CN107442920A - 一种薄壁筒体高能束精密焊接工装以及焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种薄壁筒体高能束精密焊接工装以及焊接方法，包括固定支撑底座、正面弧形工装压紧装置、正面弧形固定工装和背面弧形固定工装，通过正面和背面弧形固定工装可以对放在其上的待焊薄壁筒体形成稳定的固定，正面弧形工装压紧装置压紧在正面弧形固定工装上，高能束通过焊接缝A和焊接缝B后对待焊焊缝焊接，焊接完成后，放松螺钉或气动压力装置，取出正面弧面固定工装，取出焊后筒体。其相比于现有的平面固定方式，提高了筒体固定的稳定性和弧度的精密性，避免了固定时筒体变形，保证了薄壁筒体良好的外形尺寸精度，而且由于操作方便，节省了操作时间和提高了焊接工作效率。

Description

一种薄壁筒体高能束精密焊接工装以及焊接方法

技术领域

本发明涉及金属材料焊接技术领域，尤其是一种薄壁筒体高能束精密焊接工装以及焊接方法。

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2mm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良好的工装固定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，内腔中金属飞溅清理将是一大难题，由于装配精度不足，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，精度控制难度很大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种薄壁筒体高能束精密焊接工装以及焊接方法，提高装配精度和装配质量，操作方便省力、提高焊接工作效率、保证筒体焊后尺寸精度和焊接质量。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种薄壁筒体高能束精密焊接工装，包括固定支撑底座、正面弧形工装压紧装置、正面弧形固定工装和背面弧形固定工装，正面弧形工装压紧装置、正面弧形固定工装和背面弧形固定工装从上至下依次固定设置在固定支撑底座上，所述的正面弧形工装压紧装置由两条相互平行设置的横梁和两块横梁翼板组成，两条横梁垂直设置并固定设置在固定支撑底座上，在两条横梁内侧之间设有焊接缝A，在横梁的外侧均焊接有水平设置的横梁翼板，在横梁翼板上设有多个螺纹孔或气动压力装置紧固孔，所述的正面弧形固定工装由外部支撑梁和正面弧形面板组成，外部支撑梁固定设置在固定支撑底座上，在外部支撑梁的上方固定有正面弧形面板，正面弧形面板与横梁翼板相互平等设置，并被压紧在横梁翼板下方，在正面弧形面板上开设有一条贯通正面弧形面板上下面并与焊接缝A对应设置的焊接缝B，焊接缝B的宽度大于或等于焊接缝A的宽度，在正面弧形面板的底面上设有与待焊接薄壁筒体外表面相匹配的弧面A，弧面A对称设置在焊接缝B的两侧，在弧面A的正下方设置背面弧形固定工装，所述的背面弧形固定工装由上部弧形面板和底部固定横梁组成，底部固定横梁固定设置在固定支撑底座上，在底部固定横梁的上方固定设有上部弧形面板，上部弧形面板的上表面为与弧面A对应设置的弧面B，弧面B与待焊接薄壁筒体的内表面相匹配，弧面B与弧面A之间的间距与待焊接薄壁筒体厚度相等，待焊接薄壁筒体夹设在弧面B和弧面A之间，使待焊接薄壁筒体的待焊焊缝对应焊接缝B设置。

本发明所述的上部弧形面板的上表面开设有一条与焊接缝B对应设置的背部飞溅槽。

本发明所述的正面弧形面板由多块排成两排的上表面为平面、下表面为弧面的小面板组成。

本发明所述的横梁的厚度大于横梁翼板的厚度。

一种薄壁筒体高能束精密焊接工装的焊接方法，将待焊接薄壁筒体放置在背面弧形工装上，通过精密装配之后点焊成筒体，将待焊位置对准焊接缝B中心线设置，再将正面弧形工装压紧装置压紧在正面弧形固定工装上，调整待焊焊缝之间间隙小于0.1mm，错边量小于0.1mm，在待焊焊缝两侧留出3mm距离，保证焊接过程电子束良好通过，之后通过正面弧形工装压紧装置上的螺钉手动固定或气动压力装置固定，高能束通过焊接缝A和焊接缝B后对待焊焊缝焊接后进行热处理工艺，焊接完成后，放松螺钉或气动压力装置，取出正面弧面固定工装，取出焊后筒体。

