CN109202254B - 一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法，该方法中设计了一种增加焊接件头部局部厚度的不等厚的对接形式，采用沿长边引束流焊接、搭接并阶梯衰减的收束流焊接方法，从而增加熔化金属量，提高焊缝成形质量，提高工艺的稳定性和裕度；在外环内部设计了错位、搭接的U型防护结构，避免烧伤轴杆、内环结构；采用对称焊接方法，设计焊接顺序，采取分组多次焊接方式，降低密集焊缝焊接热输入、应力变形的累加效应，降低密集焊缝应力变形对焊接间隙、阶差等的影响，提高焊接质量，有利于焊接变形及结构尺寸精度的控制，提高了焊接成品率。

Description

一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法，属于电子束焊接技术领域。

背景技术

在工程实践中对于机匣类零件，通常含有外环、内环以及支板等组件结构。外环直径一般在800mm以上，通常在外环面上设计密集方孔，尺寸宽度30～90mm、长度30～90mm、圆角半径5～12mm；将支板头插入方孔，通过方形环缝焊接将密集支板与外环面连接。由于外环面和支板头均为薄壁结构（≤3mm），直径较大，刚性较差；一般支板结构较多（10片以上），外环面上包含密集的方形环缝；方形环缝位于外环面的中部，一般采用不填充金属的对接焊，存在固有的塑性收缩变形，外环面存在不均匀的应力应变，易导致较大的收缩变形、焊接裂纹等问题，影响焊接稳定性、焊接质量及尺寸精度，严重影响产品的合格率。

以含有15条方形环形焊缝外环面机匣结构为例，目前主要采用先点焊，然后按顺序依次焊接15条环形焊缝，这种常规的方法存在如下问题：

1）由于单条焊缝焊接壁厚较薄，无外加填充金属，焊缝易造成凹坑、焊塌等缺陷；在焊接轨迹变化剧烈的圆角部位以及引/收流搭接部位，也易产生焊塌、熔切等焊接缺陷。

2）由于密集焊缝的条数较多，累积、叠加的焊接收缩变形较大，易造成外环内径变小，流道空间减小。另外，由于累积的焊接收缩变形，会导致局部方形环形焊缝的对接间隙增大，易造成焊塌、熔切及表面成形不良等缺陷。

3）密集焊缝的焊接应力也不断累积、叠加，导致在支板及其头部易产生裂纹。

上述机匣类零件产生的焊接问题主要是因为在焊接过程中尚未充分考虑单条焊缝工艺稳定性、密集焊缝的焊接顺序以及焊接热源的对称输入等。

发明内容

针对上述技术问题，本发明了提供了一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法，该方法中设计了一种增加焊接件头部的局部厚度的不等厚的对接形式，采用沿长边引束流焊接、搭接并阶梯衰减的收束流焊接方法，从而增加熔化金属量，提高焊缝成形质量，提高工艺的稳定性和裕度；在外环内部设计了错位、搭接的U型防护结构，避免烧伤轴杆、内环结构；采用对称焊接方法，设计焊接顺序，采取分组多次焊接方式，降低密集焊缝焊接热输入、应力变形的累加效应，降低密集焊缝应力变形对焊接间隙、阶差等的影响，提高焊接质量，有利于焊接变形及结构尺寸精度的控制，提高了焊接成品率。

本发明的一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法既保证了焊接质量要求，又实现了焊接变形控制，适用于零件结构的批量化生产，具有重要的工程应用价值和意义。经文献和资料查询、检索，国内外尚无此方面的文献资料报道。

为了实现本发明，其采用了如下技术方案：

一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法,其特征在于:

(1) 保持含有长方形孔的外环面的厚度不变，在插入长方形孔的焊接件头部的焊接位置设置凸台结构，使焊接件头部的焊接位置的厚度增加，形成外环面和焊接件头部的不等厚对接形式，以增加焊接位置的熔化金属量，充分填充焊接位置，降低焊接位置的凹坑、凹陷；

（2）在与长方形环焊缝对应的背面位置的外环面内侧的焊接件上设置多个U型叉形防护结构，通过螺纹孔及螺栓将多个防护结构分别连接到夹具上，相邻的U型叉形防护结构采用错位、搭接的装配方式，以吸收剩余的电子束能量；

