CN107160025A - 一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，采用电子束或激光等高能束焊接方法代替生产效率低、焊接变形大、焊接质量难保证、焊接材料消耗大的手工焊具有极大的优越性；可以实现薄壁筒体高效精密可靠焊接；显著改善焊接质量，减少返修率；大幅提高焊接效率，缩短制造周期；保证筒体轴向和径向尺寸公差满足要求；焊后热处理去应力校形有效消除了焊后应力，保证了筒体精度。

Description

一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料焊接技术领域，具体的说是一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法。
背景技术
薄壁筒体是航空航天领域经常用到的零部件，如燃料箱筒体内腔装填燃料，燃料的移动则通过活塞沿筒体内壁的单向推动实现。为了确保燃料的利用率，要求活塞与筒体内壁尽可能无间隙，以减少燃料残留影响动力，因此，不仅要求筒体有很高的圆度，而且要求其内壁表面粗糙度极高。然而由于受加工工艺所限，无法实现筒体的整体机加工，通常采用焊接制造。而3mm以下薄壁筒体常规焊接方法,由于板材薄，导热快，焊接变形极大，尺寸精度非常难以控制。同时焊接易产生焊漏、焊穿、塌陷、熔切以及气孔等缺陷，工艺控制难度极大，焊后质量无法保证。
以激光焊接和真空电子束焊接技术为代表的高能束焊接方法以其功率密度高、焊接热输入量小、零件变形小、焊后残余应力小、焊缝深宽比大、焊缝质量好等特点，广泛应用于航空、航天、船舶及原子能等工业领域中。但是对于尺寸精密的薄壁筒体高能束焊接没有成熟的工艺方法和技巧很难实现薄壁筒体的精密焊接制造。若采用通常的电子束或激光穿透焊接，焊缝背面缺陷修补及内腔中金属飞溅清理将是一大难题。同时焊后几何尺寸也难以控制，焊后缩短量、筒体的同轴度都会发生变化，精度控制难度很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，减小焊后变形，消除焊接缺陷，提高筒体焊后尺寸精度，保证焊接质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，包括以下步骤：
步骤一：对卷制的薄壁筒体待焊位置两侧20mm范围内进行打磨，至显露金属光泽后，用丙酮或酒精对待焊部位进行擦拭；
步骤二：将筒体固定在工装上，筒体与工装圆弧面通过压紧装置紧密贴合，保证圆度，同时待焊位置所对应的工装上开有凹槽，避免焊透造成工件与工装的黏连；同时保证装配间隙小于0.2mm，错边量小于0.2mm，实现筒体的精密装配；
步骤三：待焊位置均匀点焊固定之后，将待焊筒体随工装一起放入待焊区域，对于电子束焊接需要放入真空室，抽真空；
步骤四：对于电子束焊接，当真空度达到5×10-4mbar以下时，开始焊接，采用表面焦点或上焦点，圆形扫描或者椭圆扫描，扫描频率0-50Hz，扫描幅值0-2 mm，焊接电压60-150KV，束流2-40mA，焊接速度200-1500mm/min，焊枪距离工件焊接距离200-1500mm；对于激光，焊接功率400-1800W，焊接速度400-1500mm/min，脉冲频率0-500Hz，离焦量0-+4mm；
步骤五：焊后采用热处理炉进行去应力退火处理，采用热膨胀系数大的材料作为内撑芯棒工装装入筒体，芯棒机加工精度要求高于筒体尺寸精度，经过热处理，高精度的芯棒热膨胀将筒体撑圆，保证了筒体的精度，同时冷却后由于内撑芯棒和筒体收缩量的不同，内撑芯棒和筒体自然分离。
所述步骤五中的热膨胀系数大的材料为不锈钢。
所述步骤五中芯棒直径在去应力退火温度下的尺寸与该温度下筒体直径一致。
所述步骤五中钛合金去应力退火应在真空环境下，真空度不低于1×10-3Pa。
本发明的有益效果：
本发明提供的薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，采用电子束或激光等高能束焊接方法代替生产效率低、焊接变形大、焊接质量难保证、焊接材料消耗大的手工焊具有极大的优越性；可以实现薄壁筒体高效精密可靠焊接；显著改善焊接质量，减少返修率；大幅提高焊接效率，缩短制造周期；保证筒体轴向和径向尺寸公差满足要求；焊后热处理去应力校形有效消除了焊后应力，保证了筒体精度。
附图说明
图1 本发明结构装配示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
如图所示：为本发明结构装配示意图，通过背部和正面圆弧状工装，实现待焊件的精密装配固定，保证筒体圆度满足尺寸精度要求，同时待焊位置背部工装设计有凹槽，避免焊接后工装与工件焊透粘连，同时正面留出足够的尺寸，保证激光和电子束能够稳定的通过，不会影响焊接过程的进行。
实施例1
内径500mm，壁厚1.5mm，长度2000mm钛合金筒体电子束焊接制造方法如下：
步骤一、对卷制的薄壁板材待焊位置两侧20mm范围进行打磨，至显露金属光泽后，用丙酮对待焊部位进行擦拭；
步骤二、将筒体固定在工装上，筒体与工装圆弧面通过压紧装置紧密贴合，保证圆度；装配时保证间隙小于0.1mm，错边量小于0.1mm，实现筒体的精密装配；
步骤三、采用电子束均匀断续点焊固定之后，将待焊筒体随工装一起放入真空室，抽真空；
步骤四、电子束焊接，当真空度达到5×10-4mbar时，开始焊接，采用表面焦点或上焦点，圆形扫描，扫描频率10Hz，扫描幅值1 mm，焊接电压60KV，束流6mA，焊接速度600mm/min，焊枪距离工件焊接距离500mm；
步骤五、焊后采用热处理炉进行去应力退火处理，采用热膨胀系数较大的不锈钢作为内撑芯棒工装装入筒体，芯棒机加工精度要求高于筒体尺寸精度，经过热处理，高精度的芯棒热膨胀将筒体撑圆，保证了筒体较高的精度，同时冷却后由于两者收缩量的不同，内撑芯棒和筒体自然分离，便于取出，从而保证了焊后筒体的尺寸精度，避免焊接变形。
实施例2
内径300mm，壁厚0.5mm，长度1500mm钛合金激光焊接制造方法如下：
步骤一、对卷制的薄壁板材待焊位置两侧20mm范围进行打磨，至显露金属光泽后，用丙酮对待焊部位进行擦拭；
步骤二、将筒体固定在工装上，筒体与工装圆弧面通过压紧装置紧密贴合，保证圆度；装配时保证间隙小于0.2mm，错边量小于0.2mm，实现筒体的精密装配；
步骤三、采用激光均匀断续点焊固定之后，将待焊筒体随工装一起放入待焊区域；
步骤四、采用激光焊接，待焊区域背面填充惰性气体氩气保护，气流量30L/min，焊缝正面也采用惰性气体氩气保护，气流量10L/min，焊接功率1000W，焊接速度1000mm/min，脉冲频率200Hz，离焦量+1mm；
步骤五、焊后采用热处理炉进行去应力退火处理，采用热膨胀系数较大的不锈钢作为内撑芯棒工装装入筒体，芯棒机加工精度要求高于筒体尺寸精度，经过热处理，高精度的芯棒热膨胀将筒体撑圆，保证了筒体较高的精度，同时冷却后由于两者收缩量的不同，内撑芯棒和筒体自然分离，便于取出，从而保证了焊后筒体的尺寸精度，避免焊接变形。