为了保证焊接之后筒体尺寸实现精密焊接，焊缝焊接工艺为采用大电流（50-200mA）表面焦点（离焦量为0mm）高速焊接（1000mm/min-4000mm/min），获得上下宽度一致的平行焊缝，同时为了减小焊后的残余应力水平，热处理工艺可以通过电子束或者激光散焦表面扫描进行焊后热处理，离焦量一般为板厚的2-3倍，扫描波形可以为折线型、椭圆形或者圆形等，扫描宽度为焊缝宽度的2-4倍，实现对焊缝和热影响区的有效后热处理，温度控制在400℃-700℃之间，有效降低焊接残余应力水平，实现筒体尺寸的稳定化。等到筒体温度降低到室温之后，放松螺钉或气动压力装置，取出正面弧面固定工装，取出焊后筒体。

本发明有益效果是：本发明采用上述工装，通过正面和背面弧形固定工装可以对放在其上的待焊薄壁筒体形成稳定的固定，其相比于现有的平面固定方式，提高了筒体固定的稳定性和弧度的精密性，避免了固定时筒体变形，保证了薄壁筒体良好的外形尺寸精度，而且由于操作方便，节省了操作时间和提高了焊接工作效率，同时通过大电流高速焊接获得平行焊缝减小焊接变形和残余应力，同时通过焊后散焦热处理进一步降低焊接残余应力，稳定筒体尺寸。

上部弧形面板上部加工背部飞溅槽，用于保证焊透时金属液的飞出，避免筒体和工装焊接的一起，同时对于焊接钛合金等活泼金属，可以在背部通入保护气体避免焊接过程中出现氧化影响焊接质量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的固定支撑底座结构示意图；

图3为本发明的正面弧形工装压紧装置结构示意图；

图4为本发明的正面弧形固定工装结构示意图；

图5为本发明的背面弧形固定工装结构示意图；

图6为本发明的散焦扫描示意图；

图中：1、固定支撑底座，2、正面弧形工装压紧装置，201、横梁，202、横梁翼板，203、焊接缝A，3、正面弧形固定工装，301、外部支撑梁，302、正面弧形面板，303、焊接缝B，304、弧面A，4、背面弧形固定工装，401、底部固定横梁，402、上部弧型面板，403、弧面B，404、背部飞溅槽。

具体实施方式

如图1所示，一种薄壁筒体高能束精密焊接工装，包括固定支撑底座1、正面弧形工装压紧装置2、正面弧形固定工装3和背面弧形固定工装4，正面弧形工装压紧装置2、正面弧形固定工装3和背面弧形固定工装4从上至下依次固定设置在固定支撑底座1上，三者的长度均大于待焊接筒体长度。

固定支撑底座：保证压紧固定工装可以稳定的固定，并可以保证压紧工装位置的水平和固定的牢靠性。

弧形固定工装：包括正面弧形固定工装3和背面弧形固定工装4，背面弧形工装弧面半径和筒体内径相等，正面弧形工装3弧面半径和筒体外径相等。待焊筒体经过此两种工装，实现弧面精准装配，保证了筒体的圆度。为了保证安装的便捷性和装配的紧固性，背面弧面工装4弧面长度大于筒体长度，而正面弧形工装只有紧固部分设计有弧面。

正面弧形工装压紧装置：由两根横梁201组成，横梁翼板202上密布螺纹孔或气动压力装置，保证在焊接时对筒体实现可靠固定。通过手动紧固螺钉或气动装置实现对正面弧形固定工装的紧固，保证弧形固定工装对筒体的牢固固定。

所述的固定支撑底座如图2所示，由底板，横板和加强筋组成，在两侧横板上加工出安装孔，用于安装正面弧形工装压紧装置、正面和背面弧形固定工装，主要保证压紧固定工装可以稳定的固定，并保证压紧工装位置的水平。

