CN109877433A - 一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法及焊接工装 - Google Patents

Abstract

一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法及焊接工装，所述工装包括底座、工装压板、至少两个定位柱和至少两个固定件，底座为两端开口的筒状结构，且内腔设有安装板，定位柱的第一端固定在安装板上，定位柱的第二端设有定位孔，工装压板通过至少两个固定件与安装板固定连接，焊接时，将至少两个对接接头的第一端各插入一个定位孔中，将至少两个对接接头的第二端与钛合金薄板上的通孔一一对应装配，将工装压板压在钛合金薄板上，通过至少两个固定件压紧固定钛合金薄板，工装压板的热导率大于钛合金薄板的热导率。该方法保证焊缝熔深和精密成型，确保得到熔深达到0.6mm且焊接接头平整、各部位不变形的产品。

Description

一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法及焊接 工装

技术领域

本发明涉及一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

新型号姿轨控液体火箭发动机表面张力贮箱中推进剂管理装置毛细元件的角杯压板与支撑柱需要通过焊接的方式连接。该焊接件是导弹末修姿控动力系统的重要结构元件，也是表面张力贮箱的重要功能件。表面张力贮箱主要功能是在发动机工作时，通过推进剂管理装置，在规定的流量和加速度条件下,为发动机工作的各个阶段提供无夹气的推进剂。角杯是管理装置通道组件的关键部件。角杯压板与支撑柱采用TC4钛合金材料，材料比强度高、韧性好、耐蚀性好、热强度高，钛金属具有较低的热传导率，较小的导热系数和弹性模量，在焊接过程中钛合金结构变形量较大，在薄板结构(通常厚度为0.8～1.5mm)中表现更加明显，钛合金与氧、氮、碳、氢具有很强的结合力，惰性气体保护对钛合金结构件的焊接至关重要。

角杯中要求焊接接头熔深不小于0.6mm，焊后焊接表面与基体应平齐，发明人在实现本发明的过程中发现，焊接过程中，热输入量过大会使1.0mm角杯压板变形，焊接接头不平整，与基体不平齐，并烧豁内部筋，反之，热输入量太小，焊接接头熔深达不到0.6mm要求，焊缝强度不够。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法及焊接工装，该方法保证焊缝熔深和精密成型，确保得到熔深达到0.6mm且焊接接头平整、各部位不变形的产品。

本发明的技术解决方案是：

一种焊接工装，包括底座、工装压板、至少两个定位柱和至少两个固定件，所述底座为两端开口的筒状结构，且内腔设有安装板，所述定位柱的第一端固定在所述安装板上，所述定位柱的第二端设有定位孔，所述工装压板通过所述至少两个固定件与所述安装板固定连接，焊接时，将至少两个对接接头的第一端各插入一个所述定位孔中，将所述至少两个对接接头的第二端与钛合金薄板上的通孔一一对应装配，将所述工装压板压在所述钛合金薄板上，通过所述至少两个固定件压紧固定所述钛合金薄板，所述工装压板的热导率大于所述钛合金薄板的热导率。

在一可选实施例中，所述的焊接工装还包括下盖板，所述安装板设置在所述底座的中部，并将所述底座的内腔分割成上、下两部分，所述安装板上还设有至少一个气流通孔，所述气流通孔位于相邻的两个所述定位柱之间，所述下盖板从所述底座下端封堵所述底座，所述下盖板与所述安装板之间形成气体缓冲腔，所述底座的侧壁上设有进气管，所述进气管与所述气体缓冲腔连通，用于向所述焊接工装内通保护气体。

在一可选实施例中，所述气流通孔上设有滤网。

在一可选实施例中，所述安装板的下侧面中部位置设有固定凸起，所述固定凸起探出所述内腔。

在一可选实施例中，所述安装板上设有至少两个凸起，所述定位柱第一端设有装配孔，所述定位柱通过与所述凸起过盈配合实现与所述底座的固定连接。

在一可选实施例中，所述的焊接工装包括沿所述底座圆周均布的三个所述定位柱，所述工装压板为Y字型板状结构，所述工装压板的三个分支分别位于相邻的两个所述定位柱之间。

在一可选实施例中，所述的焊接工装还包括上盖板，从所述底座上端封堵所述底座，所述上盖板与所述安装板之间形成所述对接接头和钛合金薄板的容纳腔。

在一可选实施例中，所述工装压板的热导率为所述钛合金薄板热导率的6～16倍。

一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，所述具钛合金薄板具有至少两个通孔，所述对接接头与所述通孔一一对应，采用上述焊接工装定位固定所述对接接头和钛合金薄板后，进行焊接。

