CN106141411A - 一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装以及焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装以及焊接工艺，焊接工装包括多组环形卡箍、垫板、中心轴以及内撑圆盘，每组环形卡箍由若干弧形卡箍首尾对接构成，中心轴可穿设在筒体内部，内撑圆盘可套设在中心轴上，且内撑圆盘的外圆周面顶紧筒体的内壁设置。焊接时，将筒体、机翼和焊接工装组成待焊装配件，最后将待焊装配件置于真空室中，进行电子束焊接，焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，拆除焊接工装后即可。本发明利用能量密度集中、热输入量小的电子束焊接技术对飞行器中机翼与筒体进行焊接，同时配合用于控制变形精度的焊接工装，能够显著提高焊接质量与焊后尺寸精度，同时提高了焊接稳定性和焊接效率。

Description

一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装以及焊接工艺
技术领域
本发明涉及金属材料焊接技术领域，具体涉及一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装以及焊接工艺。
背景技术
为减轻飞行器的重量和提升飞行器的飞行距离和平衡控制，轻质、高强度的钛合金框架结构在该类飞行器中得以广泛应用，其中飞行器外部筒体与机翼的连接曾一度成为飞行器设计和加工中非常棘手的问题，由于筒体壁厚和机翼板厚均非常薄，结构形式为T型接头，传统焊接方式如TIG焊、MIG焊等方式极易产生不可控变形和焊穿等现象，造成灾难性破坏，因此，在目前的飞行器中均以铆接形式为主，首先将机翼底部设计为厚底的T型结构，再将筒体与机翼采用铆接的方式连接。但是该方法会对飞行器质量、重量、精度上带来非常大的弊端，机翼采用铸造方式生产，翼板为钛合金薄壁铸件，翼面的尺寸精度和铸件质量很难保证，机翼底部的T型底板的三维尺寸大，重量高，很大程度上增加了重量，且该种凸台连接接头在飞行器飞行时产生了更大的空气阻力和摩擦热量，综上所述，传统的铆接连接形式对也已不能够满足快速、高精度飞行发展需要。
飞行器中筒体材料采用航空钛合金材料，两者化学成分较为相近，具有良好的可焊性，真空电子束焊接热量集中，热输入量小，焊接速度快，真空条件下焊缝纯净度高，焊缝及热影响区组织相比普通电弧焊细小，焊接变形与残余应力小，非常适合于筒体与机翼的连接。但电子束加工技术进行此类异种钛合金T型接头的试验研究甚少，针对飞行器中特殊的接头形式和尺寸未有相关报道和研究。此外，在文献和专利技术搜索中，前人针对机翼与筒体的焊接变形控制工装设计也未曾发现相关研究报道。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装以及焊接工艺，利用能量密度集中、热输入量小的电子束焊接技术对飞行器中机翼与筒体进行焊接，同时配合用于控制变形精度的焊接工装，能够显著提高焊接质量与焊后尺寸精度，同时提高了焊接稳定性和焊接效率。
本发明为解决上述技术问题，所提供的技术方案是：一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装，包括多组环形卡箍、垫板、中心轴以及内撑圆盘，每组环形卡箍由若干弧形卡箍首尾对接构成，且弧形卡箍的两个端面均设置有凹槽，相邻两个弧形卡箍对接后形成可供机翼及夹持机翼的垫板穿过的通孔，弧形卡箍与其相对应的垫板之间通过调节螺栓连接，所述中心轴可穿设在筒体内部，内撑圆盘可套设在中心轴上，且内撑圆盘的外圆周面顶紧筒体的内壁设置。
作为本发明一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装的进一步优化：所述每组环形卡箍由四个弧形卡箍对接组成，四个弧形卡箍通过螺栓首尾连接构成圆环形卡箍。
作为本发明一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装的进一步优化：所述焊接工装包括5组环形卡箍。
