σ′与预拉伸应力值σ进行比较，实现对步进电机11和丝杠12转动进行反馈控制；

步骤四、对蒙皮2和预拉伸的长桁1进行连续的双侧激光填丝焊接：将两个保护气喷嘴18、两个激光束19、两个焊丝20分别对称放置于长桁1两侧，同侧的保护气喷嘴18、激光束19、焊丝20的顺序为由前至后依次设置，见图7，对长桁1与蒙皮2进行连续的双侧激光填丝焊接，以获得T型结构件。

具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中长桁1的预制拉伸应力值σ及实时拉伸应力值σ′均应小于长桁1的屈服强度σ_s。其它步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图7说明本实施方式，本实施方式是步骤四中，在进行连续的双侧激光填丝焊接时，保持预置拉伸应力值σ恒定不变。其它步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：结合图7和图2说明本实施方式，本实施方式是步骤四中，在进行连续的双侧激光填丝焊接的同时，通过控制器10控制步进电机11和丝杠12转动，使长桁1内的实时拉伸应力值σ′以恒定速率降低，即从焊接开始时的预拉伸应力值σ恒速减小到焊接结束时的零。其它步骤与具体实施方式六或八相同。

具体实施方式十：结合图7说明本实施方式，本实施方式是步骤四中，双侧激光填丝焊接时采用惰性气体氩气(Ar)或氦气(He)对双侧激光焊缝3进行实时保护。其它步骤与具体实施方式九相同。

Claims (10)

1.一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置，所述装置包括平台(4)、拉伸牵引杆(6)、拉伸滑块(7)、测量牵引杆(8)、测量滑块(9)、控制器(10)、步进电机(11)、丝杠(12)、传动板(16)、轴承座(17)、两个圆柱滑杆(15)、四个底座支架(5)和四个滑杆固定座(14)，四个底座支架(5)分别固定在平台(4)下面的四角处，平台(4)上设有矩形凹槽(4-1)和矩形开口(4-2)，矩形凹槽(4-1)和矩形开口(4-2)沿同一直线分别设置在平台(4)的两端，测量牵引杆(8)设置在矩形凹槽(4-1)中，测量滑块(9)套装在测量牵引杆(8)上，测量牵引杆(8)的下端穿过矩形凹槽(4-1)并与控制器(10)内的拉力传感器连接，控制器(10)固定在平台(4)上，拉伸牵引杆(6)设置在矩形开口(4-2)中，拉伸滑块(7)套装在拉伸牵引杆(6)上，拉伸牵引杆(6)的下端与传动板(16)连接，传动板(16)设置在平台(4)的下面，传动板(16)与丝杠(12)螺纹连接，丝杠(12)的一端设置在轴承座(17)中，丝杠(12)的另一端与步进电机(11)的输出轴连接，两个圆柱滑杆(15)对称设置在丝杠(12)的两侧，两个圆柱滑杆(15)均与传动板(16)滑动连接，每个圆柱滑杆(15)的两端分别与其对应的滑杆固定座(14)连接，滑杆固定座(14)固定在平台(4)下面，控制器(10)通过数据线与步进电机(11)连接，拉伸滑块(7)的侧端面设有拉伸滑块定位销(7-1)，测量滑块(9)的侧端面设有测量滑块定位销(9-1)，拉伸滑块定位销(7-1)与测量滑块定位销(9-1)位于同侧。

2.根据权利要求1所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置，其特征在于：拉伸牵引杆(6)与传动板(16)的配合表面、拉伸滑块(7)与拉伸牵引杆(6)的配合表面、测量牵引杆(8)与矩形凹槽(4-1)的配合表面、测量滑块(9)与测量牵引杆(8)的配合表面、圆柱滑杆(15)与传动板(16)的配合表面均采用精确铣、磨削加工而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置，其特征在于：所述每个底座支架(5)上设有一个通孔(5-1)。

4.根据权利要求3所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置，其特征在于：所述装置还包括两个加强筋(13)，两个加强筋(13)对称固定在两个圆柱滑杆(15)的外侧且固装在平台(4)上。

5.根据权利要求4所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置，其特征在于：所述轴承座(17)、两个加强筋(13)、四个滑杆固定座(14)和四个底座支架(5)与平台(4)制成一体。

6.一种利用权利要求1所述装置实现减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、在长桁(1)上加工定位圆孔(1-1)：根据长桁(1)的横截面尺寸确定定位圆孔(1-1)的水平距离f和竖直距离g，并利用钻床在长桁(1)两侧各加工一个定位圆孔(1-1)；

步骤二、对蒙皮(2)和长桁(1)进行装卡：将蒙皮(2)平放于平台(4上，使蒙皮(2)上的待焊位置线(N-N)与平台(4)的对称中位线(M-M)重合，将长桁(1)竖直放置于蒙皮(2)上并与待焊位置线(N-N)重合，长桁(1)两端的定位圆孔(1-1)分别与拉伸滑块定位销(7-1)和测量滑块定位销(9-1)配合，将长桁(1)定位安装于拉伸滑块(7)和测量滑块(9)上；

步骤三、设置预拉伸应力值并对长桁(1)进行预拉伸：将长桁(1)的横截面尺寸：长边高度a、宽度b、短边高度c、长桁厚度e及设定的预拉伸应力值σ输入控制器(10)中，通过控制器(10)控制步进电机(11)和丝杠(12)转动，传动板(16)沿丝杠(12)运动，传动板(16)带动拉伸牵引杆(6)和拉伸滑块(7)向平台(4)后侧运动，拉伸长桁(1)并带动平台(4)前侧的测量滑块(9)运动，测量滑块(9)经由测量牵引杆(8)将实时拉力F传递给控制器(10)中的拉力传感器，并由控制器(10)计算出实时拉伸应力值σ′，将实时拉伸应力值σ′与预拉伸应力值σ进行比较，实现对步进电机(11)和丝杠(12)转动进行反馈控制；

步骤四、对蒙皮(2)和预拉伸的长桁(1)进行连续的双侧激光填丝焊接：将两个保护气喷嘴(18)、两个激光束(19)、两个焊丝(20)分别对称放置于长桁(1)两侧，同侧的保护气喷嘴(18)、激光束(19)、焊丝(20)的顺序为由前至后依次设置，对长桁(1)与蒙皮(2)进行连续的双侧激光填丝焊接，以获得T型结构件。

7.根据权利要求6所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤三中长桁(1)的预制拉伸应力值σ及实时拉伸应力值σ′均应小于长桁(1)的屈服强度σ_s。

8.根据权利要求6所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤四中，在进行连续的双侧激光填丝焊接时，保持预置拉伸应力值σ恒定不变。

9.根据权利要求6或8所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤四中，在进行连续的双侧激光填丝焊接的同时，通过控制器(10)控制步进电机(11)和丝杠(12)转动，使长桁(1)内的实时拉伸应力值σ′以恒定速率降低，即从焊接开始时的预拉伸应力值σ恒速减小到焊接结束时的零。

10.根据权利要求9所述的一种减小T型结构件焊接挠曲变形的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤四中，双侧激光填丝焊接时采用惰性气体氩气(Ar)或氦气(He)对双侧激光焊缝(3)进行实时保护。