CN109514084A - 带筋壁板结构的焊接工装及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光焊接制造技术领域，涉及一种带筋壁板结构的焊接工装及其焊接方法。该焊接工装包括底胎、立筋夹紧装置和控制系统，其中，底胎包括用于放置壁板的承载平面，在所述底胎上设有真空吸附结构，用于将所述壁板吸附在所述底胎上；立筋夹紧装置包括气缸、L型压梁和压块，所述气缸安装在所述L型压梁的横梁上，所述气缸的活塞杆与所述压块连接，所述压块与所述L型压梁的竖梁之间留有立筋的装夹间隙，所述压块上设有安装立筋顶端的限位槽，立筋的底端可从其装夹间隙伸出；控制系统与所述气缸连接并控制所述气缸的伸缩运动，使所述压块能在伸缩时双向对立筋施压。

Description

带筋壁板结构的焊接工装及其焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接制造技术领域，特别是涉及一种带筋壁板结构的焊接工装及其焊接方法。

背景技术

如图1所示为一种常用的带筋壁板结构，钛合金带筋壁板结构由于其优良的结构稳定性与轻量化优势在飞机、火箭等飞行器的蒙皮类结构中得到广泛应用。目前，先进的钛合金带筋壁板结构的制造方法是，采用热成形的方法成形出所需型面，采用双光束激光焊接的方法将加强筋条与蒙皮焊接在一起。

在钛合金带筋壁板结构的焊接中，双光束激光焊接技术能够实现加强筋结构与蒙皮高质量的“净连接”，且不会对蒙皮穿透性的破坏结构完整性好。激光双光束焊接由于其工艺特点的原因，要求在焊接时立筋与蒙皮之间的间隙一般不大于0.1mm，因此双光束焊前装配时一般会采用压梁、压块方式使得立筋与蒙皮贴合，工程实践中，由于立筋上顶压力较大而经常导致蒙皮背面产生较为明显的棱线，严重时棱线凸起0.1～0.3mm。另一方面，对于薄壁构件尤其是蒙皮厚度小于3mm时，立筋角焊缝凝固过程中，会在近场形成较大的拉应力，使得蒙皮近焊缝区出现向内的角变形，如图2所示。

现有技术中，焊接角变形的控制方法一般是焊前采用工装模具对壁板进行强行约束，焊接时调整工艺参数减少热输入。但是，薄壁钣金件本身刚性较差，焊前装配时必须采用一定的顶压力使得立筋与壁板贴合，激光双光束焊接时在熔池附近材料状态为热塑性区域，因此会在蒙皮壁板的背面产生明显棱线。需要在焊后热处理校形，一般采用上、下型面压合方式，对于大型面的校形效果良好，但是T型接头背面棱线为微区变形，而且T型接头区域刚性极大，采用热处理方式对T型接头背面棱线进行校形效果不佳。

因此，发明人提供了一种带筋壁板结构的焊接工装及其焊接方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种带筋壁板结构的焊接工装及其焊接方法，能够解决因焊前装配压应力导致立筋与蒙皮面板在双光束焊中出现的角变形和棱线问题。

第一方面，本发明的实施例提出了一种带筋壁板结构的焊接工装，该焊接工装包括：

底胎，包括用于放置壁板的承载平面，在所述底胎上设有真空吸附结构，用于将所述壁板吸附在所述底胎上；

立筋夹紧装置，包括气缸、L型压梁和压块，所述气缸安装在所述L型压梁的横梁上，所述气缸的活塞杆与所述压块连接，所述压块与所述L型压梁的竖梁之间留有立筋的装夹间隙，所述压块上设有安装立筋顶端的限位槽，立筋的底端可从其装夹间隙伸出；

控制系统，与所述气缸连接并控制所述气缸的伸缩运动，使所述压块能在伸缩时双向对立筋施压。

优选地，所述真空吸附结构为在所述底胎上开有多个通向承载平面的气槽。

优选地，所述压块上的限位槽距离所述压块底端的高度小于立筋的高度。

优选地，所述立筋为L型结构，所述压块与所述L型压梁的竖梁之间留有竖向的一字型装夹间隙，所述压块上的限位槽为横向的一字型限位槽，横向的一字型限位槽与竖向的一字型装夹间隙连通且形成L型装夹槽，用于装夹L型结构的立筋。

