CN108890113B - 一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装及用其焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装及用其焊接的方法，包括斜铁、转台、倾斜支架、固定底板和转动底板，安装后调整耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合。本发明采用本发明提供的电子束焊接半球壳和舱口锻件的方法，通过该方法可实现产品焊接，保证了焊接精度，避免了焊偏和未熔合等缺陷。本发明的具体实施例中采用该方法焊接的深潜器载人球壳及模拟球壳，采用本发明后焊接质量满足NB 47013中射线、超声波探伤I级，低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，焊接效率，尺寸精度等综合指标均优于传统其他焊接方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，尤其是涉及一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装及用其焊接的方法。
背景技术
随着国家远洋与深海战略的发展要求，耐压舱(球壳)装备需求日益增加，其中由于耐压球壳尺寸和厚度大，焊缝结构特殊，目前较为成熟的焊接方法为TIG窄间隙焊接技术，但手工TIG焊接方法效率低，受环境和操作人员因素影响大，易出现未熔合、气孔、裂纹等缺陷，焊缝质量难以保证，无法满足我国高速发展的深海与远洋装备的需求。真空电子束焊接穿透能力强、热输入量小、焊接速度快、真空条件下焊缝纯净度高、焊接变形与残余应力小的众多优点，非常适合大厚度钛合金的焊接。耐压球壳建造路线为通常先将半球壳与舱口件等焊接，再将上下两个半球壳焊接，上下半球壳连接时焊缝为普通的环形对接焊缝，焊接实施难度小，但半球壳与舱口件形成的焊缝为圆锥形焊缝，且焊缝需指向球心，由于电子束焊接时电子枪无法灵活转动这一自身技术特点限制，在焊接此类零件产品时，很难通过常规的电子束焊接工装或运动轨迹实现，因此针对耐压球壳中半球壳与舱口件的特殊结构形式的焊缝设计专用的焊接工装是解决电子束高效连接此类产品的重要因素，同时也是保证该类产品焊缝质量的关键技术。为此本发明针对该类产品的结构特点设计了一种能够用于该类典型结构的电子束焊接方法和工装，利用该方法和工装，能够实现耐压舱中半球壳与舱口件电子束高效优质地焊接。目前国内关于电子束焊接耐压球壳中半球壳与舱口件的焊接方法尚未报道。
发明内容
本发明的目的是为解决现有耐压舱半球壳与舱口件焊接过程中容易偏焊的问题，提供一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装及用其焊接的方法，耐压球壳与舱口件特殊焊缝的电子束焊接难题，实现耐压舱中半球壳与舱口锻件的高效可靠焊接，同时通过工装的高精度保证，避免了电子束焊接时产生的焊偏或未熔合等缺陷。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：
一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装，包括斜铁、转台、倾斜支架、固定底板和转动底板，斜铁的倾斜角等于耐压舱半球壳上待焊舱口件的锥角的二分之一，转台通过斜铁倾斜支撑在工作台上，转台所在平面与工作台所在平面形成的夹角等于斜铁倾斜角，倾斜支架的倾斜角等于耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线与耐压舱半球壳剖面所呈夹角的余角，固定底板通过倾斜支架固定在转台上，固定底板与转台之间的夹角等于倾斜支架的倾斜角，待焊接的耐压舱半球壳通过连接件固定在呈圆环状结构的转动底板上，且固定后的耐压舱半球壳的中心线与转动底板的中心线重合，转动底板自由贴设在固定底板上，固定底板上设置有一对相互配合的转动轴承，转动轴承的内圈固