在一可选实施例中，进行等离子焊接，且焊枪对准所述对接接头第二端端面的中心位置进行间接施焊，使所述对接接头和对应的所述通孔的接触圆上一次性形成环焊缝。

在一可选实施例中，所述对接接头的第二端外径比对应的所述钛合金薄板上的通孔的直径小0.02～0.04mm。

在一可选实施例中，所述对接接头的第二端直径为2.8～4mm，所述钛合金薄板的厚度为0.8～1.5mm。

在一可选实施例中，所述的等离子焊接，焊枪喷嘴与所述对接接头第二端端面的轴向距离为6～7mm，焊接电流40A～45A，离子气流量0.40L/min～0.50L/min，点焊停留时间2s～5s。

在一可选实施例中，焊接前，采用酸液对所述对接接头和钛合金薄板进行清洗，清洗时间为15～30s，清洗液温度18～22℃，所述酸液由以下体积百分含量的组分组成：

20～30％HNO₃、3～5％HF，余量为水。

在一可选实施例中，进行焊接时，先通过进气管向所述焊接工装内通保护气体，再进行焊接，焊接完成后立刻盖上所述上盖板，并持续通保护气体，直至所述焊接工装温度降至室温。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明实施例提供的焊接工装，在焊前通过定位柱和工装压板配合实现对待焊接部件的定位固定，使焊缝在成型过程受到拘束，减少焊后结构变形，同时由于工装压板的热导率高于钛合金薄板的热导率，通过调节定位柱和工装压板材料控制焊接散热量，调节焊接热输入量，保证焊缝熔深和精密成型，确保得到熔深达到0.6mm且焊接接头平整、各部位不变形的产品；该焊接工装定位准确，能够确保各焊接部位质量一致性好、批次质量稳定。

(2)通过从底座侧壁上通保护气体，使保护气体进入气体缓冲腔后进行缓冲，之后才通过气流通孔进入待焊接部位所在空腔，该方法降低了气体流速，避免了由于气流量太大导致的焊缝表面难以成形，减少或避免了由于气流卷入焊缝形成的气孔。

(3)通过设置滤网可以进一步均匀分散气流，避免气孔的形成，使焊接接头外观质量一致性好、每个接头均能达到QJ1666A-2011《钛合金熔焊技术条件》Ⅰ级要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的焊接工装与待焊接件装配后的示意图；

图2是本发明一实施例提供的定位柱结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的工装压板结构示意图；

图4是本发明一具体实施例提供的具有通孔的钛合金薄板与对接接头结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种焊接工装，包括底座6、工装压板4、至少两个定位柱3和至少两个螺栓8(固定件)，如图1所示，所述底座6为两端开口的筒状结构，且内腔设有安装板61，将底座内腔分隔成上下两部分，安装板61既可以与底座外壳体一体成型，也可以与底座壳体可拆卸固定连接，所述定位柱3的第一端固定在所述安装板61上，如图2所示，所述定位柱3的第二端设有定位孔31，所述工装压板4通过所述至少两个螺栓8与所述安装板61固定连接，焊接时，将至少两个对接接头2的第一端各插入一个所述定位孔31中，将所述至少两个对接接头2的第二端与钛合金薄板1上的通孔一一对应装配，形成环形对接接缝，将所述工装压板4压在所述钛合金薄板1上，通过所述至少两个螺栓8压紧固定所述钛合金薄板1，所述工装压板4的热导率大于所述钛合金薄板1的热导率，且装配后，待焊接部位外漏，优选通过等离子焊接。