（3）设计长方形环焊缝的焊接轨迹，沿长边直线段设置焊接引束流部分和搭接部分，在束流结束阶段设计跨越相邻短边和长边的阶梯衰减的收束流；

（4）根据密集长方形环焊缝的分布特点，设计对称焊接方式，将密集长方形环焊缝分组次焊接，保证对称热输入。

进一步地，所述密集长方形环焊缝为偶数条时，采用“十字”形对称焊接方式，设计多组“十字”形环缝。

进一步地，所述密集长方形环焊缝为奇数条时，采用120度分布的3条焊缝对称焊接方式，120度分布的3条焊缝为一组，设计多组120度分布的3条环缝。

进一步地，所述对称焊接方式采用“十字”形对称焊接方式和120度分布的3条焊缝对称焊接方式相结合。

进一步地，所述外环面为机匣外环面，所述插入长方形孔的焊接件头部为支板头。

本发明的技术效果如下：

1）增加焊接件头部焊接位置厚度，设计了不等厚的对接形式，从而增加熔化金属量，有利于充分填充焊接位置，降低了凹坑、凹陷，提高焊缝成形；

2）在与长方形环焊缝对应的背面位置的外环面内侧的焊接件上设置多个U型叉形防护结构，设计了错位、搭接的吸收剩余能量的U型叉形防护结构，避免了烧伤结构件，如轴杆、内环结构；

3）针对单条长方形环焊缝，在直线段设计了引束流和搭接部分焊接，避免焊接轨迹形状变化对焊接质量的影响，提高焊接工艺稳定性和裕度，降低焊接的熔切、气孔等缺陷。与引束流对称，设计阶梯衰减的收束流焊接方法，降低焊接的温度梯度，降低了焊接的熔切、气孔等缺陷。

4）针对密集长方形环焊缝，采用“十字”形、120度分布等对称焊接方法，有利于焊接应力变形的对称分布，提高了结构的尺寸精度控制。

5）设计了密集长方形焊缝分多组次焊接的方法，降低了单次的总热输入，改善了焊接应力变形，提高了尺寸精度；每组次焊接前调焊接装配精度，降低了焊接缺陷产生几率，提高了焊接质量。

6）本发明适用于电子束焊接、激光焊及氩弧焊等自动焊接方法。

附图说明

图1机匣机构示意图；

图2 长方形环焊缝位置示意图

图3外环面和支板头对接形式示意图；

图4 U型叉形防护结构示意图；

图5 U型叉形防护结构装配示意图；

图6引束流及搭接示意图；

图7 “十字”形焊接方式示意图；

图8 120度分布的3条焊缝对称焊接方式；

图9焊接顺序设计。

图中1-外环、2-内环、3-支板、4-长方形环焊缝焊接位置、5-凸台结构、6-U型叉形防护结构、7-螺栓、8-引束流部分、9-搭接部分、10-第一段衰减束流部位10、11-第二段衰减束流部位。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

实施例1

以含有15条长方形环形焊缝外环面机匣结构为例，机匣结构如图1所示，由外环1、内环2和支板3（含支板头共15片）三部分组成，长方形环焊缝焊接位置4如图中所示，共计15条。外环直径900mm、宽度120mm以上，壁厚为2～3mm。长方形环焊缝位置尺寸为30～90mm×30～90mm，圆角半径5～12mm，如图2所示。

焊接方案如下：

（1） 根据方形环形焊缝的结构特点，保持外环面1 (含长方形孔)厚度2～3mm不变，在支板头3的焊接位置4设置厚度增加0.5mm的凸台结构5，形成不等厚的对接形式，如图3所示，从而增加焊接位置4的熔化金属量，有利于充分填充焊接位置，降低了焊接位置的凹坑、凹陷，提高焊接质量。

（2）根据机匣结构的特点，在与长方形环焊缝对应的背面位置的外环面内侧的焊接件上设置多个U型叉形防护结构，通过螺纹孔及螺栓7将U型叉形防护结构6连接到夹具上，相邻的U型叉形防护结构6采用错位、搭接的装配方式，如图4、5所示。U型叉形防护结构6用于吸收剩余的电子束能量，避免了烧伤轴杆、内环结构。

（3）设计环缝的焊接轨迹，沿长边直线段设置焊接引束流部分8和搭接部分9，避免轨迹形状变化对焊接质量的影响，提高焊接工艺稳定性和裕度，降低焊接的熔切、气孔等缺陷。

在束流结束阶段设计跨越临近短边和长边的阶梯衰减的收束流焊接方法，第一段衰减束流部位10和第二段衰减束流部位11，如图6，实现焊接热输入的缓降，与引束流对称分布，降低焊接的温度梯度，降低焊接的熔切、气孔等缺陷。