定在固定底板上，转动轴承的外圈与转动底板相切并支撑转动底板，通过两个转动轴承的外圈支撑配合实现转动底板在固定底板上的自由转动，转动底板上还固定有若干沿圆周方向均匀分布的支撑块，支撑块沿转动底板径向向外延伸出一段支撑杆，支撑杆压设在转动轴承上，通过在转动轴承和支撑杆之间垫设垫片来调整固定在转动底板上的耐压舱半球壳的球心位置，转动底板和固定底板之间设置有若干限制转动底板自由转动的紧固件，紧固件沿转动底板的圆周方向均匀分布，安装状态下的耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合。
所述的固定底板和转动底板之间还固定有用于调整转动底板在固定底板上绕转动轴承转动的调整部件，调整部件包括固定在转动底板上的凸形板和固定在固定底板上的凹形板，凸形板的凸出端卡设在凹形板的凹槽内，凸出端的宽度小于凹槽的宽度以便于凸出端在凹槽内摆动，凹形板的凹槽的两侧上拧设有调整螺栓并顶设在凸形板的凸出端上，通过调整螺栓顶动凸形板的凸出端使的凸形板的凸出端摆动，从而驱动转动底板绕固定底板转动。
所述的连接件包括固定在耐压舱半球壳上的耳板和连接螺栓，通过连接螺栓贯穿耳板将耐压舱半球壳固定在转动底板上。
所述的紧固件包括压板、紧固螺栓和固定在固定底板上的支撑柱，压板的其中一端压设在转动底板上，压板的另一端压设在支撑柱上，紧固螺栓贯穿压板拧入固定底板上将转动底板压设在固定底板上以限制转动底板的自由转动。
用所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装焊接的方法，包括如下步骤：
步骤一、取舱口件和耐压舱半球壳并将待焊区域进行清理；
步骤二、取斜铁固定在工作台上，再取转台固定在斜铁上，转台所在平面与工作台所在平面形成的夹角等于斜铁倾斜角，然后取倾斜支架和固定底板，将固定底板通过倾斜支架安装在转台上，倾斜支架通过固定螺栓固定在转台上，固定底板通过固定螺栓固定在倾斜支架上，固定底板与转台之间的夹角等于倾斜支架的倾斜角；
步骤三、取耐压舱半球壳和转动底板确定耐压舱半球壳的待焊接孔，并将耐压舱半球壳通过连接件固定在转动底板上，转动底板采用圆环结构且转动底板的圆周度不大于0.2mm，调整耐压舱半球壳和转动底板的圆心偏差不大于0.2mm；
步骤四、将步骤三中调整好的耐压舱半球壳和转动底板放置在步骤二中的固定底板上并支撑在转动轴承上，调整转动底板上的支撑块位置使固定在支撑块上的支撑杆压设在转动轴承上，同时将凸形板卡设在凹形板内，通过拧动凹形板两端的螺栓以及在支撑杆和转动轴承之间垫设垫片调整耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合，保证两者中心线偏差不大于0.2mm时，将转动底板通过紧固件固定在固定底板上；
步骤五、将步骤四中组装后的半球壳和舱口锻件及配套工装移动至电子束焊机的真空室内，抽取真空室内真空度至优于5×10-2 Pa；
步骤六、将电子束焊机高压升至150KV，即可按照设定工艺参数开始对步骤五中的耐压舱半球壳和舱口件实施焊接。
所述的步骤一中首先采用机械抛光方式清理待焊表面，然后用丙酮或酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用。
所述的步骤二中固定底板与倾斜支架配合面的平面度和平行度不大于0.2mm。本发明的有益效果是：采用本发明提供的电子束焊接半球壳和舱口锻件的方法，通过该方法可实现产品焊接，保证了焊接精度，避免了焊偏和未熔合等缺陷。本发明的具体实施例中采用该方法焊接的深潜器载人球壳及模拟球壳，采用本发明后焊接质量满足NB 47013中射线、超声波探伤I级，低倍金相组织中未发现气孔、裂纹、夹杂等缺陷，焊接效率，尺寸精度等综合指标均优于传统其他焊接方法；
本发明与现有技术相比，其显著的优势在于：1、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，能够在焊接时控制热输入量，能够解决大型载人舱中舱口锻件与半球壳的快速焊接的技术难题。