利用上述焊接工装对飞行器筒体与机翼进行电子束焊接的工艺：将筒体与机翼之间通过定位螺丝进行固定，根据机翼的长度在筒体上组装多个环形卡箍，且使机翼穿过多个环形卡箍的通孔设置，然后在机翼与通孔侧壁之间的间隙处安装垫板，并通过调节螺栓对机翼进行紧固，接着将中心轴穿入筒体内部，并在筒体的两侧装配内撑圆盘，组成待焊装配件，最后将待焊装配件置于真空室中，进行筒体与机翼之间的电子束焊接，焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，拆除焊接工装后即可。
上述飞行器筒体与机翼的电子束焊接工艺，具体包括以下步骤：
（1）、将筒体与机翼进行表面机械处理，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；
（2）、通过机翼底部的定位螺丝孔，将机翼与筒体进行固定；
（3）、根据机翼的长度，在筒体上依次安装合适数量的环形卡箍；
（4）、在机翼与环形卡箍的通孔侧壁之间的间隙处安装垫板，并通过环形卡箍侧壁上的调节螺栓夹紧垫片，紧固时需两侧同时用力；
（5）、在筒体中心处穿入中心轴，并在筒体两侧穿入内撑圆盘，组成待焊装配件；
（6）、将待焊装配件置于真空室中，用三抓卡盘和尾锥固定待焊装配件中中心轴两端，使得电子束能够准确的作用于待焊处，然后抽真空，真空度≤5×10-3Pa；
（7）、调节聚焦电流和调整焦点位置，调整机翼筒体电子束焊接入射夹角为45°；
（8）、设定程序，按照焊接程序获得断续焊接形式焊缝，其中卡箍安装处为间断焊接处；
（9）、焊接完成一条焊缝后，转动三抓卡盘调节角度，按照对称位置依次焊接完成所有焊缝焊接；
（10）、焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，即完成焊接工作。
所述步骤（8）中焊接工艺参数如下：焊接速度300-1500mm/min，加速电压150kV，电子束束流2-15mA，工作距离200-1000mm。
有益效果
1、本发明采用能量集中、热输入小、穿透能力强、能量转化率高、可控性好的电子束作为施焊热源，使得整个连接过程时间缩短、热影响区减小，焊接变形程度小；
2、本发明在焊接过程中通过特定的焊接工装对筒体和机翼进行夹持，能够有效地控制机翼的平面度、直线度和机翼与筒体的对称度；
3、本发明采用断续焊方式有效地控制了热输入量，同时避免了卡箍对焊缝的遮挡影响；
4、本发明的焊接工艺，其焊接过程在真空室进行，避免了大气中有害气体对焊接接头性能的影响，有效地提高了接头综合性能；
5、本发明采用电子束焊接方式形成的接头处，能够有效地控制变形、减少重量和空气阻力。
附图说明
图1为本发明焊接工装的结构示意图；
图2为本发明焊接工装中弧形卡箍的结构示意图；
图3为经本发明焊接工艺焊接完成的筒体与机翼的结构示意图；
图中标记：1、垫板，2、中心轴，3、内撑圆盘，4、弧形卡箍，5、凹槽，6、机翼，7、调节螺栓，8、筒体。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明：
如图所示:一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装，包括五组环形卡箍、垫板1、中心轴2以及内撑圆盘3，每组环形卡箍由四个弧形卡箍4对接组成，四个弧形卡箍4通过螺栓首尾连接构成圆环形卡箍,且弧形卡箍4的两个端面均设置有凹槽5，相邻两个弧形卡箍4对接后形成可供机翼6及夹持机翼6的垫板1穿过的通孔，弧形卡箍4与其相对应的垫板1之间通过调节螺栓7连接，所述中心轴2可穿设在筒体8内部，内撑圆盘3可套设在中心轴2上，且内撑圆盘3的外圆周面顶紧筒体8的内壁设置。
利于本发明的焊接工装进行飞行器筒体与机翼的电子束焊接工艺，具体包括以下步骤：
（1）、将筒体与机翼进行表面机械处理，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；
（2）、通过机翼底部的定位螺丝孔，将机翼与筒体进行固定；
（3）、根据机翼的长度，在筒体上依次安装合适数量的环形卡箍；
（4）、在机翼与环形卡箍的通孔侧壁之间的间隙处安装垫板，并通过环形卡箍侧壁上的调节螺栓夹紧垫片，紧固时需两侧同时用力；
（5）、在筒体中心处穿入中心轴，并在筒体两侧穿入内撑圆盘，组成待焊装配件；
（6）、将待焊装配件置于真空室中，用三抓卡盘和尾锥固定待焊装配件中中心轴两端，使得电子束能够准确的作用于待焊处，然后抽真空，真空度≤5×10-3Pa；
