CN110587113A - 一种复杂薄壁构件的焊接制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂薄壁构件的焊接制造方法。该方法包括焊前加工、调整工装、焊接及焊后加工四步，通过分体锻造成形后，再进行线性摩擦焊接整体成形，解决了由于结构尺寸大，开敞性不好导致复杂薄壁构件整体锻造后无法机加问题，同时用整体焊接件替代螺栓连接结构，简化构件结构，降低结构重量，同时提高了结构的可靠性，提高材料利用率，降低制造成本。

Description

一种复杂薄壁构件的焊接制造方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种复杂薄壁构件的焊接制造方法。

背景技术

大型复杂飞机整体结构制造是先进飞机的首先结构方案，目前大型复杂结构主要采用材料整体锻造或机械连接。整体锻造后机加成形，材料利用率极低，且生产成本大大提高，产品废品率高，对于尺寸超大的锻件性能难以保证，产品废品率高，且部分复杂结构开敞性不好，即使采用整体锻造，后续机加无法实现。机械连接增加结构重量，降低构件的可靠性。

线性摩擦焊(Linear friction welding)为固相连接方法，其焊接原理如图1所示，焊接过程中，其中一个工件高频往复振动，另一件在一定摩擦压力作用下与振动工件接触并发生相互摩擦并产生摩擦热，界面温度快速升高，界面近域两侧基体金属软化并发生塑性流动，在摩擦压力作用下被挤出界面形成飞边；当焊接区的温度分布、变形达到一定程度后，振动工件快速停止振动，工件对齐并施加顶锻压力，界面两侧金属通过相互扩散与再结晶连接在一起，进而完成整个焊接过程。线性摩擦焊接头组织为锻造组织，接头缺陷少，性能稳定可靠，对于钛合金具有良好的焊接适应性，在大气环境下可实现焊接，生产成本低，是未来飞机及发动机结构重要的连接制造技术。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，解决由于结构尺寸大，开敞性不好导致复杂薄壁构件整体锻造后无法机加问题，同时用整体焊接件替代螺栓连接结构，简化构件结构，降低结构重量，提高材料利用率，降低制造成本。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，薄壁飞机构件包括第一支臂、第二支臂及尾座，所述的焊接制造方法包括：

第一步：焊前加工，第一支臂与尾座摩擦面的上端设有用于提高焊接过程中工件刚度的第一夹持台，第二支臂与尾座摩擦面的上端设有用于提高焊接过程中工件刚度的第二夹持台，第一夹持台和第二夹持台均留有加工余量，第一支臂与尾座摩擦面为第一摩擦面，第二支臂与尾座摩擦面为第二摩擦面，第一摩擦面和第二摩擦面在垂直摩擦面方向均留有焊接缩短余量，尾座中部设有U形腔体，U形腔体外部的左右两侧均分别设有用于防止工件变形的第一加强筋和第二加强筋，第一加强筋和第二加强筋外侧面均留有加工余量，U形腔体外部的上侧设有作为焊接上压面的上侧耳片，耳片四周均留有加工余量，U形腔体外部的下侧设有作为焊接下支撑面的支撑台，且支撑台的尺寸与加强筋尺寸相同；

第二步，调整工装，所述的工装包括用于锁紧尾座上下自由度的螺钉压楔形块增力机构及位于工件上下两侧用于工件左右两侧定位与限位的第一夹持块和第二夹持块，第一夹持块还包括用于工件左侧定位的左第一夹持块和右第一夹持块，第二夹持块还包括用于工件左侧定位的左第二夹持块和右第二夹持块，第一夹持块上设有用于调节夹持块位置的第一调节螺钉，第二夹持块上设有用于调节夹持块位置的第二调节螺钉；

第三步，焊接，调整好第一夹持块和第二夹持块的位置，将第一支臂、第二支臂及尾座放置在工装内，拧紧调节螺钉，对第一支臂与尾座实施焊接，焊接结束后，沿左右方向平移尾座，并将左第一夹持块和右第一夹持块对换位置后，将左第二夹持块和右第二夹持块对换位置后，对第二支臂与尾座实施焊接；