具体地，所述对接接头为柱状结构，第二端优选为圆柱结构。

本发明实施例提供的焊接工装，在焊前通过定位柱和工装压板配合实现对待焊接部件的定位固定，使焊缝在成型过程受到拘束，减少焊后结构变形，同时由于工装压板的热导率高于钛合金薄板的热导率，通过调节定位柱的排布和工装压板材料控制焊接散热量，调节焊接热输入量，保证焊缝熔深和精密成型，确保得到熔深达到0.6mm且焊接接头平整、各部位不变形的产品；该焊接工装定位准确，能够确保各焊接部位质量一致性好、批次质量稳定。

在一可选实施例中，所述的焊接工装，还包括下盖板7，所述安装板61设置在所述底座6的中部，并将所述底座6的内腔分割成上、下两部分，所述安装板61上还设有至少一个气流通孔611，所述气流通孔611位于相邻的两个所述定位柱3之间，所述下盖板7从所述底座6下端封堵所述底座6，所述下盖板7与所述安装板61之间形成气体缓冲腔，所述底座6的侧壁上设有进气管10，所述进气管10与所述气体缓冲腔连通，用于向所述焊接工装内通保护气体。

通过从底座侧壁上通保护气体，使保护气体进入气体缓冲腔后进行缓冲，之后才通过气流通孔611进入待焊接部位所在空腔，该方法降低了气体流速，避免了由于气流量太大导致的焊缝表面难以成形，减少或避免了由于气流卷入焊缝形成的气孔。

进一步地，如图1所示，所述气流通孔611上设有滤网，通过设置滤网可以进一步均匀分散气流，避免气孔的形成，使焊接接头外观质量一致性好、每个接头均能达到QJ1666A-2011《钛合金熔焊技术条件》Ⅰ级要求。

如图1所示，在一可选实施例中，所述安装板61的下侧面中部位置设有固定凸起612，所述固定凸起612探出所述内腔，以便于与焊接装置固定连接。

如图1所示，在一可选实施例中，所述安装板61上设有至少两个安装凸起613，所述定位柱3第一端设有装配孔，所述定位柱3通过与安装凸起613过盈配合实现与所述底座的固定连接，所述装配孔与所述定位孔孔深不同、直径相同。该装配方式既便于更换定位柱，以实现对不同尺寸对接接头的定位固定，又能够对换使用装配孔和定位孔，利用定位柱与对接接头接触面积的差异调节焊接散热量，从而调节焊接热输入量，保证焊缝熔深和精密成型。定位柱3优选H62黄铜材质。

如图1所示，在一可选实施例中，所述的焊接工装包括沿所述底座圆周均布的三个所述定位柱3，如图3所示，所述工装压板4为Y字型板状结构，安装所述工装压板4时，所述工装压板4的三个分支分别位于相邻的两个所述定位柱3之间。该工装进行一次定位装配即可对三个部位进行焊接，且能够保证三个部位的一致性。

如图1所示，在一可选实施例中，所述的焊接工装还包括上盖板5，从所述底座6上端封堵所述底座6，所述上盖板5与所述安装板61之间形成所述对接接头2和钛合金薄板1的容纳腔。

在一可选实施例中，所述工装压板的热导率为所述钛合金薄板热导率的6～16倍，优选20钢(60.0W·m^-1·K^-1)等材质或H62黄铜材质。

本发明实施例还提供了一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，所述具钛合金薄板具有至少两个通孔，所述对接接头与所述通孔一一对应，采用上述工装实施例提供的焊接工装定位固定所述对接接头和钛合金薄板后，进行焊接。

有关焊接工装的描述和效果详见上述工装实施例，在此不再赘述。

本发明实施例提供的具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，在焊前通过定位柱和工装压板配合实现对待焊接部件的定位固定，使焊缝在成型过程受到拘束，减少焊后结构变形，同时由于工装压板的热导率高于钛合金薄板的热导率，通过调节定位柱的排布和工装压板材料控制焊接散热量，调节焊接热输入量，保证焊缝熔深和精密成型，确保得到熔深达到0.6mm且焊接接头平整、各部位不变形的产品；该焊接工装定位准确，能够确保各焊接部位质量一致性好、批次质量稳定。