优选地，所述横向的一字型限位槽的槽宽大于装夹的立筋相应部位的板厚。

优选地，所述L型压梁的竖梁与所述压块的底端平齐。

优选地，所述立筋夹紧装置有多套，所述控制系统为工控机，所述工控机分别连接并控制每套所述立筋夹紧装置的气缸。

优选地，所述底胎、所述L型压梁和所述压块均采用Q235钢材制备。

第二方面，提供了一种采用第一方面的带筋壁板结构的焊接工装的焊接方法，该方法包括：

安装壁板，采用真空吸附法将蒙皮壁板吸附安装在所述底胎上；

装夹立筋，将立筋安装在所述压块与所述压梁的竖梁之间的装夹间隙中，使所述立筋的顶端安装在所述限位槽中，立筋的底端从装夹间隙中伸出，便于与蒙皮壁板焊接；

施压初焊接，所述控制系统控制所述气缸的活塞杆伸出，带动所述压块下压立筋，使所述立筋的底端压紧在所述蒙皮壁板上，对焊接部位依次进行点焊和封焊；

卸压双光束焊接，在上述封焊完成后，所述控制系统控制所述气缸的活塞杆缩回，所述立筋的顶端受所述压块限位槽向上作用力，对立筋两侧的焊接部位进行双光束焊接，，当焊接熔池进行到立筋的焊接部位时，将该焊接立筋对应的气缸的作用力调节为0。

优选地，在所述施压初焊接的步骤中，所述立筋的底端压紧在所述蒙皮壁板上时，使所述蒙皮壁板与所述底胎的承载面之间的贴合度不大于0.1mm，并且，在所述卸压双光束焊接步骤中，需保持其余位置的立筋对应的气缸作用力F，0≦F≦20N，将焊接立筋对应的气缸作用力调节为0，当焊接熔池离开立筋的焊接部位是，将该立筋对应的气缸作用力恢复为F。

综上，本发明设计了立筋夹紧装置，通过控制系统控制气缸的活塞杆伸缩运动，从而能驱动压块相对于L型压梁在特定范围内上下往复运动，使立筋的顶端翻边始终处于限位槽的空间内，限位槽的槽顶面或槽底面挤压立筋的顶端翻边，实现了对立筋的双向施压，能够根据不同焊接工艺操作调节立筋上的作用力方向和大小，从而解决了焊接区因压力太大出现的角变形问题，此外，在采用双光束焊接方法将立筋焊接在壁板上时，通过调控气缸的压力大小而调控立筋的受力，解决了壁板在焊接部位背面的棱线问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种常见的带筋壁板结构示意图。

图2是立筋与蒙皮壁板焊接的T型接头角变形示意图。

图3是本发明实施例的带筋壁板结构的焊接工装的使用场景示意图。

图中：

1-底胎；2-壁板；3-立筋；4-L型压梁；5-气缸；6-压块；7-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示的钛合金带筋壁板结构常见于航空、航天工程应用中，立筋与蒙皮壁板焊接部位形成T型接头，对于这种焊接T型接头而言，双光束激光焊接技术能够实现立筋与蒙皮壁板高质量的“净连接”，且不会对蒙皮穿透性的破坏结构完整性好。同时也要求T型接头焊接时立筋与蒙皮之间的间隙一般不大于0.1mm，因此双光束焊前装配时一般会采用压梁、压块方式使得立筋与蒙皮贴合。采用现有技术的焊接装配方式时，如图2所示，T型接头角焊缝凝固过程中在近场形成较大的拉应力，使得蒙皮近焊缝区出现向内的角变形。为了控制焊接角变形，焊前装配和焊后热处理校形都容易在T型接头背面产生棱线，影响焊接结构件的质量。

本发明提供了如图3中所示的一种带筋壁板结构的焊接工装，该焊接工装至少包括了底胎1、立筋夹紧装置(至少包括气缸5、L型压梁4和压块6)以及控制系统7。其中，底胎1包括用于放置蒙皮壁板2的承载平面，在底胎1上设有真空吸附结构，用于将壁板2吸附在底胎1上。立筋夹紧装置包括气缸5、L型压梁4和压块6，气缸5安装在L型压梁4的横梁上，气缸5的活塞杆与压块6连接，压块6与L型压梁4的竖梁之间留有立筋3的装夹间隙，压块6上设有安装立筋3顶端的限位槽，立筋3的底端可从立筋的装夹间隙伸出。控制系统与气缸5连接并控制气缸5的伸缩运动，使压块6能在伸缩时双向对立筋3施压。

需要说明的是，作为一种可选实施例，根据实际焊接需求，本发明的焊接工装中可以设置一组或者一组以上的多组立筋夹紧装置，如图3所示的实施例中设置有3组立筋夹紧装置，以便提高焊接效率和焊接质量。其中每组的气缸5均分别与控制系统7连接，控制系统7可以单独分别控制各个气缸5的独立运动，以满足针在不同焊接部位焊接时，对立筋3的独立夹装控制。