如图3所示，所述的正面弧形工装压紧装置2由两条相互平行设置的横梁201和两块横梁翼板202组成，两条横梁201垂直设置并固定设置在固定支撑底座1上，在两条横梁201内侧之间设有焊接缝A203，两T型横梁之间留有的焊接缝A203距离，保证高能束流能够有效通过从而实现对筒体的有效焊接。在横梁201的外侧均焊接有水平设置的横梁翼板202，在横梁翼板202上设有多个螺纹孔或气动压力装置紧固孔。

如图4所示，所述的正面弧形固定工装3由外部支撑梁301和正面弧形面板302组成，外部支撑梁301固定设置在固定支撑底座1上，外部支撑梁301可以为两条相平行的梁体组成，能保证对正面弧形面板302的支撑，同时不影响筒体的焊接即可，在外部支撑梁301的上方固定有正面弧形面板302，正面弧形面板302与横梁翼板202相互平等设置，并被压紧在横梁翼板202下方，在正面弧形面板302上开设有一条贯通正面弧形面板302上下面并与焊接缝A203对应设置的焊接缝B303，焊接缝B303的宽度大于或等于焊接缝A203的宽度，在正面弧形面板302的底面上设有与待焊接薄壁筒体外表面相匹配的弧面A304，正面弧形面板只有与筒体接触部分为弧面A304，尺寸为筒体外径。弧面A304对称设置在焊接缝B303的两侧，在弧面A304的正下方设置背面弧形固定工装4，背面弧形固定工装4对正面弧形面板302进行支撑。

如图5所示，所述的背面弧形固定工装4由上部弧形面板402和底部固定横梁401组成，上部弧型面板402比底部横梁短50-200mm，底部固定横梁401固定设置在固定支撑底座1上，在底部固定横梁401的上方固定设有上部弧形面板402，上部弧形面板402的上表面为与弧面A304对应设置的弧面B403，弧面B403与待焊接薄壁筒体的内表面相匹配，弧面B403与弧面A304之间的间距与待焊接薄壁筒体厚度相等，待焊接薄壁筒体夹设在弧面B403和弧面A304之间，使待焊接薄壁筒体的待焊焊缝对应焊接缝B303设置。

所述的上部弧形面板402的上表面开设有一条与焊接缝B303对应设置的背部飞溅槽404，宽3-5mm，深5-10mm的背部飞溅槽，用于保证焊透时金属液的飞出，避免筒体和工装焊接的一起，同时对于焊接钛合金等活泼金属，可以在背部通入保护气体避免焊接过程中出现氧化影响焊接质量。。

所述的正面弧形面板302由多块排成两排的上表面为平面、下表面为弧面的小面板组成，为了保证紧固效果，正面弧形工装分为多段，根据装配要求进行紧固。

所述的横梁201的厚度大于横梁翼板202的厚度。

实施例1

内径300mm，壁厚1.5mm，长度1200mm钛合金筒体电子束焊接制造方法如下：

一种薄壁筒体高能束精密焊接工装的焊接方法，将待焊接薄壁筒体放置在背面弧形工装上，通过精密装配之后点焊成筒体，将待焊位置对准焊接缝B中心线设置，再将正面弧形工装压紧装置压紧在正面弧形固定工装上，调整待焊焊缝之间间隙小于0.1mm，错边量小于0.1mm，在待焊焊缝两侧留出3mm距离，保证焊接过程电子束良好通过，之后通过正面弧形工装压紧装置上的螺钉手动固定或气动压力装置固定，高能束通过焊接缝A和焊接缝B后对待焊焊缝焊接，为采用大电流80mA，表面焦点（离焦量为0mm），1000mm/min高速焊接，获得上下宽度一致的平行焊缝，同时为了减小焊后的残余应力水平，可以通过电子束散焦表面扫描进行焊后热处理，离焦量为+3mm，扫描波形可以为椭圆形，扫描宽度为焊缝宽度的2倍，实现对焊缝和热影响区的有效后热处理，温度控制在500℃，有效降低焊接残余应力水平，实现筒体尺寸的稳定化。等到筒体温度降低到室温之后，放松螺钉或气动压力装置，取出正面弧面固定工装，取出焊后筒体。

