CN109454333A - 旋压件环缝激光-gma复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种旋压件环缝激光‑GMA复合焊接方法，针对固体火箭发动机旋压壳体电弧焊接工艺在精度、质量、效率、成本等方面面临的一系列问题，提出了激光‑GMA复合焊接工艺，不仅打底焊接质量稳定性更高，未焊透、焊瘤等缺陷抑制能力更强；取消了预热工序，焊接速度更快，焊接层数更少，焊缝背面不需要打磨，生产效率更高；由于焊接时间短且不需要预热，减少了焊丝和保护气体的使用，减少了热处理，明显降低了生产成本；焊接过程不需要操作人员紧盯焊接过程，避免弧光照射，不需要操作人员钻进壳体内部进行打磨操作，规避了狭窄闷热，粉尘恶劣的工作环境，明显提高了生产过程中工作人员的舒适程度。
Description
技术领域
本发明涉及激光-GMA复合焊接领域，具体地，涉及一种旋压件的环缝结构激光-GMA复合焊接方法。
背景技术
高强钢及超高强钢凭借优越的性能和较低的成本在航天产品上得到了广泛的应用。对于厚板高强钢及超高强钢的焊接，国内主要采用开大坡口，焊前预热且多层TIG填丝焊接而成，相对来说，制造精度和效率一致难以有根本提高，且能耗较高，预热也会造成工人操作环境恶劣。
专利文献CN101367157B公开了一种焊接高强或超高强钢厚板的焊接方法，针对平板结构，采用激光-MAG复合焊接工艺，对厚板拼焊件采用开60°“V”型坡口或开设60°“X”型坡口的方式，指出了15mm以下的高强钢可以不预热焊接，为高强钢的焊接指明了原理性的方向。
目前，高强钢旋压件凭借无纵缝，表面压应力状态好的优势，在固体火箭发动机壳体上得到了广泛应用。但目前主要采用电弧焊接工艺生产壳体，且TIG填丝多道焊接工艺需要焊前预热工序，效率低下且变形较大。同时，由于焊缝背面要求较高，一般后续的打磨工作量较大；对于尺寸较大的壳体，有时还需要操作人员钻进壳体内部进行打磨操作，工作环境狭窄闷热，粉尘恶劣。
专利文献CN107363408A公开了一种导弹高强钢壳体环缝激光电弧复合焊接设备，为进一步的高强钢旋压件环缝激光电弧复合焊接工艺开发奠定了装备条件基础。与之相应的，提出一种旋压件环缝的焊接方法具有较高的实用价值和必要性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法。
根据本发明提供的一种旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，包括如下步骤：
环缝对接坡口设计步骤：根据产品厚度设计得到环缝对接坡口的第一参数；
结构件制备步骤：旋压制备出结构件；
结构件处理步骤：将旋压制备出的结构件机械加工至满足第一参数，并清理坡口；
结构件装配步骤：将结构件装配到变位机上；
调整步骤：借助第一工具，调整第二参数；
点固步骤：通过点焊固定环焊缝；
焊接准备步骤：根据结构件的形貌和焊接要求，编制变位机的运动程序，并设置激光-GMA复合热源参数；
焊接步骤：打开变位机和复合热源，根据焊接准备步骤中得到的运动程序和复合热源参数，实现环缝结构的焊接；
保温步骤：打开加热器，加热焊缝并完成保温过程后，关闭加热器并进行冷却；
其中，所述环缝对接坡口为Y型坡口，第一参数包括坡口钝边尺寸和坡口角度；所述结构件为待环缝焊接的组件；所述第一工具包括工装、百分表以及塞尺中的任一种或任多种组合，第二参数包括直线度、圆度以及间隙中的任一种或任多种组合。
优选地，所述第一参数的坡口钝边尺寸为1mm～2mm，坡口角度为单边10°～30°。
优选地，所述结构件处理步骤中，清理坡口的方式包括吹砂清理、酒精擦拭以及激光清洗中的任一种或任多种组合，其中，所述吹砂清理是指，利用压缩空气把石英砂高速吹出以对零件表面进行清理的一种方法。
优选地，所述结构件装配步骤中，变位机为双卡盘结构的数控旋转变位机。
优选地，所述第一工具中的工装包括液压内撑工装和/或机械外箍工装。
优选地，所述调整步骤中，第二参数满足：
圆度小于0.3mm；
直线度小于0.3mm；
最大间隙小于0.5mm。
优选地，所述点固步骤中，采用激光焊接工艺，激光焊接工艺的参数如下：
激光功率：500W～2000W；
焊接速度：0.5m/min～5m/min；
焊点长度：5mm～20mm。
优选地，所述焊接步骤中的激光-GMA复合焊接焊缝能完全覆盖点固步骤中的焊点，焊接准备步骤中激光-GMA复合热源参数如下：
激光功率1kW～10kW；
电弧电流60A～200A；
光丝间距0mm～6mm；
焊接速度0.5m/min～2m/min；
离焦量为-5mm～+5mm。
优选地，所述焊接准备步骤中，运动程序包括打底焊程序和盖面焊程序；所述打底焊程序和盖面焊程序均采用激光在前、电弧在后的复合位置关系；激光束采用竖直向下的下坡焊接姿态，作用在环缝结构的11点钟方向；
