CN106134313B - 一种应用于vppa焊接的预拉伸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，该方法通过采用特殊设计的预拉伸装置与VPPA自动焊接相配合，将铝合金薄壁焊接件固定在预拉伸力施加装置上，通过液压装置对焊接件施力，通过杠杆机构将液压机构产生的预压紧力反转预拉伸力施加到焊接件上，设置合理的预拉伸力，然后通过VPPA自动焊机进行焊接，预拉伸力通过易拆卸自锁夹持机构作用在待焊零件上，确保预拉伸力的稳定施加并且易于装配和拆卸；通过与焊接结构串联的高精度拉力传感器精确测量预拉伸力力值，精确控制焊接构件内部预置应力，本发明方法大大降低了铝合金薄壁结构件VPPA焊接残余应力和焊后变形，提高了航天器VPPA焊接结构尺寸精度和应力疲劳寿命。

Description

一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法

技术领域

本发明涉及一种降低VPPA焊接应力和变形的方法，特别是涉及降低铝合金薄壁结构VPPA自动焊接残余应力和变形的方法。

背景技术

在航天器产品，特别是载人航天器产品生产中，铝合金薄壁焊接构件所占比重越来越大，普通钨极氩弧焊后的残余应力和变形问题十分突出。在航天器产品焊接生产中引入VPPA焊接技术后，焊接变形问题得到改善，但结构焊后失稳变形问题仍然存在。薄壁构件焊后残余应力的存在大大降低了焊缝区临界压曲载荷并由此引起失稳压曲变形，严重影响了航天器产品的质量和服役过程中的应力疲劳可靠性。

目前降低航天器铝合金结构VPPA焊接应力多采用随焊锤击(碾压)、焊后锤击(碾压)或焊后热处理的方法。

随焊锤击(碾压)法存在以下问题：1、锤击(碾压)头要跟随焊枪移动且施加锤击(碾压)，设备体积庞大；2、锤击(碾压)头与焊枪易形成重叠干扰，操作困难；3、要求产品衬垫有足够的刚性和强度，焊接工装庞大笨重。

焊后锤击(碾压)法存在以下问题：1、焊后锤击主要建立在经验和约定的基础上，具有较低的质量控制程度，锤击点压力值无法控制，2、锤击过程还可能引发小裂纹和产生应变时效脆化以及降低材料自身的抗腐蚀能力。

焊后热处理法存在以下问题：1、铝合金焊接构件，因母材自身塑性较好，热处理消除焊接残余应力的效果不明显；2、大型铝合金结构件焊后热处理往往还受到热处理设备尺寸的限制而无法实施。

上述方法均是在VPPA焊接应力产生后采取措施对其进行消除或降低，应力即已存在，则消除十分困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，该方法通过采用特殊设计的预拉伸装置对薄壁焊接构件施加精确、稳定、均匀的预置应力，改变VPPA焊接过程中的焊接结构的内应力分布，大大降低焊后残余应力幅值和焊接变形，达到控制残余应力和变形的目的，为获得了长寿命、高可靠性的航天器焊接结构提供了技术途径。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，包括如下步骤：

步骤(一)、将预拉伸装置放置在VPPA焊接设备的前方，所述预拉伸装置包括第一夹持机构、第二夹持机构、拉伸传感器、承力柱、垫块、液压机构和反转机构，其中液压机构设置在承力柱的底座平面上，其上设置带槽道的垫块，用于传递拉伸力，反转机构通过轴座与承力柱连接固定，第一夹持机构通过旋转轴与反转机构的金属杠杆连接，第二夹持机构与拉力传感器连接，拉力传感器固定在承力柱顶部；

步骤(二)、将待焊接零件放置于第一夹持机构和第二夹持机构之间，并将待焊接零件的焊口对齐；

步骤(三)、开启液压机构，对待焊接零件施加预拉伸力，具体方法为：液压机构向上运动使垫块槽道中反转机构的金属杠杆一端向上运动，通过杠杆原理，使与第一夹持机构连接的金属杠杆的另一端向下运动，从而拉拽待焊接零件，产生预拉伸效果；

步骤(四)、同时观察与待焊接零件串联的拉力传感器显示的预拉伸力值，当所述预拉伸力值达到所需值时，停止液压机构动作并进行锁定，保持预拉伸力；

步骤(五)、操作VPPA焊接设备对待焊接零件进行VPPA焊接，焊接完成且零件完全冷却到室温后，释放液压机构的压力，消除作用在零件上的拉伸力，第一夹持机构和第二夹持机构解锁，拆下零件。