以上所述是本发明的常用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种薄壁筒体高能束精密焊接工装，其特征在于：包括固定支撑底座（1）、正面弧形工装压紧装置（2）、正面弧形固定工装（3）和背面弧形固定工装（4），正面弧形工装压紧装置（2）、正面弧形固定工装（3）和背面弧形固定工装（4）从上至下依次固定设置在固定支撑底座（1）上，所述的正面弧形工装压紧装置（2）由两条相互平行设置的横梁（201）和两块横梁翼板（202）组成，两条横梁（201）垂直设置，并固定设置在固定支撑底座（1）上，在两条横梁（201）内侧之间设有焊接缝A（203），在横梁（201）的外侧均焊接有水平设置的横梁翼板（202），在横梁翼板（202）上设有多个螺纹孔或气动压力装置紧固孔，所述的正面弧形固定工装（3）由外部支撑梁（301）和正面弧形面板（302）组成，外部支撑梁（301）固定设置在固定支撑底座（1）上，在外部支撑梁（301）的上方固定有正面弧形面板（302），正面弧形面板（302）与横梁翼板（202）相互平等设置，并被压紧在横梁翼板（202）下方，在正面弧形面板（302）上开设有一条贯通正面弧形面板（302）上下面并与焊接缝A（203）对应设置的焊接缝B（303），焊接缝B（303）的宽度大于或等于焊接缝A（203）的宽度，在正面弧形面板（302）的底面上设有与待焊接薄壁筒体外表面相匹配的弧面A（304），弧面A（304）对称设置在焊接缝B（303）的两侧，在弧面A（304）的正下方设置背面弧形固定工装（4），所述的背面弧形固定工装（4）由上部弧形面板（402）和底部固定横梁（401）组成，底部固定横梁（401）固定设置在固定支撑底座（1）上，在底部固定横梁（401）的上方固定设有上部弧形面板（402），上部弧形面板（402）的上表面为与弧面A（304）对应设置的弧面B（403），弧面B（403）与待焊接薄壁筒体的内表面相匹配，弧面B（403）与弧面A（304）之间的间距与待焊接薄壁筒体厚度相等，待焊接薄壁筒体夹设在弧面B（403）和弧面A（304）之间，使待焊接薄壁筒体的待焊焊缝对应焊接缝B（303）设置。

2.如权利要求1所述的一种薄壁筒体高能束精密焊接工装，其特征在于：所述的上部弧形面板（402）的上表面开设有一条与焊接缝B（303）对应设置的背部飞溅槽（404）。

3.如权利要求1所述的一种薄壁筒体高能束精密焊接工装，其特征在于：所述的正面弧形面板（302）由多块排成两排的上表面为平面、下表面为弧面的小面板组成。

4.如权利要求1所述的一种薄壁筒体高能束精密焊接工装，其特征在于：所述的横梁（201）的厚度大于横梁翼板（202）的厚度。

5.如权利要求1所述的一种薄壁筒体高能束精密焊接工装的焊接方法，其特征在于：将待焊接薄壁筒体放置在背面弧形工装上，通过精密装配之后点焊成筒体，将待焊位置对准焊接缝B中心线设置，再将正面弧形工装压紧装置压紧在正面弧形固定工装上，调整待焊焊缝之间间隙小于0.1mm，错边量小于0.1mm，在待焊焊缝两侧留出3mm距离，保证焊接过程电子束良好通过，之后通过正面弧形工装压紧装置上的螺钉手动固定或气动压力装置固定，高能束通过焊接缝A和焊接缝B后对待焊焊缝焊接后进行热处理工艺，焊接完成后，放松螺钉或气动压力装置，取出正面弧面固定工装，取出焊后筒体。

6.如权利要求5所述的一种薄壁筒体高能束精密焊接工装的焊接方法，其特征在于：所述的焊缝焊接工艺为采用50-200mA大电流、离焦量为0mm表面焦点，以1000mm/min-4000mm/min高速焊接，获得上下宽度一致的平行焊缝。

7.如权利要求5所述的一种薄壁筒体高能束精密焊接工装的焊接方法，其特征在于：所述的热处理工艺为通过电子束或者激光散焦表面扫描进行焊后热处理，离焦量一般为板厚的2-3倍，扫描波形可以为折线型、椭圆形或者圆形，扫描宽度为焊缝宽度的2-4倍，温度控制在400℃-700℃之间。