此外，如图3所示，本发明的焊接装置的使用场景中，采用了钛合金材质的立筋3和蒙皮壁板2，但采用本发明焊接装置不限于钛合金材质的带筋壁板结构的焊接，还可以拓展应用于其他类似焊接结构和焊接方法中。

具体实施时，立筋夹紧装置中的L型压梁4可以通过支架等固定件固定，使得L型压梁4相对于底胎1的位置固定，通过控制气缸5的活塞杆伸缩运动，从而能驱动压块6相对于L型压梁4在特定范围内上下往复运动，使立筋3的顶端边始终处于限位槽的空间内，限位槽的槽顶面或槽底面挤压立筋的顶端翻边，实现了对立筋的双向施压，能够根据不同焊接工艺操作调节立筋3上施加的作用力方向和大小，从而解决了焊接区因压力产生了的角变形和棱线问题，当气缸5的活塞杆向下推压块6时，压块6中限位槽的槽顶面挤压立筋3的顶端端面，立筋3受竖直向下的挤压力而压紧在蒙皮壁板2上，同时蒙皮壁板2也压紧在底胎1的承载平面上。

进一步地，真空吸附结构为在底胎1上开有多个通向承载平面的气槽。采用本发明的焊接工装时，通过气槽抽真空的方式，将底胎1的承载平面与蒙皮壁板2之间的间隙抽成真空，从而能将蒙皮壁板2吸附在底胎1的承载平面上，以便实现蒙皮壁板2与底胎1的承载面之间的贴合度不大于0.1mm。

进一步地，压块6上的限位槽距离压块6底端的高度小于立筋的高度。以便立筋的底端能够从压块6的底端面伸出，从而能够接触到蒙皮面板。

进一步地，本发明主要针对L型结构的立筋3和蒙皮壁板2的双光束焊接，压块6与L型压梁4的竖梁之间留有竖向的一字型装夹间隙，压块6上的限位槽为横向的一字型限位槽，横向的一字型限位槽与竖向的一字型装夹间隙连通且形成L型装夹槽，用于装夹L型结构的立筋。

横向的一字型限位槽的槽宽大于装夹的立筋3相应部位的板厚。便于气缸5拉动压块6上下运动时，L型立筋3的翻边始终能处于该横向的一字型限位槽中。

需要说明的是，L型压梁的竖梁与压块的底端平齐。保证了立筋3能从立筋夹紧装置的装夹间隙中伸出接触到蒙皮壁板2，实现了立筋3的可靠安装压紧，同时在后续操作中，能确保立筋夹紧装置不会干涉立筋3两侧的双光束焊接操作。

作为其他可选实施例，底胎1、L型压梁4和压块6均可以采用Q235钢材制备，控制系统7可以采用工控机，气缸5可以采用市场常用的货架产品，其压力调节范围需能满足立筋的双面施压要求。

本发明的第二方面还提供了一种带筋壁板结构的焊接方法，该焊接方法采用前述的焊接工装，焊接方法包括以下步骤S110～步骤140：

步骤S110为安装壁板，采用真空吸附法将蒙皮壁板吸附安装在底胎上。

步骤S120为装夹立筋，将立筋安装在压块与压梁的竖梁之间的装夹间隙中，使立筋的顶端安装在限位槽中，立筋的底端从装夹间隙中伸出，便于与蒙皮壁板焊接。

步骤S130为施压初焊接，控制系统控制气缸的活塞杆伸出，带动压块下压立筋，使立筋的底端压紧在蒙皮壁板上，对焊接部位依次进行点焊和封焊。

步骤S140为卸压双光束焊接，在上述封焊完成后，控制系统控制气缸的活塞杆缩回，立筋的顶端受压块限位槽向上作用力，对立筋两侧的焊接部位进行双光束焊接，，当焊接熔池进行到立筋的焊接部位时，将该焊接立筋对应的气缸的作用力调节为0。

具体地，本方法实施例中采用TC4钛合金为带筋壁板结构的焊接母材，TC4钛合金的蒙皮壁板2厚度为2mm，立筋为1.5mm的TC4钛合金采用热成型方式，成型出所需的L形翻边结构，并采用机械加工方式加工出焊接端面。

参见图3所示，焊接工装采用了Q235钢材制备了底胎1、L型压梁4和6压块，底胎1上具有真空吸附结构的气槽，气缸5采用市场成熟的货架产品，压力可调节范围为0～50N。工控机的控制系统7连接并控制各个气缸5。

