CN110539077A - 一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装及变形控制方法 - Google Patents

一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装及变形控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装与变形控制方法，控制方法包括将舱段和支耳按照模型图装配到位，检查焊接部位装配阶差和间隙质量；将支耳与舱段的外端面定位点焊；定位焊后将工装组件装入变形控制工装；将工装组件固定于激光焊接平台，完成支耳的激光焊接。本发明采用整体装配焊接技术，整体焊接完成后外形尺寸与理论外形偏差小于0.5mm，精度控制效果良好，支耳与舱段激光焊缝可靠性好。焊接变形控制工装能有效解决焊接过程的变形控制，结构简单，便于操作，制造成本低，既能够保证支耳与舱段的连接强度，又能够有效解决焊接变形的关键难题。

Description

一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装及变形 控制方法
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种超音速飞行器中轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装及变形控制方法。
背景技术
近年来，随着飞行器速度的不断提高，飞行器在作业过程中，由表面摩擦产生的气动热，经常使飞行器处于高温环境(如大于1000℃的高温)，其热防护系统在隔热、承受机械载荷能力方面承受恶劣的环境考验。目前，国内类似产品大多采用铸造后整体机加。
为了进一步提高轻量化水平，可以采用钛合金(TA15)3D打印舱段和支耳组合装配激光焊接成钛合金整舱段，采用该方案不仅大幅节省产品研制周期，而且整体结构为高度轻量化并具有良好刚性的主承载部件，在提高构件性能的同时显著降低了承载结构重量，是超音速飞行器结构体系的重要组成部分。舱段焊接后外形型面质量影响飞行器气动外形布局，所以焊接变形的控制保证是轻量化结构舱段制造的关键核心技术之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装及变形控制方法，以解决如何控制此类结构焊接变形的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装，该工装包括卡环、支撑杆、螺栓和支承座；其中，工装前后两个卡环与舱段的前后两个端口直径同心，保证舱段与工装紧固，前后两个卡环分别通过螺栓与前后两个支承座固定；支撑杆位于舱段内部，其伸缩长度可通过螺纹调整，用于支耳与舱段内部装配顶紧，保证支耳与舱段贴合间隙及阶差满足激光焊接要求。
进一步地，工装采用不锈钢材料加工而成。
进一步地，支承座两端底部焊有三角形加强筋。
此外，本发明还提出一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制方法，该控制方法包括如下步骤：
S1、试装配：将舱段和支耳按照模型图装配到位，检查焊接部位装配阶差和间隙质量；
S2、定位焊：将支耳与舱段的外端面定位点焊；
S3、定位焊后将工装组件装入上述变形控制工装；
S4、激光焊接：将工装组件固定于激光焊接平台，完成支耳的激光焊接。
进一步地，在步骤S1之前，清理零件表面油污和多余物。
进一步地，在步骤S1中，阶差和间隙小于0.15mm。
进一步地，在步骤S2中，采用手工氩弧焊填丝焊进行定位焊。
进一步地，在步骤S2中，点焊点数量不少于4个，位置对称分布。
进一步地，在步骤S4中，激光焊接的工艺参数为：激光功率2000W-2500W，焊接速度1.5m/min-2m/min，离焦量-1mm至-3mm。
进一步地，在步骤S4之后，对焊后零件的焊缝进行检测，评价焊缝内部质量；对舱段外型面进行检测，评价焊接效果。
(三)有益效果
本发明提出的轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装与变形控制方法，该控制方法包括将舱段和支耳按照模型图装配到位，检查焊接部位装配阶差和间隙质量；将支耳与舱段的外端面定位点焊；定位焊后将工装组件装入变形控制工装；将工装组件固定于激光焊接平台，完成支耳的激光焊接。
本发明采用整体装配焊接技术，整体焊接完成后外形尺寸与理论外形偏差小于0.5mm，精度控制效果良好，支耳与舱段激光焊缝可靠性好，成功应用于飞行器飞行试验。本发明的焊接变形控制工装能有效解决此类结构在焊接过程的变形控制，结构简单，便于操作，制造成本低，既能够保证支耳与舱段的连接强度，又能够有效解决焊接变形的关键难题。
附图说明
图1为本发明实施例所针对的轻量化结构舱段与支耳示意图；
图2为本发明实施例轻量化结构舱段与支耳的激光焊接装配方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装与变形控制方法。该轻量化结构舱段结构主要是由钛合金3D打印舱段与支耳等部分组成，所用的材料均为TA15，是一种α钛合金。舱段与支耳的焊接装配面的外形精度要求较高，支耳需承载一定强度，因此对焊缝的可靠性要求较高。舱段2整体成锥形，小端直径260mm，大端直径340mm，高463mm，4个支耳1位于舱段中上部，距离上端面68mm，采用带锁底的叉接结构，其底部端面与舱段外型面弧度齐平，其结构如图1所示。