附图说明
图1为本发明中耐压舱中半球球壳与舱口锻件示意图。
图2为本发明中耐压半球壳与焊接工装装配图。
图3为本发明中耐压半球壳与焊接工装装配原理示意图。
图4为本发明中焊接工装装配图。
图5为本发明中耐压仓半球壳与舱口锻件及转动底板装配示意图。
图6为本发明中转动底板装配及调节示意图。
图7为本发明中转动底板调整部件处的局部放大示意图。
图示标记：1、斜铁，2、转台，3、倾斜支架，4、固定底板，5、转动底板，501、支撑块，502、螺栓，503、支撑杆6、耐压舱半球壳，601、耳板，602、连接螺栓，7、转动轴承，8、调整部件。
具体实施方式
图中所示，具体实施方式如下：
一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装，包括斜铁1、转台2、倾斜支架3、固定底板4和转动底板5，斜铁1的倾斜角如图3中的α等于耐压舱半球壳上待焊舱口件的锥角的二分之一，转台2通过斜铁倾斜支撑在工作台上，转台2所在平面与工作台所在平面形成的夹角等于斜铁倾斜角，倾斜支架3的倾斜角等于耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线与耐压舱半球壳剖面所呈夹角的余角如图3中90°-β，固定底板4通过倾斜支架固定在转台2上，固定底板4与转台2之间的夹角等于倾斜支架的倾斜角，待焊接的耐压舱半球壳6通过连接件固定在呈圆环状结构的转动底板上，且固定后的耐压舱半球壳6的中心线与转动底板的中心线重合，转动底板5自由贴设在固定底板4上，固定底板4上设置有一对相互配合的转动轴承7，转动轴承7的内圈固定在固定底板4上，转动轴承7的外圈与转动底板5相切并支撑转动底板5，转动轴承7的支撑限制了转动底板5再倾斜设置的固定底板上的滑动而轴承外圈的相切可以实现转动底板的转动，通过两个转动轴承7的外圈支撑配合实现转动底板5在固定底板上的自由转动，转动底板5上还固定有若干沿圆周方向均匀分布的支撑块501，支撑块501通过螺栓502固定在转动底板上，支撑块501沿转动底板径向向外延伸出一段支撑杆503，支撑杆503压设在转动轴承7上，通过在转动轴承7和支撑杆503之间垫设垫片来调整固定在转动底板5上的耐压舱半球壳的球心位置，转动底板5和固定底板4之间设置有若干限制转动底板自由转动的紧固件，紧固件沿转动底板的圆周方向均匀分布并，安装状态下的耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合。
所述的固定底板4和转动底板5之间还固定有用于调整转动底板在固定底板上绕转动轴承转动的调整部件8，调整部件8包括固定在转动底板上的凸形板和固定在固定底板上的凹形板，凸形板的凸出端卡设在凹形板的凹槽内，凸出端的宽度小于凹槽的宽度以便于凸出端在凹槽内摆动，凹形板的凹槽的两侧上拧设有调整螺栓并顶设在凸形板的凸出端上，通过调整螺栓顶动凸形板的凸出端使得的凸形板的凸出端摆动，从而驱动转动底板绕固定底板转动。
所述的连接件包括固定在耐压舱半球壳上的耳板601和连接螺栓602，通过连接螺栓贯穿耳板将耐压舱半球壳固定在转动底板上。
所述的紧固件包括压板、紧固螺栓和固定在固定底板上的支撑柱，压板的其中一端压设在转动底板上，压板的另一端压设在支撑柱上，紧固螺栓贯穿压板拧入固定底板上将转动底板压设在固定底板上以限制转动底板的自由转动。
用所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装焊接的方法，包括如下步骤：
步骤一、取舱口件和耐压舱半球壳并将待焊区域进行清理，首先采用机械抛光方式清理待焊表面，然后用丙酮或酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；