一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，包括如下步骤：

步骤(一)、将两个预拉伸装置对称放置在VPPA焊接设备两侧，所述预拉伸装置包括第一夹持机构、第二夹持机构、拉伸传感器、承力柱、垫块、液压机构和反转机构，其中液压机构设置在承力柱的底座平面上，其上设置带槽道的垫块，用于传递拉伸力，反转机构通过轴座与承力柱连接固定，第一夹持机构通过旋转轴与反转机构的金属杠杆连接，第二夹持机构与拉力传感器连接，拉力传感器固定在承力柱顶部；

步骤(二)、将待焊接零件的两部分分别放置于两个预拉伸装置的第一夹持机构和第二夹持机构之间，并将待焊接零件的焊口对齐；

步骤(三)、开启两个预拉伸装置的液压机构，对待焊接零件施加预拉伸力，使得预拉伸力分别独立作用于待焊接零件的两部分上，具体方法为：液压机构向上运动使垫块槽道中反转机构的金属杠杆一端向上运动，通过杠杆原理，使与第一夹持机构连接的金属杠杆的另一端向下运动，从而拉拽待焊接零件，产生预拉伸效果；

步骤(四)、同时观察与待焊零件串联的两个预拉伸装置的拉力传感器显示的预拉伸力值，当所述两个预拉伸力值相同并达到所需值时，停止两个液压机构动作并锁定，保持预拉伸力；

步骤(五)、操作VPPA焊接设备对待焊接零件进行VPPA焊接，焊接完成且零件完全冷却到室温后，同时释放两个液压机构的压力，消除作用在零件上的拉伸力，两个预拉伸装置的第一夹持机构和第二夹持机构解锁，拆下零件。

在上述应用于VPPA焊接的预拉伸方法中，第一夹持机构和第二夹持机构均为自锁机构，包含1个夹持块和2个楔形块，其中夹持块带有燕尾形槽，楔形块的一面为45°斜面，所述45°斜面安装于夹持块的燕尾槽斜面上，楔形块的另一面带有尖齿，用于夹紧待焊接零件。

在上述应用于VPPA焊接的预拉伸方法中，步骤(二)中的待焊接零件为3～8mm铝合金薄壁零件，且待焊接零件的焊缝形式为纵缝对接焊。

在上述应用于VPPA焊接的预拉伸方法中，步骤(一)中拉力传感器、第二夹持机构、待焊接零件串联布置，能够实时准确的测量待焊薄壁件内的预拉伸力。

在上述应用于VPPA焊接的预拉伸方法中，步骤(一)中垫块中带有的滑移槽道，用于释放相对运动产生的位移。

在上述应用于VPPA焊接的预拉伸方法中，步骤(三)中预拉伸力的加载范围为0～15000Kgf。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用特殊设计的预拉伸装置对对待焊接薄壁零件进行预拉伸，预拉伸装置结构简单，操作方便，适应VPPA方法的立式焊接方式，并且加载后预拉伸装置不再动作，不与VPPA焊机枪头发生干涉；

(2)本发明预拉伸方法可以非常好的控制3～8mm薄壁零件的VPPA焊接变形，对焊接工装没有特殊要求，当没有其他方面的需要时，可以省去用于控制焊接变形的工装，大大降低了焊接工艺装备的体积和复杂度，降低了工装制造费用，同时随着工装的简化，焊接装配过程变得更加容易；

(3)本发明预拉伸方法可以采用两套预拉伸装置，针对待焊接薄壁零件的两部分分别施加预拉伸力，并分别采用拉力传感器独立实时测量，确保零件内部预置的应力均匀、稳定，预拉伸力值精确可控，从而保证了消除或减小焊接变形效果的均匀性、稳定性和批量焊接生产的质量一致性；

(4)本发明预拉伸方法在消除焊接残余应力过程中，预拉伸力均与作用在焊接零件内部，不改变零件表面状态，不会对待焊接材料本身和焊缝质量产生不利影响；

(5)本发明预拉伸方法对薄壁结构零件焊接应力的消除过程不需要热处理炉等密闭容器，在开敞空间即可实施，这对于大型航天器焊接结构消除焊接应力非常有利，大型热处理炉造价高昂，温度控制困难且难以保证内腔温度均匀性，在开敞空间常温环境下消除焊接结构的残余应力具有很大的便利性和经济性；

(6)本发明预拉伸方法对于可热处理强化和非可热处理强化的铝合金焊接件均可以得到良好的消除应力和降低变形效果，对于可热处理强化铝合金，锤击(碾压)法会导致裂纹；对于非可热处理强化的铝合金，因其自身塑性较好，热处理消除焊接残余应力的效果不明显；对于5A06铝合金，经过大量试验证明，预置应力达到母材屈服强度的65％以上时，焊后挠曲变形降低为不进行预拉伸的1.5％以下；