为了实现对上述轻量化结构舱段的外形精度控制保证，本实施例的轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制方法，具体步骤如下：
S1、清洗：采用白纱布蘸无水乙醇清理零件表面油污和多余物。
S2、试装配：将舱段和4个支耳等零部件按照模型图装配到位，检查焊接部位装配阶差和间隙质量，要求阶差和间隙小于0.15mm。
S3、定位焊：采用手工氩弧焊填丝焊，将4个支耳与舱段的外端面定位点焊，点焊点数量要求不少于4个，位置对称分布。
S4、装入激光焊接专用工装：装配激光焊接工装是控制焊接变形的关键装备，根据轻量化舱段结构特点，本实施例采用一种焊接变形控制专用工装，该工装包括卡环3、支撑杆6、螺栓4和支承座5，具体结构如图2所示。该工装采用不锈钢材料加工而成，工装前后2个卡环3与舱段2的前后2个端口直径同心，保证舱段2与工装紧固，前后两个卡环3分别通过4个螺栓4与前后两个支承座5固定。支承座5采用轻量化结构设计，尽可能降低工装质量，便于搬运，前后支承座5两端底部焊有三角形加强筋，用于提高结构刚度。支撑杆6位于舱段2内部，其伸缩长度可通过螺纹调整，用于4个支耳1与舱段2内部装配顶紧，其顶紧力均匀分布，能够保证支耳1与舱段2贴合间隙及阶差满足激光焊接要求。本变形控制工装结构简单、便于操作装卸，可以重复使用。
工装采用内部支撑，外部施焊的工艺方案，既能够保证支耳与舱段的稳固压紧，又满足外型面激光焊接对装配间隙和阶差的要求，降低舱段外型面局部焊接塌陷变形，提高激光焊接接头质量。
S5、激光焊接：将工装组件固定于激光焊接平台，在工装底部采用一定限位措施确保工装与平台无相对位移，随后将舱段与支耳待焊区域转动至正面朝上，编程施焊，依次完成4个支耳的激光焊接。
S6、设置焊接工艺参数：激光工艺参数对钎焊过程和接头质量都有相当重要的影响，激光功率、焊接速度和离焦量决定接头的成形质量。考虑到发明中轻量化舱段为薄壁结构，变形风险较大，因此选择较低的热输入配合高能量密度有利于舱段结构焊接变形控制。
本实施例中，激光焊接的工艺参数为：激光功率2000W-2500W，焊接速度1.5m/min-2m/min，离焦量-1mm至-3mm。
S7、检测：对焊后零件的焊缝进行X射线检测，评价焊缝内部质量；对舱段外型面进行检测，评价焊接效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制工装，其特征在于，所述工装包括卡环、支撑杆、螺栓和支承座；其中，工装前后两个卡环与舱段的前后两个端口直径同心，保证舱段与工装紧固，前后两个卡环分别通过螺栓与前后两个支承座固定；支撑杆位于舱段内部，其伸缩长度可通过螺纹调整，用于支耳与舱段内部装配顶紧，保证支耳与舱段贴合间隙及阶差满足激光焊接要求。
2.如权利要求1所述的变形控制工装，其特征在于，所述工装采用不锈钢材料加工而成。
3.如权利要求1所述的变形控制工装，其特征在于，所述支承座两端底部焊有三角形加强筋。
4.一种轻量化结构舱段与支耳的激光焊接变形控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
S1、试装配：将舱段和支耳按照模型图装配到位，检查焊接部位装配阶差和间隙质量；
S2、定位焊：将支耳与舱段的外端面定位点焊；
S3、定位焊后将工装组件装入如权利要求1～3任一项所述的变形控制工装；
S4、激光焊接：将工装组件固定于激光焊接平台，完成支耳的激光焊接。
5.如权利要求4所述的变形控制方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，清理零件表面油污和多余物。
6.如权利要求4所述的变形控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，阶差和间隙小于0.15mm。
7.如权利要求4所述的变形控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用手工氩弧焊填丝焊进行定位焊。
8.如权利要求4所述的变形控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述点焊点数量不少于4个，位置对称分布。
9.如权利要求4所述的变形控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，激光焊接的工艺参数为：激光功率2000W-2500W，焊接速度1.5m/min-2m/min，离焦量-1mm至-3mm。
10.如权利要求4所述的变形控制方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，对焊后零件的焊缝进行检测，评价焊缝内部质量；对舱段外型面进行检测，评价焊接效果。
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