CN110560943A - 一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法 - Google Patents

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李东旭
陈怀宁
张保民
张兆轩
张艳华
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups

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Abstract

本发明公开了一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，属于材料加工制造领域。该方法为：(1)按舱段模型图纸对钢板进行激光切割，精确下料并分段组合；(2)将各段中的能够进行钎焊的零件采用钎焊方式连接到一起；(3)各段之间的连接、以及各段中不能进行钎焊的零件的连接，采用冷弧焊方法进行连续点焊连接，最终获得所述超薄壁箱型舱段模型。该方法将精密钎焊和冷弧焊两种工艺巧妙结合，将整体构件分段组装焊接，从而克服了超薄结构件变形较大的缺点，解决了大型超薄壁箱型舱段的组装焊接问题。

Description

一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法
技术领域
本发明涉及材料加工制造领域，具体涉及一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法。
背景技术
为了研究船舶受到外界冲击载荷作用下各舱段的抗变形能力，以及为方便实验和节省费用，常常需要根据船舶原型尺寸制造相应的缩尺模型。如CB/Z 272-2004规定了水面舰艇舱段模型水下非接触爆炸时的冲击环境、安全半径及结构和设备的动响应测量。舱段模型的结构尺寸与原型(实船)的结构尺寸几何缩尺比可取1-10，难以制造的细部结构，如肋骨剖面等的几何形状可以改变，但它的刚度应符合模拟条件。舱段内的设备宜用质量块模拟，其质量以及与安装座组成的系统固有频率应与实船成比例。舱段模型的材质取与实船相同的材质。由于缩尺比等原因，模型材料若无法取与原型相同材料时，在相似关系中还应考虑弹性模量和质量密度的影响。
为了制作缩比模型，根据模型相似性，舱壁厚度也要作相应减薄，如此可能制造模型用钢板厚度不足1mm，最薄处0.3mm，而此时舱段板宽达到300mm，舱段长度达到2m以上。众所周知，这种超薄厚度的结构件焊接的最大问题是面外变形难以控制，而舱段爆炸冲击试验要求模型的平整度尽量高，至少满足焊接处变形量≤1mm和水密焊缝的要求，这种要求对于厚度仅为0.3-0.4mm的箱型结构而言(一般采用不锈钢材料制造)，难度极大。例如，采用一般的氩弧焊或气保护焊，除了要避免板材不被烧穿，还要保证焊缝成型，焊接难度很大，同时根本不能控制焊接变形量，一般焊接处的变形要达到3-5mm。至于激光焊或CMT冷金属过渡焊两种熔化焊工艺，相比氩弧焊或气保护焊，由于热输入量小，板材不易烧穿，且变形比较易于控制，但对于如此薄的钢板，焊后的最大变形量一般也能达到2-3mm，也将远远超出设计要求。此外，对于舱段模型而言，由于结构复杂，很多焊缝由于焊枪不可达，单独采用这些工艺方法并不能完成模型件的制造。
目前还有一种精密焊接方法——真空钎焊，该工艺可以保证焊接各种复杂和薄壁构件的质量，但是对于尺寸超过2m的构件，常规真空炉的炉膛尺寸一般不能满足要求。更主要的是，对于像箱型梁那样需要四周密封焊接且具有中间隔离层的复杂结构，由于无法内部布置钎料，也无法一次实现整体钎焊。因此需要考虑采用更加灵活和合适的方法完成超薄壁箱型舱段的焊接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，该方法将精密钎焊和冷弧焊两种工艺巧妙结合，将整体构件分段组装焊接，从而克服了超薄结构件变形较大的缺点，解决了大型超薄壁箱型舱段的组装焊接问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，包括如下步骤：
(1)按舱段模型图纸对钢板进行激光切割，精确下料并分段组合；
(2)将各段中的能够进行钎焊的零件采用钎焊方式连接到一起；
(3)各段之间的连接、以及各段中不能进行钎焊的零件的连接，采用冷弧焊方法进行连续点焊连接，最终获得所述超薄壁箱型舱段模型。
上述步骤(1)中，所述舱段模型由多个舱段连接而成，模型中包括底板、侧板、隔板和龙骨等零件。所述超薄壁箱型舱段模型组合时所用钢板为不锈钢材质。
上述步骤(1)中，所述超薄壁箱型舱段模型进行分段组装时所用钢板厚度小于0.3-1mm，舱段板宽达到300mm，舱段长度大于2m。
上述步骤(1)中，激光下料要保证精度控制小于0.1mm。
上述步骤(1)中，分段组合的原则是保证后续能够采用最少的熔化焊缝进行连接，最大分段长度由钎焊炉和供料尺寸决定。
上述步骤(2)中，所述钎焊为真空钎焊方法，可采用分步进行的钎焊工艺，对于不锈钢材料，钎焊温度为1020-1150℃，钎料为带状。
上述步骤(3)中，冷弧焊过程中，电流30-50A，通电时间30-50ms。
上述步骤(3)中，点焊时采用压紧装置以减少变形，连接部位用搭接接头形式以保证强度和密封效果。
本发明设计原理及有益效果如下：
1、本发明将精密钎焊和冷弧焊两种工艺巧妙结合，将整体构件分段组装，一方面利用真空钎焊变形小且一次能焊接多条焊缝的优点，同时采用冷弧焊技术，将分段部件进行最后组装，如此克服了常规熔化焊方法焊接1mm以下超薄结构件变形较大的缺点，同时避免大型复杂结构单独采用某一种方法不能完成制造的难题，从而彻底解决了大型超薄壁箱型舱段的组装焊接问题。
2、本发明方法中选择了一种用于组装焊接时变形量更小的冷弧焊，可进行点焊，也可进行连续焊，其变形控制优于激光焊。
附图说明
图1为舱段模型Ⅰ各段组装示意图；其中：(a)侧视图；(b)正视图(只画出一半)。
图2为舱段模型Ⅰ制造结果。
图3为舱段模型Ⅱ各段组装示意图；其中：(a)侧视图；(b)正视图(只画出一半)。
图4为舱段模型Ⅱ制造结果；其中：(a)和(b)为不同视角的实物图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1：
图1为采用304不锈钢制造的矩形舱段模型Ⅰ，总长度2.4m，长度方向共7个舱段(图中显示一半)，其中，上盖和底板均为0.4mm厚，除两个端板为1mm厚，6个隔板和两面侧板厚度均为0.3mm。
由于供料和炉膛尺寸的限制，将2.4m长的舱段平均分成2部分，每部分各含3个支撑板，各零件均采用激光切割下料，保证0.1mm的尺寸精度。首先采用真空钎焊方法将底板、两侧面板和3个隔板分步钎焊组合到一起。钎焊用焊料为带状BNi2镍基合金，钎焊温度1050℃；然后，采用冷弧焊方法将盖板与隔板、侧板焊接连接，焊接电流40A，通电时间30ms。最后再采用冷弧焊方法将两部分舱段合拢连接，工艺同前。采用冷弧焊时，为保证焊接密封效果，连接处采用折边搭接形式。
图2为模型Ⅰ舱段制造结果。现场检测结果表明，经过钎焊的部件变形量为零，采用冷弧焊的连接处变形量为0.7-0.8mm，焊接处密封良好不漏水，质量完全满足设计要求。
实施例2：
图3为采用304不锈钢制造的矩形舱段模型Ⅱ，其中，上盖、底板和底部7根龙骨均为0.4mm厚，2.4m长度方向有7个舱段(图中显示一半)，除两个端板为1mm厚外，6个隔板、两面侧板、龙骨上盖板的厚度均为0.3mm。
由于供料和炉膛尺寸的限制，将2.4m长的舱段平均分成2部分，每部分各含3个支撑板，各零件均采用激光切割下料，保证0.1mm的尺寸精度。首先采用真空钎焊方法将底板、龙骨、两面侧板和3个隔板分步钎焊组合到一起，钎焊温度1050℃，焊料BNi2；然后采用冷弧焊方法将龙骨上盖板与龙骨焊接到一起，焊接电流40A，通电时间35ms；再采用冷弧焊方法将盖板与隔板、侧板焊接连接。最后，采用冷弧焊方法将两部分舱段合拢连接。采用冷弧焊时，为保证焊接密封效果，连接处采用折边搭接形式。
图4为模型Ⅱ舱段制造结果。现场检测结果表明，经过钎焊的部件变形量为零，采用冷弧焊的连接处变形量为0.8-0.9mm，焊接处密封良好不漏水，质量完全满足设计要求。