第四步，焊后加工，焊后通过机加工的方法对焊接后的工件去除飞边。

进一步地，第一夹持台和第二夹持台均留有1～5mm的加工余量。

进一步地，第一加强筋和第二加强筋外侧面均留有1～5mm的加工余量。

进一步地，第一摩擦面和第二摩擦面在垂直摩擦面方向均留有3～8mm焊接缩短余量。

进一步地，耳片四周均留有1～3mm的加工余量。

进一步地，耳片为长方体。

进一步地，第三步焊接前，用丙酮清洗第一摩擦面和第二摩擦面。

进一步地，第三步焊接参数为振幅3～5mm，频率30～50Hz，摩擦压力50～100MPa，摩擦时间2～6s。焊后保压20s。

进一步地，第四步去除飞边后，进行退火处理。

进一步地，第一摩擦面和第二摩擦面均为U形面。

(3)有益效果

综上，本发明一种焊接制造方法，由传统的锻造成形、机械加工、机械连接成形改为锻造成形后线性摩擦焊接整体成形，结构的可靠性得到提高，接头强度达到母材90％以上，可满足服役环境要求较高的部件。同时可根据构件服役要求选择异种材料进行连接，满足不同结构对性能的特殊要求，充分发挥材料性能优势，用整体焊接件替代螺栓连接结构，简化构件结构，降低结构重量，提高材料利用率，降低制造成本。

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是本发明中支臂的结构示意图；

图2是支臂和尾座装配示意图；

图3是本发明中尾座的结构示意图；

图4是本发明尾梁外侧壁结构装配图；

图5是本发明焊后结构示意图。

图中：

1-第一支臂；2-第二支臂；3-尾座；4-第一夹持台；5-第二夹持台；6-第一摩擦面；7-第二摩擦面；8-U形腔体；9-第一加强筋；10-第二加强筋；11-耳片；12-支撑台；13-增力机构；14-第一夹持块；15-第二夹持块；16-第二调节螺钉；17-第一调节螺钉。

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。

图1是本发明实施例的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，以飞机的薄壁构件为例说明，薄壁飞机构件包括第一支臂1、第二支臂2及尾座3，所述的焊接制造方法包括：

第一步：焊前加工，第一支臂1与尾座3摩擦面的上端设有用于提高焊接过程中工件刚度的第一夹持台4，第二支臂2与尾座3摩擦面的上端设有用于提高焊接过程中工件刚度的第二夹持台5，第一夹持台4和第二夹持台5均留有加工余量，第一支臂1与尾座3摩擦面为第一摩擦面6，第二支臂2与尾座3摩擦面为第二摩擦面7，第一摩擦面6和第二摩擦面7在垂直摩擦面方向均留有焊接缩短余量，尾座3中部设有U形腔体8，U形腔体8外部的左右两侧均分别设有用于防止工件变形的第一加强筋9和第二加强筋10，U形腔体8内壁面与加强筋内侧面内侧面位于同一平面，并且为了减小焊后机加工量，U形腔体8的尺寸为最终结构尺寸，即无需进行机加工即可达到设计时的结构尺寸，第一加强筋9和第二加强筋10外侧面均留有加工余量，U形腔体8外部的上侧设有作为焊接上压面的上侧耳片11，即上侧耳片11的作用是用于焊接上压面，耳片11四周均留有加工余量，U形腔体8外部的下侧设有作为焊接下支撑面的支撑台12，即支撑台12的作用是作为焊接下支撑面，且支撑台12的尺寸与加强筋尺寸相同；

第二步，调整工装，所述的工装包括用于锁紧尾座3上下自由度的螺钉压楔形块增力机构13及位于工件上下两侧用于工件左右两侧定位与限位的第一夹持块14和第二夹持块15，需要说明的是，螺钉压楔形块增力机构13为现有结构，在此不多加赘述，第一夹持块14还包括用于工件左侧定位的左第一夹持块和右第一夹持块，第二夹持块15还包括用于工件左侧定位的左第二夹持块和右第二夹持块，第一夹持块14上设有用于调节夹持块位置的第一调节螺钉17，第二夹持块15上设有用于调节夹持块位置的第二调节螺钉16，第二调节螺钉16和第一调节螺钉17起到定位和限位功能，可以根据位置变化适当调整，实现上下两端同时进行左右定位，防止焊接时扭曲变形，同时能够防止过定位；

第三步，焊接，调整好第一夹持块14和第二夹持块15的位置，将第一支臂1、第二支臂2及尾座3放置在工装内，拧紧调节螺钉，对第一支臂1与尾座3实施焊接，焊接结束后，沿左右方向平移尾座3，并将左第一夹持块14和右第一夹持块14对换位置后，将左第二夹持块15和右第二夹持块15对换位置后，对第二支臂2与尾座3实施焊接，通过夹持块位置的对换，实现一套夹具焊接两个支臂的功能，提高了焊接效率；