步骤二、取斜铁固定在工作台上，再取转台固定在斜铁上，转台所在平面与工作台所在平面形成的夹角等于斜铁倾斜角，然后取倾斜支架和固定底板，将固定底板通过倾斜支架安装在转台上，倾斜支架通过固定螺栓固定在转台上，固定底板通过固定螺栓固定在倾斜支架上，固定底板与转台之间的夹角等于倾斜支架的倾斜角，固定底板与倾斜支架配合面的平面度和平行度不大于0.2mm，倾斜支架3角度与半球壳中开孔轴线与赤道面即为半球面夹角角度互余如图3加工K2时所示即为90°-β。同理，特殊情况下如图3中的加工K1舱口锻件开孔轴线与赤道面夹角角度为90°，此时倾斜支架3的倾斜角等于0°。在安装过程中利用定位销方式将倾斜支架3与转台2精密定位，再通过固定螺栓将转台上转盘与倾斜支架3固定；
步骤三、取耐压舱半球壳和转动底板确定耐压舱半球壳的待焊接孔，并将耐压舱半球壳通过连接件固定在转动底板上，转动底板采用圆环结构且转动底板的圆周度不大于0.2mm，调整耐压舱半球壳和转动底板的圆心偏差不大于0.2mm；
步骤四、将步骤三中调整好的耐压舱半球壳和转动底板放置在步骤二中的固定底板上并支撑在转动轴承上，调整转动底板上的支撑块位置使固定在支撑块上的支撑杆压设在转动轴承上，同时将凸形板卡设在凹形板内，通过拧动凹形板两端的螺栓以及在支撑杆和转动轴承之间垫设垫片调整耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合，保证两者中心线偏差不大于0.2mm时，通过转台2旋转将半球壳旋转一周，采用打百分表方式测量半球壳上开孔圆度偏差，进行多次步位置调整，可将半球壳的球心移动至转台轴线上，待调整后的偏差≤0.2mm后将转动底板与固定底板用螺栓固定连接。如图3所示，完成所有工装及半球壳的固定工作将转动底板通过紧固件固定在固定底板上；
步骤五、将步骤四中组装后的半球壳和舱口锻件及配套工装移动至电子束焊机的真空室内，抽取真空室内真空度至优于5×10-2 Pa；
步骤六、将电子束焊机高压升至150KV，即可按照设定工艺参数开始对步骤五中的耐压舱半球壳和舱口件实施焊接，焊接工艺参数如下：焊接速度200~600mm/min，加速电压150kV，电子束束流200-300mA，工作距离400~800mm。
将工件待焊表面进行表面机械处理，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污。组成待焊装配件放置在专用工装上精确定位并进行固定，置于真空室中，然后抽真空至真空度≤5×10-3Pa，调节聚焦电流和调整焦点位置，按工艺参数设定焊接程序，采用电子束平焊方式焊接，按照焊接程序实现电子束连续焊接带有转角过渡的工件。焊接完成后，真空冷却10min，去真空并取出焊接完成的试件，整个焊接工作完成。
利用X射线探伤仪和超声波检测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 1718-2005 І级要求。
在焊接试件中，利用金相显微镜对接头组织进行分析，利用万能实验机进行焊接接头抗拉试验测试。
本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装，其特征在于：包括斜铁、转台、倾斜支架、固定底板和转动底板，斜铁的倾斜角等于耐压舱半球壳上待焊舱口件的锥角的二分之一，转台通过斜铁倾斜支撑在工作台上，转台所在平面与工作台所在平面形成的夹角等于斜铁倾斜角，倾斜支架的倾斜角等于耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线与耐压舱半球壳剖面所呈夹角的余角，固定底板通过倾斜支架固定在转台上，固定底板与转台之间的夹角等于倾斜支架的倾斜角，待焊接的耐压舱半球壳通过连接件固定在呈圆环状结构的转动底板上，且固定后的耐压舱半球壳的中心线与转动底板的中心线重合，转动底板自由贴设在固定底板上，固定底板上设置有一对相互配合的转动轴承，转动轴承的内圈固定在固定底板上，转动轴承的外圈与转动底板相切并支撑转动底板，通过两个转动轴承的外圈支撑配合实现转动底板在固定底板上的自由转动，转动底板上还固定有若干沿圆周方向均匀分布的支撑块，支撑块沿转动底板径向向外延伸出一段支撑杆，支撑杆压设在转动轴承上，通过在转动轴承和支撑杆之间垫设垫片来调整固定在转动底板上的耐压舱半球壳的球心位置，转动底板和固定底板之间设置有若干限制转动底板自由转动的紧固件，紧固件沿转动底板的圆周方向均匀分布，安装状态下的耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合。