(7)本发明预拉伸方法使VPPA焊接应力的降低或消除与焊接过程同步完成，其他消除应力方法大多是在焊接应力产生后采取措施进行消除，应力一旦产生，很难将其完全消除，应用本发明预拉伸方法不但焊缝残余应力大大降低，薄壁结构焊后几乎无变形，而且不增加额外的降低应力和减小变形所需的处理时间，后续取消了焊后的锤击(碾压)、热处理等去应力或校形处理过程，缩短了生产工艺周期，在提高焊接质量的同时具有很好的时间、经济效益。

附图说明

图1为本发明预拉伸装置结构示意图；

图2为本发明承力柱结构示意图；

图3a为本发明第二夹持机构结构示意图；

图3b为本发明第一夹持机构结构示意图；

图3c为本发明夹持机构中楔形块结构示意图；

图4为本发明液压机构结构示意图；

图5为本发明液压机构和垫块组合结构示意图；

图6为本发明拉力传感器与夹持机构的连接示意图；

图7为本发明反转机构结构示意图；

图8为本发明实施例中采用两个预拉伸装置进行焊接时的待焊接状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明焊接形式为薄壁铝合金结构纵缝对接焊，焊接方法为VPPA自动焊接，采用特殊设计的预拉伸装置进行焊接。

如图1为本发明预拉伸装置结构示意图，图1给出了待焊接零件装配完成后的图示(一个预拉伸装置)，由图可知预拉伸装置包括第一夹持机构6、第二夹持机构7、拉伸传感器8、承力柱3、垫块4、液压机构1和反转机构2，其中液压机构1设置在承力柱3的底座平面上，其上设置带槽道的垫块4，用于传递拉伸力，反转机构2通过轴座10与承力柱3连接固定，第一夹持机构6通过旋转轴与反转机构2的金属杠杆11连接，第二夹持机构7与拉力传感器8连接，拉力传感器8固定在承力柱3顶部。

如图2所示为本发明的预拉伸装置中的承力柱结构示意图，如图7所示为本发明反转机构结构示意图，反转机构2包括金属杠杆11、轴12和轴座10。反转机构2的金属杠杆11通过轴12固定到轴座10上，并可以自由旋转，轴座10固定到承力柱3上。液压机构1放置在承力柱3的底座表面，其上安装带槽道的垫块4，将反转机构2的金属杠杆11沿垫块4的槽道安装。

如图3a所示为本发明第二夹持机构结构示意图，图3b为本发明第一夹持机构结构示意图，图3c所示为本发明夹持机构中楔形块结构示意图；第一夹持机构6和第二夹持机构7均为自锁机构，包含1个夹持块9和2个楔形块5，其中夹持块9带有燕尾形槽，楔形块5的一面为45°斜面，安装于夹持块9的燕尾槽斜面上，楔形块5的另一面带有尖齿，用于夹紧待焊接零件13。当安装零件13时，松开第一夹持机构6和第二夹持机构7上的四个压紧螺钉，使楔形块5退回，将待焊接零件13放入两个楔形块5之间，均匀预紧固压紧螺钉，稍稍压紧带尖齿的楔形块，固定待焊接薄壁零件13。当零件受拉伸力时，带动楔形块沿45°斜面运动，拉力越大，楔形块夹持零件越紧，实现自锁。

如图4所示为本发明液压机构结构示意图，图5所示为本发明液压机构和垫块组合结构示意图，液压机构1设置在承力柱3的底座平面上，其上设置带槽道的垫块4，垫块4用于传递拉伸力，液压机构1产生的力通过垫块4传递给反转机构2，垫块4中带有的滑移槽道，释放相对运动产生的位移。

图6为本发明拉力传感器与夹持机构的连接示意图，经过标定的拉力传感器8在自由状态下清零。待焊接零件13与两个夹持机构6，7固定后，第二夹持机构7通过螺纹与拉力传感器8连接，拉力传感器8通过螺钉与承力柱3连接固定；第一夹持机构6带有孔，与反转机构2的金属杠杆11一端的轴连接配合，可自由旋转，通过螺钉和一个限位板限位，使夹持机构不会从轴上脱落。

待焊接零件13装配完成后，检查待焊接薄壁零件13焊口对齐情况，要求焊口错边＜0.5mm，间隙＜0.5mm。如果达不到上述要求，稍稍松开两个夹持机构6，7的压紧螺钉，微调待焊接零件，直到达到焊口装配要求。