Claims (9)

1.一种超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)按舱段模型图纸对钢板进行激光切割，精确下料并分段组合；
(2)将各段中的能够进行钎焊的零件采用钎焊方式连接到一起；
(3)各段之间的连接、以及各段中不能进行钎焊的零件的连接，采用冷弧焊方法进行连续点焊连接，最终获得所述超薄壁箱型舱段模型。
2.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述舱段模型由多个舱段连接而成，模型中包括底板、侧板、隔板和龙骨等零件。
3.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(1)中，所述超薄壁箱型舱段模型进行分段组装时所用钢板厚度为0.3-1mm，舱段板宽达到300mm，舱段长度大于2m。
4.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(1)中，激光下料要保证精度控制小于0.1mm。
5.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(1)中，分段组合的原则是保证后续能够采用最少的熔化焊缝进行连接，最大分段长度由钎焊炉和供料尺寸决定。
6.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(2)中，所述钎焊为真空钎焊方法，可采用分步进行的钎焊工艺，对于不锈钢材料，钎焊温度为1020-1150℃，钎料为带状。
7.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(3)中，冷弧焊过程中，电流30-50A，通电时间30-50ms。
8.根据权利要求1或5所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：步骤(3)中，点焊时采用压紧装置以减少变形，连接部位用搭接接头形式以保证强度和密封效果。
9.根据权利要求1所述的超薄壁箱型舱段模型的精密制造方法，其特征在于：所述超薄壁箱型舱段模型组合时所用钢板为不锈钢材质。
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