在一可选实施例中，进行等离子焊接，且焊枪对准所述对接接头第二端端面的中心位置进行间接施焊，使所述对接接头和对应的所述通孔的接触圆上一次性形成环焊缝。等离子焊接热量集中、能量密度高，通过对对接接头第二端端面中心位置施焊，使热量传递到对接接头和对应的所述通孔的接触圆上，从而形成环形焊缝，该方法对接触圆部位的热输入量较小，得到的焊缝窄，同时热影响区小，产生的焊接变形几乎可以忽略，提高了焊接质量及质量一致性。

在一可选实施例中，所述对接接头的第二端外径比对应的所述钛合金薄板上的通孔的直径小0.02～0.04mm。可以通过在焊接前对钛合金薄板上的通孔进行二次加工的方式确保二者的配合精度。

在一可选实施例中，所述对接接头的第二端直径为2.8～4mm，所述钛合金薄板的厚度为0.8～1.5mm。所述的等离子焊接，焊枪喷嘴与所述对接接头第二端端面的轴向距离为6～7mm，焊接电流40A～45A，离子气流量0.40L/min～0.50L/min，点焊停留时间2s～5s。

焊接前，采用酸液对所述对接接头和钛合金薄板进行清洗，清洗时间为15～30s、清洗液温度为18～22℃，所述酸液由以下体积百分含量的组分组成：

20～30％HNO₃、3～5％HF，余量为水。

在一可选实施例中，进行焊接时，先通过进气管向所述焊接工装内通保护气体，再进行焊接，焊接完成后立刻盖上所述上盖板，并持续通保护气体，直至所述焊接工装温度降至室温。采用提前通气和延迟断气的方法，确保焊缝区域不被氧化，焊缝均匀、完整、连续，有效地避免了点焊接头焊接过程氧化可能对焊接熔深的影响。

以下为本发明的一个具体实施例：

本实施例提供了一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其中所述钛合金薄板1为角杯压板，如图4所示，所述角杯压板上均布有三个孔径的通孔，所述对接接头2为三个支撑柱，三个支撑柱与三个通孔一一对应，且上端凸台插入通孔内，支撑柱上端凸台直径为所述角杯压板的厚度为1±0.11mm的筋板结构，该角杯压板采用激光切割数控加工保证内、外型精度，以及三个通孔的孔尺寸。

(1)焊接工装如图1所示，且使用前酒精清洗干净，待焊接件装配前12h内对零件化学处理，在20℃下、用体积比为25％HNO3+4％HF+(其余)H₂O清洗20s、后去离子水冲洗干净、烘干。

(2)焊接前，保持孔中心线不变的前提下，采用铰刀扩角杯压板的三个通孔，使其尺寸为装配时，先选配支撑柱与角杯压板，保证二者装配间隙不大于0.02mm，再将支撑柱放在定位柱的定位孔内，装入角杯压板，工装压板(材料20钢)为Y字型结构，且相邻两分支之间的夹角均相同，工装压板压紧在角杯压板肋中心，螺栓拧紧固定。

(2)采用等离子焊接，等离子焊接电极为钍钨材料，直径1.0mm，电极端部磨成18°～22°夹角，锥球型端面，压缩喷嘴为圆柱单孔型，孔径1.2mm，孔道比4，压缩角45°，电极端部内缩于同接嘴端部量约为1.8mm，电极垂直于角杯压板表面，焊枪喷嘴与支撑柱上端面圆心同心，且二者之间距离6.4mm，电极与喷嘴同心，电极表面清洁。等离子点焊离子气流量0.45L/min，电压17.3V，焊接电流42A，点焊停留时间3.5s，焊接时离子气和保护气均用高纯度氩气，焊前用流量15L/min的保护气对焊接工装内空气置换1min，焊接时氩气流量为10L/min，并保证焊接时保护气均匀通入到焊接接头处，焊接结束后立刻盖上上盖板。

(3)焊后处理。焊后目视检查焊接接头，外观成型良好，外观质量符合QJ1666A-2011《钛合金熔焊技术条件》Ⅰ级要求，熔深0.8mm、接头拉剪力3176N。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (15)