（4）根据机匣支板头焊缝分布特点，对于环焊缝为偶数条时，设计多组对称的“十字”形焊接方式，即从a→b→c→d焊接4条焊缝，如图7所示，然后按照箭头所示的旋转方向进行下一组环焊缝的焊接，保证对称热输入，有利于焊接应力变形的控制，提高了结构的尺寸精度。但由于一般密集环焊缝为奇数条，无法完全用“十字”形分布，又设计120度分布的3条焊缝对称焊接方法，即120度分布的3条焊缝为一组，如图8所示，即e→f→g，然后按照箭头所示的旋转方向进行下一组环焊缝的焊接。也可以将两种焊接方式进行组合。针对15条焊缝，根据对称焊接的方法，设计了方形环焊缝焊接顺序如图9所示，焊接顺序a→o。根据对称焊接的方法及焊接顺序，将15条方形环焊缝分组次焊接，共计分4组次：a→b→c→d、e→f→g、h→i→j→k、l→m→n→o。通过分组电子束焊接，降低单次的总热输入，改善焊接应力变形，提高尺寸精度；每组次焊接前，检查焊接装配精度，调整焊接位置的间隙和阶差，以满足焊接要求，降低焊接裂纹、焊塌及熔切等缺陷，提高焊接质量。

具体的

下面以具体尺寸的含有15条环焊缝的外环与支板头焊接为例，其中外环壁厚2mm、外环直径900mm及宽度120mm，支板头尺寸为70mm×50mm、圆角半径10mm。如图1和图2。

其具体实现过程为：

（1）长方形支板头3焊接位置4预留宽度10mm、厚度0.5mm的凸台结构5，形成2mm+2.5mm的不等厚的对接形式，如图3所示；

（2）根据机匣结构的特点，设计了两个U型叉形防护结构6，如图4和图5，外轮廓尺寸为80mm×80mm、宽度25mm，采用两个U型叉形防护结构6错位、搭接（长度搭接20mm）的装配方式，可完全遮挡焊接穿透束流；

（3）在单条环缝的长边直线段设置长度为40mm的引束流部分8、设置长度为20mm的搭接部分9，如图6所示。 在束流结束阶段，第一段衰减束流部位10长度50mm, 第二段衰减束流部位11长度70mm；

（4）设计了近似“十字”形、120度分布对称焊接方式，如图7，8所示，设计如图9所示的密集环焊缝焊接顺序；

（5） 根据步骤（4）设计的对称焊接方式和焊接顺序，将15条环焊缝分组分次，共计分4组次：a→b→c→d、e→f→g、h→i→j→k、l→m→n→o。每组次焊接前检查焊接间隙、阶差等，焊接完成后冷却至室温，然后依次进行后续组次的焊接；

(6) 全部密集环焊缝焊接完成后，取出工件结构进行外观检查及质量检测。

采用上述电子束焊接方法焊接的机匣，焊缝表面成形良好， X射线探伤检查焊接质量满足Ⅱ级以上；外环内径收缩变形尺寸可控制在1.2mm。

Claims (5)

1.一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法,其特征在于:

(1)保持含有长方形孔的外环面的厚度不变，在插入长方形孔的焊接件头部的焊接位置设置凸台结构，使焊接件头部的焊接位置的厚度增加，形成外环面和焊接件头部的不等厚对接形式，以增加焊接位置的熔化金属量，充分填充焊接位置，降低焊接位置的凹陷；

(2)在与长方形环焊缝对应的背面位置的外环面内侧的焊接件上设置多个U型叉形防护结构，通过螺纹孔及螺栓将多个U型叉形防护结构分别连接到夹具上，相邻的U型叉形防护结构采用错位、搭接的装配方式，以吸收剩余的电子束能量；

(3)设计长方形环焊缝的焊接轨迹，沿长边直线段设置焊接引束流部分和搭接部分，在束流结束阶段设计跨越相邻短边和长边的阶梯衰减的收束流；

(4)根据密集长方形环焊缝的分布特点，设计对称焊接方式，将密集长方形环焊缝分组次焊接，保证对称热输入。

2.根据权利要求1所述的一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法,其特征在于：所述密集长方形环焊缝为偶数条时，采用“十字”形对称焊接方式，设计多组“十字”形环缝。

3.根据权利要求1所述的一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法,其特征在于：所述密集长方形环焊缝为奇数条时，采用120度分布的3条焊缝对称焊接方式，120度分布的3条焊缝为一组，设计一组或多组120度分布的3条环缝。

4.根据权利要求1所述的一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法,其特征在于：所述对称焊接方式采用“十字”形对称焊接方式和120度分布的3条焊缝对称焊接方式相结合。

5.根据权利要求1所述的一种外环面的密集长方形环焊缝的电子束焊接方法,其特征在于：所述外环面为机匣外环面，所述插入长方形孔的焊接件头部为支板头。

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