其中，所述下坡焊姿态是指在待焊工件倾斜放置的情况下，自高处向低处进行焊接的姿态。
优选地，所述保温步骤中，采用感应加热方式进行加热，并且加热过程须在焊接完成后十分钟内进行。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法通过采用激光-GMA复合焊接工艺，大幅度的提高了效率，取消预热工序，焊接速度更快，焊接层数更少，焊缝背面不需要打磨，大幅度提升焊接工序效率；
2、本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，焊接穿透性强、焊缝窄，时激光束采用竖直状态的下坡焊接，在抑制未焊透、焊瘤等缺陷方面表现更好，尤其是打底焊接时的成形更均匀可靠，大幅提升一次焊接合格率，有效提升焊接质量的稳定性；
3、本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，由于焊接时间短且不需要预热，减少了焊丝和保护气体的使用，减少了热处理成本。
4、本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，由于焊接过程不需要操作人员紧盯焊接过程，避免弧光照射，不需要操作人员钻进壳体内部进行打磨操作，规避了狭窄闷热，粉尘恶劣的工作环境，有效提升了生产人员的工作环境舒适程度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法优选例的焊接示意图；
图2为本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法优选例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，包括如下步骤：
环缝对接坡口设计步骤：根据产品厚度设计得到环缝对接坡口的第一参数；
结构件制备步骤：旋压制备出结构件；
结构件处理步骤：将旋压制备出的结构件机械加工至满足第一参数，并清理坡口；
结构件装配步骤：将结构件装配到变位机上；
调整步骤：借助第一工具，调整第二参数；
点固步骤：通过点焊固定环焊缝；
焊接准备步骤：根据结构件的形貌和焊接要求，编制变位机的运动程序，并设置激光-GMA复合热源参数；
焊接步骤：打开变位机和复合热源，根据焊接准备步骤中得到的运动程序和复合热源参数，实现环缝结构的焊接；
保温步骤：打开加热器，加热焊缝并完成保温过程后，关闭加热器并进行冷却；
其中，所述环缝对接坡口为Y型坡口，第一参数包括坡口钝边尺寸和坡口角度；所述结构件为待环缝焊接的组件；所述第一工具包括工装、百分表以及塞尺中的任一种或任多种组合，第二参数包括直线度、圆度以及间隙中的任一种或任多种组合。
优选地，所述第一参数的坡口钝边尺寸为1mm～2mm，坡口角度为单边10°～30°，更为优选的，坡口角度为单边29°。所述结构件处理步骤中，清理坡口的方式包括吹砂清理、酒精擦拭以及激光清洗中的任一种或任多种组合，其中，所述吹砂清理是指，利用压缩空气把石英砂高速吹出以对零件表面进行清理的一种方法，不仅去锈，还可以顺带除油和污渍。所述结构件装配步骤中，变位机为双卡盘结构的数控旋转变位机。所述第一工具中的工装包括液压内撑工装和/或机械外箍工装。所述调整步骤中，第二参数满足：
圆度小于0.3mm；
直线度小于0.3mm；
最大间隙小于0.5mm。
具体地，所述点固步骤中，采用激光焊接工艺，激光焊接工艺的参数如下：
激光功率：500W～2000W；
焊接速度：0.5m/min～5m/min；
焊点长度：5mm～20mm。
所述焊接步骤中的激光-GMA复合焊接焊缝能完全覆盖点固步骤中的焊点，焊接准备步骤中激光-GMA复合热源参数如下：
激光功率1kW～10kW；
电弧电流60A～200A；
光丝间距0mm～6mm；
焊接速度0.5m/min～2m/min；
离焦量为-5mm～+5mm。
所述焊接准备步骤中，运动程序包括打底焊程序和盖面焊程序；所述打底焊程序和盖面焊程序均采用激光在前、电弧在后的复合位置关系；激光束采用竖直向下的下坡焊接姿态，作用在环缝结构的11点钟方向；其中，所述下坡焊姿态是指在待焊工件倾斜放置的情况下，自高处向低处进行焊接的姿态。所述保温步骤中，采用感应加热方式进行加热，并且加热过程须在焊接完成后十分钟内进行。
进一步地，本发明提供的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法中，GMA(gas metal-arc welding，熔化极气体保护焊)是指以连续填充金属极(熔化极)和工件之间的电弧加热,从而获得结合的弧焊方法，保护方法是采用单一气体、混合气体(可包括某一惰性气体),或焊剂和气体的混合保护。