（7）、调节聚焦电流和调整焦点位置，调整机翼筒体电子束焊接入射夹角为45°；
（8）、设定程序，按照焊接程序获得断续焊接形式焊缝，其中卡箍安装处为间断焊接处；焊接工艺参数如下：焊接速度300-1500mm/min，加速电压150kV，电子束束流2-15mA，工作距离200-1000mm。
（9）、焊接完成一条焊缝后，转动三抓卡盘调节角度，按照对称位置依次焊接完成所有焊缝焊接；
（10）、焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，即完成焊接工作。
本发明与现有技术相比，焊接接头综合力学性能好，测量焊接接头的剪切强度达到650MPa，低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，综合性能优于采用普通熔化焊连接的接头；焊接熔深为1.5±0.1mm；得到的机翼长600mm，平面度尺寸＜0.2，斜置角＜5′，对称度＜0.1。
利用X射线探伤仪对按上述步骤完成的真空电子束焊接焊缝进行检测，焊缝质量满足GJB 1718-2005Ⅰ级要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装，其特征在于：包括多组环形卡箍、垫板、中心轴以及内撑圆盘，每组环形卡箍由若干弧形卡箍首尾对接构成，且弧形卡箍的两个端面均设置有凹槽，相邻两个弧形卡箍对接后形成可供机翼及夹持机翼的垫板穿过的通孔，弧形卡箍与其相对应的垫板之间通过调节螺栓连接，所述中心轴可穿设在筒体内部，内撑圆盘可套设在中心轴上，且内撑圆盘的外圆周面顶紧筒体的内壁设置。
2.如权利要求1所述一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装，其特征在于：所述每组环形卡箍由四个弧形卡箍对接组成，四个弧形卡箍通过螺栓首尾连接构成圆环形卡箍。
3.如权利要求1或2所述一种飞行器筒体与机翼的电子束焊接工装，其特征在于：所述焊接工装包括5组环形卡箍。
4.利用利要求1所述焊接工装对飞行器筒体与机翼进行电子束焊接的工艺，其特征在于：将筒体与机翼之间通过定位螺丝进行固定，根据机翼的长度在筒体上组装多个环形卡箍，且使机翼穿过多个环形卡箍的通孔设置，然后在机翼与通孔侧壁之间的间隙处安装垫板，并通过调节螺栓对机翼进行紧固，接着将中心轴穿入筒体内部，并在筒体的两侧装配内撑圆盘，组成待焊装配件，最后将待焊装配件置于真空室中，进行筒体与机翼之间的电子束焊接，焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，拆除焊接工装后即可。
5.如权利要求4所述的飞行器筒体与机翼的电子束焊接工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）、将筒体与机翼进行表面机械处理，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；
（2）、通过机翼底部的定位螺丝孔，将机翼与筒体进行固定；
（3）、根据机翼的长度，在筒体上依次安装合适数量的环形卡箍；
（4）、在机翼与环形卡箍的通孔侧壁之间的间隙处安装垫板，并通过环形卡箍侧壁上的调节螺栓夹紧垫片，紧固时需两侧同时用力；
（5）、在筒体中心处穿入中心轴，并在筒体两侧穿入内撑圆盘，组成待焊装配件；
（6）、将待焊装配件置于真空室中，用三抓卡盘和尾锥固定待焊装配件中中心轴两端，使得电子束能够准确的作用于待焊处，然后抽真空，真空度≤5×10-3Pa；
（7）、调节聚焦电流和调整焦点位置，调整机翼筒体电子束焊接入射夹角为45°；
（8）、设定程序，按照焊接程序获得断续焊接形式焊缝，其中卡箍安装处为间断焊接处；
（9）、焊接完成一条焊缝后，转动三抓卡盘调节角度，按照对称位置依次焊接完成所有焊缝焊接；
（10）、焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，即完成焊接工作。
6.如权利要求5所述的飞行器筒体与机翼的电子束焊接工艺，其特征在于：所述步骤（8）中焊接工艺参数如下：焊接速度300-1500mm/min，加速电压150kV，电子束束流2-15mA，工作距离200-1000mm。
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