1.一种焊接工装，其特征在于，包括底座、工装压板、至少两个定位柱和至少两个固定件，所述底座为两端开口的筒状结构，且内腔设有安装板，所述定位柱的第一端固定在所述安装板上，所述定位柱的第二端设有定位孔，所述工装压板通过所述至少两个固定件与所述安装板固定连接，焊接时，将至少两个对接接头的第一端各插入一个所述定位孔中，将所述至少两个对接接头的第二端与钛合金薄板上的通孔一一对应装配，将所述工装压板压在所述钛合金薄板上，通过所述至少两个固定件压紧固定所述钛合金薄板，所述工装压板的热导率大于所述钛合金薄板的热导率。

2.根据权利要求1所述的焊接工装，其特征在于，还包括下盖板，所述安装板设置在所述底座的中部，并将所述底座的内腔分割成上、下两部分，所述安装板上还设有至少一个气流通孔，所述气流通孔位于相邻的两个所述定位柱之间，所述下盖板从所述底座下端封堵所述底座，所述下盖板与所述安装板之间形成气体缓冲腔，所述底座的侧壁上设有进气管，所述进气管与所述气体缓冲腔连通，用于向所述焊接工装内通保护气体。

3.根据权利要求2所述的焊接工装，其特征在于，所述气流通孔上设有滤网。

4.根据权利要求1所述的焊接工装，其特征在于，所述安装板的下侧面中部位置设有固定凸起，所述固定凸起探出所述内腔。

5.根据权利要求1所述的焊接工装，其特征在于，所述安装板上设有至少两个凸起，所述定位柱第一端设有装配孔，所述定位柱通过与所述凸起过盈配合实现与所述底座的固定连接，所述装配孔与所述定位孔孔深不同、直径相同。

6.根据权利要求1所述的焊接工装，其特征在于，包括沿所述底座圆周均布的三个所述定位柱，所述工装压板为Y字型板状结构，所述工装压板的三个分支分别位于相邻的两个所述定位柱之间。

7.根据权利要求1所述的焊接工装，其特征在于，还包括上盖板，从所述底座上端封堵所述底座，所述上盖板与所述安装板之间形成所述对接接头和钛合金薄板的容纳腔。

8.根据权利要求1所述的焊接工装，其特征在于，所述工装压板的热导率为所述钛合金薄板热导率的6～16倍。

9.一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，所述具钛合金薄板具有至少两个通孔，所述对接接头与所述通孔一一对应，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述焊接工装定位固定所述对接接头和钛合金薄板后进行焊接。

10.根据权利要求9所述的一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其特征在于，进行等离子焊接，且焊枪对准所述对接接头第二端端面的中心位置进行间接施焊，使所述对接接头和对应的所述通孔的接触圆上一次性形成环焊缝。

11.根据权利要求9或10所述的一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其特征在于，所述对接接头的第二端外径比对应的所述钛合金薄板上的通孔的直径小0.02～0.04mm。

12.根据权利要求11所述的一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其特征在于，所述对接接头的第二端直径为2.8～4mm，所述钛合金薄板的厚度为0.8～1.5mm。

13.根据权利要求12所述的一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其特征在于，所述的等离子焊接，焊枪喷嘴与所述对接接头第二端端面的轴向距离为6～7mm，焊接电流40A～45A，离子气流量0.40L/min～0.50L/min，点焊停留时间2s～5s。

14.根据权利要求9所述的一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其特征在于，焊接前，采用酸液对所述对接接头和钛合金薄板进行清洗，清洗时间为15～30s、清洗液温度18～22℃，所述酸液由以下体积百分含量的组分组成：

20～30％HNO₃、3～5％HF，余量为水。

15.根据权利要求9所述的一种具有通孔的钛合金薄板与对接接头的焊接方法，其特征在于，进行焊接时，先通过进气管向所述焊接工装内通保护气体，再进行焊接，焊接完成后立刻盖上所述上盖板，并持续通保护气体，直至所述焊接工装温度降至室温。