更进一步地，本发明的优选例针对30CrMnSiA高强钢固体火箭发动机壳体环缝的焊接，其主要步骤如下：
(1)坡口设计：壁厚7mm，钝边1.5mm，坡口单边角度29°；
(2)采用旋压技术制备筒段，并在筒段的端部制备坡口；
(3)用酒精擦拭清理坡口；
(4)在带液压内撑工装的环缝变位机上，装配和调整筒段，用百分表测量直线度和圆度并将直线度和圆度控制在0.3mm以内；用塞尺测量间隙并将最大间隙控制在0.5mm以内；
(5)采用激光焊接工艺，沿着环缝点焊6个点，激光功率1000W，焊接速度1m/min，焊点长度10mm；
(6)编制运动参数并设置热源参数：激光-MAG复合焊枪从11点钟位置开始焊接，激光在前电弧在后，激光功率等主要参数如表1所示，然后通过程序控制，打开数控变位机和热源实现焊接过程。
(7)采用感应加热器，将焊缝及其附近加热到200℃，保温20分钟，然后自然冷却到室温。
其中，热源输出和旋转变位采用软件集中控制方式。
表1
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
环缝对接坡口设计步骤：根据产品厚度设计得到环缝对接坡口的第一参数；
结构件制备步骤：旋压制备出结构件；
结构件处理步骤：将旋压制备出的结构件机械加工至满足第一参数，并清理坡口；
结构件装配步骤：将结构件装配到变位机上；
调整步骤：借助第一工具，调整第二参数；
点固步骤：通过点焊固定环焊缝；
焊接准备步骤：根据结构件的形貌和焊接要求，编制变位机的运动程序，并设置激光-GMA复合热源参数；
焊接步骤：打开变位机和复合热源，根据焊接准备步骤中得到的运动程序和复合热源参数，实现环缝结构的焊接；
保温步骤：打开加热器，加热焊缝并完成保温过程后，关闭加热器并进行冷却；
其中，所述环缝对接坡口为Y型坡口，第一参数包括坡口钝边尺寸和坡口角度；所述结构件为待环缝焊接的组件；所述第一工具包括工装、百分表以及塞尺中的任一种或任多种组合，第二参数包括直线度、圆度以及间隙中的任一种或任多种组合。
2.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述第一参数的坡口钝边尺寸为1mm～2mm，坡口角度为单边10°～30°。
3.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述结构件处理步骤中，清理坡口的方式包括吹砂清理、酒精擦拭以及激光清洗中的任一种或任多种组合，其中，所述吹砂清理是指，利用压缩空气把石英砂高速吹出以对零件表面进行清理的一种方法。
4.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述结构件装配步骤中，变位机为双卡盘结构的数控旋转变位机。
5.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述第一工具中的工装包括液压内撑工装和/或机械外箍工装。
6.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述调整步骤中，第二参数满足：
圆度小于0.3mm；
直线度小于0.3mm；
最大间隙小于0.5mm。
7.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述点固步骤中，采用激光焊接工艺，激光焊接工艺的参数如下：
激光功率：500W～2000W；
焊接速度：0.5m/min～5m/min；
焊点长度：5mm～20mm。
8.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述焊接步骤中的激光-GMA复合焊接焊缝能完全覆盖点固步骤中的焊点，焊接准备步骤中激光-GMA复合热源参数如下：
激光功率1kW～10kW；
电弧电流60A～200A；
光丝间距0mm～6mm；
焊接速度0.5m/min～2m/min；
离焦量为-5mm～+5mm。
9.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述焊接准备步骤中，运动程序包括打底焊程序和盖面焊程序；所述打底焊程序和盖面焊程序均采用激光在前、电弧在后的复合位置关系；激光束采用竖直向下的下坡焊接姿态，作用在环缝结构的11点钟方向；
其中，所述下坡焊姿态是指在待焊工件倾斜放置的情况下，自高处向低处进行焊接的姿态。
10.根据权利要求1所述的旋压件环缝激光-GMA复合焊接方法，其特征在于，所述保温步骤中，采用感应加热方式进行加热，并且加热过程须在焊接完成后十分钟内进行。
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