焊口达到装配要求后，紧固两个夹持机构6，7的压紧螺钉，压紧带尖齿的楔形块5，固定待焊接零件13，操作液压机构1分步施加预拉伸力，观测串联布置的拉力传感器8实时显示值，施加预拉伸力并锁定，牢固的夹紧待焊接的零件。

根据待焊接零件13材料的屈服强度、厚度和截面尺寸，计算预拉伸力，使薄壁零件内部预置应力在其本身材料屈服强度的65％～80％范围内。操作液压机构1按照计算得出的力值对待焊接零件13施加预拉伸力，根据拉力传感器8的测量显示，达到需求的力值后，停止液压机构1动作并锁止，观察1～2min确认拉力传感器测得预拉伸力值保持稳定，使待焊接零件保持恒定的预拉伸变形。

操作VPPA自动焊机进行焊接。焊接完成后，不能马上拆下薄壁焊接零件13，必须保持薄壁焊接零件的预拉伸状态不变，等待5-20min，待焊缝冷却到室温后，方可拆下。这样可以获得最好的降低焊接应力和控制焊接变形的效果。

拆下焊接零件时，首先要松开预拉伸装置上的液压机构1，撤去拉伸力，使焊接成整体的零件13均匀回复变形，夹持机构解锁。

下面列举一个具体的实施例：

如图8所示为本发明实施例中采用两个预拉伸装置进行焊接时的待焊接状态图，待焊接零件材料为5A06铝合金，厚度5mm，长度600mm，预拉伸力方向截面尺寸225mmX5mm，要求对接焊接。为应用预拉伸方法，零件加工时两端预留了各50mm长的工艺余量，焊接完成后去除。

具体应用预拉伸方法进行焊接的过程如下：

步骤(一)、对待焊接零件13进行焊前清洗和清理；预拉伸设备包括两个预拉伸装置，将装配好的两个预拉伸装置对称放置在VPPA焊接设备两侧，承力柱底座侧面间距50mm。

步骤(二)、松开两个预拉伸装置的第一夹持机构6与第二夹持机构7的楔形块5，将清洗后的待焊薄壁零件13的两部分分别放入两个预拉伸装置的夹持机构6，7的两个楔形块5之间，对齐待焊接薄壁零件13的焊口，并检查待焊接薄壁零件13焊口对齐情况，要求焊口错边＜0.5mm，间隙＜0.5mm。如果达不到上述要求，稍稍松开两个夹持机构6，7的压紧螺钉，微调待焊接零件，直到达到焊口装配要求。

步骤(三)、焊口达到装配要求后，紧固夹持机构6，7的压紧螺钉，压紧带尖齿的楔形块5，固定待焊接零件13，操作液压机构1分步施加预拉伸力，观测串联布置的拉力传感器8实时显示值，第一步施加预拉伸力300Kgf并锁定，这时夹紧机构6，7的夹紧力并不大，待焊接零件13可能有滑移，使压紧螺钉变松，需要再次紧固夹持机构6，7的压紧螺钉。这样，进一步加载预拉伸力后，夹持机构6，7能够实现自锁，牢固的夹紧待焊接的零件13。

步骤(四)、开启两个预拉伸装置的操作液压机构1，施加预拉伸力：液压机构1向上运动使垫块4槽道中的反转机构2的金属杠杆11一端向上运动，通过杠杆原理，使与第一夹持机构6连接的金属杠杆11另一端向下运动，从而拉拽待焊薄壁零件13，产生预拉伸效果。5A06铝合金屈服强度为155MPa，屈服强度的65％为100MPa，经过计算，预拉伸力为11250Kgf。施加预拉伸力过程中，同时观察与待焊接零件13串联的两个预拉伸装置的拉力传感器8显示的预拉伸力值，当两个预拉伸力值相同并达到11250Kgf时，停止两个预拉伸装置的液压机构1动作并锁定，保持预拉伸力。

步骤(四)、操作焊机对待焊薄壁零件13进行VPPA焊接。

步骤(五)、焊接完成后，放置5～10min，待零件13完全冷却到室温后，同时释放两个液压机构1的压力，消除作用在待焊零件13上的拉伸力，防止不均匀受力使焊接零件产生新的变形并对焊缝质量造成伤害。两个预拉伸装置的第一夹持机构6和第二夹持机构7解锁，拆下薄壁零件13。经过测量，该类薄壁零件沿焊缝方向挠曲变形仅为0.5～0.8mm，而未采取措施的该类薄壁零件自由状态下焊接沿焊缝方向挠曲变形为38mm。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(一)、将预拉伸装置放置在VPPA焊接设备的前方，所述预拉伸装置包括第一夹持机构(6)、第二夹持机构(7)、拉伸传感器(8)、承力柱(3)、垫块(4)、液压机构(1)和反转机构(2)，其中液压机构(1)设置在承力柱(3)的底座平面上，其上设置带槽道的垫块(4)，用于传递拉伸力，反转机构(2)通过轴座(10)与承力柱(3)连接固定，第一夹持机构(6)通过旋转轴与反转机构(2)的金属杠杆(11)连接，第二夹持机构(7)与拉力传感器(8)连接，拉力传感器(8)固定在承力柱(3)顶部；