第四步，焊后加工，焊后通过机加工的方法对焊接后的工件去除飞边。

作为本发明的一具体实施例，为了保证焊接过程中的刚度，第一夹持台4和第二夹持台5均留有1～5mm的加工余量。

作为本发明的一具体实施例，为了保证焊接过程中的刚度，防止工件变形，第一加强筋9和第二加强筋10外侧面均留有1～5mm的加工余量。

作为本发明的一具体实施例，第一摩擦面6和第二摩擦面7在垂直摩擦面方向均留有3～8mm焊接缩短余量。

作为本发明的一具体实施例，耳片11四周均留有1～3mm的加工余量。

作为本发明的一具体实施例，耳片11为长方体。

作为本发明的一具体实施例，第三步焊接前，用丙酮清洗第一摩擦面6和第二摩擦面7。

作为本发明的一具体实施例，第三步焊接参数为振幅3～5mm，频率30～50Hz，摩擦压力50～100MPa，摩擦时间2～6s。焊后保压20s。

作为本发明的一具体实施例，第四步去除飞边后，进行退火处理。

作为本发明的一具体实施例，为了减小焊后加工量，第一摩擦面和第二摩擦面均为U形面。

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。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。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)

1.一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，薄壁飞机构件包括第一支臂、第二支臂及尾座，其特征在于，所述的焊接制造方法包括：

第一步：焊前加工，第一支臂与尾座摩擦面的上端设有用于提高焊接过程中工件刚度的第一夹持台，第二支臂与尾座摩擦面的上端设有用于提高焊接过程中工件刚度的第二夹持台，第一夹持台和第二夹持台均留有加工余量，第一支臂与尾座摩擦面为第一摩擦面，第二支臂与尾座摩擦面为第二摩擦面，第一摩擦面和第二摩擦面在垂直摩擦面方向均留有焊接缩短余量，尾座中部设有U形腔体，U形腔体外部的左右两侧均分别设有用于防止工件变形的第一加强筋和第二加强筋，第一加强筋和第二加强筋外侧面均留有加工余量，U形腔体外部的上侧设有作为焊接上压面的上侧耳片，耳片四周均留有加工余量，U形腔体外部的下侧设有作为焊接下支撑面的支撑台，且支撑台的尺寸与加强筋尺寸相同；

第二步，调整工装，所述的工装包括用于锁紧尾座上下自由度的螺钉压楔形块增力机构及位于工件上下两侧用于工件左右两侧定位与限位的第一夹持块和第二夹持块，第一夹持块还包括用于工件左侧定位的左第一夹持块和右第一夹持块，第二夹持块还包括用于工件左侧定位的左第二夹持块和右第二夹持块，第一夹持块上设有用于调节夹持块位置的第一调节螺钉，第二夹持块上设有用于调节夹持块位置的第二调节螺钉；

第三步，焊接，调整好第一夹持块和第二夹持块的位置，将第一支臂、第二支臂及尾座放置在工装内，拧紧调节螺钉，对第一支臂与尾座实施焊接，焊接结束后，沿左右方向平移尾座，并将左第一夹持块和右第一夹持块对换位置后，将左第二夹持块和右第二夹持块对换位置后，对第二支臂与尾座实施焊接；

第四步，焊后加工，焊后通过机加工的方法对焊接后的工件去除飞边。

2.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第一夹持台和第二夹持台均留有1～5mm的加工余量。

3.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第一加强筋和第二加强筋外侧面均留有1～5mm的加工余量。

4.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第一摩擦面和第二摩擦面在垂直摩擦面方向均留有3～8mm焊接缩短余量。

5.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述耳片四周均留有1～3mm的加工余量。

6.根据权利要求5所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述耳片为长方体。

7.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第三步焊接前，用丙酮清洗第一摩擦面和第二摩擦面。

8.根据权利要求7所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第三步焊接参数为振幅3～5mm，频率30～50Hz，摩擦压力50～100MPa，摩擦时间2～6s。焊后保压20s。

9.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第四步去除飞边后，进行退火处理。

10.根据权利要求1所述的一种复杂薄壁构件的焊接制造方法，其特征在于，所述第一摩擦面和第二摩擦面均为U形面。