2.根据权利要求1所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装，其特征在于：所述的固定底板和转动底板之间还固定有用于调整转动底板在固定底板上绕转动轴承转动的调整部件，调整部件包括固定在转动底板上的凸形板和固定在固定底板上的凹形板，凸形板的凸出端卡设在凹形板的凹槽内，凸出端的宽度小于凹槽的宽度以便于凸出端在凹槽内摆动，凹形板的凹槽的两侧上拧设有调整螺栓并顶设在凸形板的凸出端上，通过调整螺栓顶动凸形板的凸出端使凸形板的凸出端摆动，从而驱动转动底板绕固定底板转动。
3.根据权利要求1所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装，其特征在于：所述的连接件包括固定在耐压舱半球壳上的耳板和连接螺栓，通过连接螺栓贯穿耳板将耐压舱半球壳固定在转动底板上。
4.根据权利要求1所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装，其特征在于：所述的紧固件包括压板、紧固螺栓和固定在固定底板上的支撑柱，压板的其中一端压设在转动底板上，压板的另一端压设在支撑柱上，紧固螺栓贯穿压板拧入固定底板上将转动底板压设在固定底板上以限制转动底板的自由转动。
5.用权利要求1或2或3或4所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装焊接的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、取舱口件和耐压舱半球壳并将待焊区域进行清理；
步骤二、取斜铁固定在工作台上，再取转台固定在斜铁上，转台所在平面与工作台所在平面形成的夹角等于斜铁倾斜角，然后取倾斜支架和固定底板，将固定底板通过倾斜支架安装在转台上，倾斜支架通过固定螺栓固定在转台上，固定底板通过固定螺栓固定在倾斜支架上，固定底板与转台之间的夹角等于倾斜支架的倾斜角；
步骤三、取耐压舱半球壳和转动底板确定耐压舱半球壳的待焊接孔，并将耐压舱半球壳通过连接件固定在转动底板上，转动底板采用圆环结构且转动底板的圆周度不大于0.2mm，调整耐压舱半球壳和转动底板的圆心偏差不大于0.2mm；
步骤四、将步骤三中调整好的耐压舱半球壳和转动底板放置在步骤二中的固定底板上并支撑在转动轴承上，调整转动底板上的支撑块位置使固定在支撑块上的支撑杆压设在转动轴承上，同时将凸形板卡设在凹形板内，通过拧动凹形板两端的螺栓以及在支撑杆和转动轴承之间垫设垫片调整耐压舱半球壳上待焊舱口件的中心线通过耐压舱半球壳的球心并与转台的中心线重合，保证两者中心线偏差不大于0.2mm时，将转动底板通过紧固件固定在固定底板上；
步骤五、将步骤四中组装后的半球壳和舱口锻件及配套工装移动至电子束焊机的真空室内，抽取真空室内真空度至优于5×10-2 Pa；
步骤六、将电子束焊机高压升至150KV，即可按照设定工艺参数开始对步骤五中的耐压舱半球壳和舱口件实施焊接。
6.根据权利要求5所述的用权利要求1或2或3或4所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装焊接的方法，其特征在于：所述的步骤一中首先采用机械抛光方式清理待焊表面，然后用丙酮或酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用。
7.根据权利要求5所述的用权利要求1或2或3或4所述的一种耐压舱半球壳与舱口件用焊接工装焊接的方法，其特征在于：所述的步骤二中固定底板与倾斜支架配合面的平面度和平行度不大于0.2mm。
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