Claims (4)

1.一种薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对卷制的薄壁筒体待焊位置两侧20mm范围内进行打磨，至显露金属光泽后，用丙酮或酒精对待焊部位进行擦拭；
步骤二：将筒体固定在工装上，筒体与工装圆弧面通过压紧装置紧密贴合，保证圆度，同时待焊位置所对应的工装上开有凹槽，避免焊透造成工件与工装的黏连；同时保证装配间隙小于0.2mm，错边量小于0.2mm，实现筒体的精密装配；
步骤三：待焊位置均匀点焊固定之后，将待焊筒体随工装一起放入待焊区域，对于电子束焊接需要放入真空室，抽真空；
步骤四：对于电子束焊接，当真空度达到5×10-4mbar以下时，开始焊接，采用表面焦点或上焦点，圆形扫描或者椭圆扫描，扫描频率0-50Hz，扫描幅值0-2 mm，焊接电压60-150KV，束流2-40mA，焊接速度200-1500mm/min，焊枪距离工件焊接距离200-1500mm；对于激光，焊接功率400-1800W，焊接速度400-1500mm/min，脉冲频率0-500Hz，离焦量0-+4mm；
步骤五：焊后采用热处理炉进行去应力退火处理，采用热膨胀系数大的材料作为内撑芯棒工装装入筒体，芯棒机加工精度要求高于筒体尺寸精度，经过热处理，高精度的芯棒热膨胀将筒体撑圆，保证了筒体的精度，同时冷却后由于内撑芯棒和筒体收缩量的不同，内撑芯棒和筒体自然分离。
2.如权利要求1所述的薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，其特征在于：所述步骤五中的热膨胀系数大的材料为不锈钢。
3.如权利要求1所述的薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，其特征在于：所述步骤五中芯棒直径在去应力退火温度下的尺寸与该温度下筒体直径一致。
4.如权利要求1所述的薄壁筒体高能束精密焊接制造方法，其特征在于：所述步骤五中钛合金去应力退火应在真空环境下，真空度不低于1×10-3Pa。
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