步骤(二)、将待焊接零件(13)放置于第一夹持机构(6)和第二夹持机构(7)之间，并将待焊接零件(13)的焊口对齐；

步骤(三)、开启液压机构(1)，对待焊接零件(13)施加预拉伸力，具体方法为：液压机构(1)向上运动使垫块(4)槽道中反转机构(2)的金属杠杆(11)一端向上运动，通过杠杆原理，使与第一夹持机构(6)连接的金属杠杆(11)的另一端向下运动，从而拉拽待焊接零件(13)，产生预拉伸效果；

步骤(四)、同时观察与待焊接零件(13)串联的拉力传感器(8)显示的预拉伸力值，当所述预拉伸力值达到所需值时，停止液压机构(1)动作并锁定，保持预拉伸力；

步骤(五)、操作VPPA焊接设备对待焊接零件(13)进行VPPA焊接，焊接完成且零件(13)完全冷却到室温后，释放液压机构(1)的压力，消除作用在零件(13)上的拉伸力，第一夹持机构(6)和第二夹持机构(7)解锁，拆下零件(13)。

2.一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(一)、将两个预拉伸装置对称放置在VPPA焊接设备两侧，所述预拉伸装置包括第一夹持机构(6)、第二夹持机构(7)、拉伸传感器(8)、承力柱(3)、垫块(4)、液压机构(1)和反转机构(2)，其中液压机构(1)设置在承力柱(3)的底座平面上，其上设置带槽道的垫块(4)，用于传递拉伸力，反转机构(2)通过轴座(10)与承力柱(3)连接固定，第一夹持机构(6)通过旋转轴与反转机构(2)的金属杠杆(11)连接，第二夹持机构(7)与拉力传感器(8)连接，拉力传感器(8)固定在承力柱(3)顶部；

步骤(二)、将待焊接零件(13)的两部分分别放置于两个预拉伸装置的第一夹持机构(6)和第二夹持机构(7)之间，并将待焊接零件(13)的焊口对齐；

步骤(三)、开启两个预拉伸装置的液压机构(1)，对待焊接零件(13)施加预拉伸力，使得预拉伸力分别独立作用于待焊接零件(13)的两部分上，具体方法为：液压机构(1)向上运动使垫块(4)槽道中反转机构(2)的金属杠杆(11)一端向上运动，通过杠杆原理，使与第一夹持机构(6)连接的金属杠杆(11)的另一端向下运动，从而拉拽待焊接零件(13)，产生预拉伸效果；

步骤(四)、同时观察与待焊接零件(13)串联的两个预拉伸装置的拉力传感器(8)显示的预拉伸力值，当所述两个预拉伸力值相同并达到所需值时，停止两个液压机构(1)动作并锁定，保持预拉伸力；

步骤(五)、操作VPPA焊接设备对待焊接零件(13)进行VPPA焊接，焊接完成且零件(13)完全冷却到室温后，同时释放两个液压机构(1)的压力，消除作用在零件(13)上的拉伸力，两个预拉伸装置的第一夹持机构(6)和第二夹持机构(7)解锁，拆下零件(13)。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，其特征在于：所述第一夹持机构(6)和第二夹持机构(7)均为自锁机构，包含1个夹持块(9)和2个楔形块(5)，其中夹持块(9)带有燕尾槽，楔形块(5)的一面为45°斜面，所述45°斜面安装于夹持块(9)的燕尾槽斜面上，楔形块(5)的另一面带有尖齿，用于夹紧待焊接零件(13)。

4.根据权利要求1或2所述的一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤(二)中的待焊接零件(13)为3～8mm铝合金薄壁零件，且待焊接零件(13)的焊缝形式为纵缝对接焊。

5.根据权利要求1或2所述的一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤(一)中拉力传感器(8)、第二夹持机构(7)、待焊接零件(13)串联布置，能够实时准确的测量待焊薄壁件内的预拉伸力。

6.根据权利要求1或2所述的一种应用于VPPA焊接的预拉伸方法，其特征在于：所述步骤(三)中预拉伸力的加载范围为0～15000Kgf。