在双光束焊接前，首先将蒙皮壁板2与立筋3装在底胎1，采用真空吸附法将蒙皮壁板2吸附固定到底胎1上，此时工控机发出指令，气缸5同时施加1～30N的向下压力，此时检查立筋3与蒙皮壁板2的贴合状态，要求贴合度不大于0.1mm。然后采用小功率对立筋焊接的T型接头角焊缝位置进行点焊(功率500W～600W、间距30mm)、封焊(功率500W～7000W，速度5m/min～8m/min)。封焊完成后工控机发出指令，全部气缸向上施加0～20N的反作用力，然后可进行双光束焊接。需要说明的是，具体施加力的大小需根据实际操作情况而设定。

在双光束焊接时，当焊接熔池行进到单个压块6下方对应的立筋3的焊接部位时，气缸5的作用力调节为0，其余位置的气缸保持前述向上反作用力不变，当焊接熔池离开焊接立筋3的焊接部位时，此处的气缸恢复到之前的作用力。采用本发明的焊接方法焊接完成后，测量可知，T型接头背面棱线(或角变形量)与原工艺对比新方法角变形较少40％以上。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法实施例而言，相关之处可参见工作实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，包括：

底胎，包括用于放置壁板的承载平面，在所述底胎上设有真空吸附结构，用于将所述壁板吸附在所述底胎上；

立筋夹紧装置，包括气缸、L型压梁和压块，所述气缸安装在所述L型压梁的横梁上，所述气缸的活塞杆与所述压块连接，所述压块与所述L型压梁的竖梁之间留有立筋的装夹间隙，所述压块上设有安装立筋顶端的限位槽，立筋的底端可从其装夹间隙伸出；

控制系统，与所述气缸连接并控制所述气缸的伸缩运动，使所述压块能在伸缩时双向对立筋施压。

2.根据权利要求1所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述真空吸附结构为在所述底胎上开有多个通向承载平面的气槽。

3.根据权利要求1所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述压块上的限位槽距离所述压块底端的高度小于立筋的高度。

4.根据权利要求1所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述立筋为L型结构，所述压块与所述L型压梁的竖梁之间留有竖向的一字型装夹间隙，所述压块上的限位槽为横向的一字型限位槽，横向的一字型限位槽与竖向的一字型装夹间隙连通且形成L型装夹槽，用于装夹L型结构的立筋。

5.根据权利要求4所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述横向的一字型限位槽的槽宽大于装夹的立筋相应部位的板厚。

6.根据权利要求4所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述L型压梁的竖梁与所述压块的底端平齐。

7.根据权利要求1-6任一项所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述立筋夹紧装置有多套，所述控制系统为工控机，所述工控机分别连接并控制每套所述立筋夹紧装置的气缸。

8.根据权利要求7所述的带筋壁板结构的焊接工装，其特征在于，所述底胎、所述L型压梁和所述压块均采用Q235钢材制备。

9.带筋壁板结构的焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的焊接工装，所述焊接方法包括：

安装壁板，采用真空吸附法将蒙皮壁板吸附安装在所述底胎上；

装夹立筋，将立筋安装在所述压块与所述压梁的竖梁之间的装夹间隙中，使所述立筋的顶端安装在所述限位槽中，立筋的底端从装夹间隙中伸出，便于与蒙皮壁板焊接；

施压初焊接，所述控制系统控制所述气缸的活塞杆伸出，带动所述压块下压立筋，使所述立筋的底端压紧在所述蒙皮壁板上，对焊接部位依次进行点焊和封焊；

卸压双光束焊接，在上述封焊完成后，所述控制系统控制所述气缸的活塞杆缩回，所述立筋的顶端受所述压块限位槽向上作用力，对立筋两侧的焊接部位进行双光束焊接，，当焊接熔池进行到立筋的焊接部位时，将该焊接立筋对应的气缸的作用力调节为0。

10.根据权利要求9所述的带筋壁板结构的焊接方法，其特征在于，所述施压初焊接的步骤中，所述立筋的底端压紧在所述蒙皮壁板上时，使所述蒙皮壁板与所述底胎的承载面之间的贴合度不大于0.1mm，并且，在所述卸压双光束焊接步骤中，需保持其余位置的立筋对应的气缸作用力F，0≦F≦20N，将焊接立筋对应的气缸作用力调节为0，当焊接熔池离开立筋的焊接部位是，将该立筋对应的气缸作用力恢复为F。