CN111069744A - 一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，包括在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形的步骤。本发明所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，在环缝装配焊接时，采用了垫高焊接对合处，预留变形量的方式，控制了两条环缝焊接所带来的形位尺寸变化，从而控制了整个箱底的形位尺寸。

Description

一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法

技术领域

本发明属于火箭贮箱焊接技术领域，尤其是涉及一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法。

背景技术

5m直径箱底呈半球形，是新一代运载火箭燃料贮箱的重要结构件，箱底尺寸大，刚性弱，由8块瓜瓣、1个顶盖、1个过渡环拼焊而成，如图1a和图1b所示。根据不同贮箱结构的需求，不同箱底的壁厚不同，焊缝两侧的母材区域为焊接区，厚度范围是3-10mm。

箱底的顶盖和过渡环按照图纸尺寸机械加工，精度高，而瓜瓣是钣金成型件，四周尺寸无法得到有效控制，所以在加工时在瓜瓣四周留有余量，在箱底装配焊接时，再将余量铣切至图纸尺寸，完成零件间的拼焊工作。

箱底的装配焊接过程是在专用的设备上进行的，首先将瓜瓣装配至纵缝模胎上，调整好装配位置，四周焊接区内侧与模胎贴合无间隙，外侧使用气动琴键、气动侧压和手动压钳装置压紧瓜瓣四周位置，只留有两侧焊接端悬空在外，运行铣切机构，铣切瓜瓣两侧余量至图纸理论尺寸，通过设备模胎移动，将待焊的两块瓜瓣焊接端对合，保证焊接对合端的间隙不大于0.2mm，错边不大于0.2mm，对合处背面悬空，焊枪在正面进行焊接，焊接过程采用氦气保护的直流打底TIG焊和氩气保护的脉冲交流盖面TIG焊，使用相同的方法再装配、铣切和焊接其它瓜瓣，最后将8块瓜瓣拼焊成圆环。

将圆环、过渡环和顶盖装配至另一台专用设备上，首先，将过渡环放置在环缝设备平台上，使用24个螺杆压片固定过渡环，再将瓜瓣圆环吊装至环缝模胎上，焊接区内侧与环缝模胎贴合无间隙，外侧使用气动琴键装置压紧圆环，最后装配顶盖至模胎顶部，并使用压盘压紧。铣切圆环大端和小端的余量至图纸理论尺寸，通过环缝模胎移动，将圆环大端与过渡环对合，圆环小端与顶盖对合，保证焊接对合端的间隙不大于0.2mm，错边不大于0.2mm，对合处背面悬空，焊枪在正面，焊接过程采用氦气保护的直流打底TIG焊和氩气保护的脉冲交流盖面TIG焊，完成大端环缝和小端环缝的焊接，拆卸工装，箱底下架。

圆环由8块瓜瓣拼焊而成，瓜瓣两侧的余量铣切后，通过设备移动，瓜瓣侧面对合在一起焊接。瓜瓣对合处经过电弧热量熔化后又冷却凝固，形成焊缝，该过程会产生一定的焊接收缩，垂直焊缝方向的母材尺寸会缩短，如图2所示。瓜瓣圆环上8条焊缝产生的焊接收缩量累计，进一步增加收缩量，使瓜瓣圆环任意位置的周长均产生减小，圆环大端周长的减小量最大，3-10mm不同厚度的圆环大端的周长减小量在15-30mm，工件(也即瓜瓣)越厚，焊接收缩量越大，周长变化越大，影响箱底形位尺寸，不能满足设计要求。同时，周长尺寸超差的瓜瓣圆环在与过渡环、顶盖拼焊时，周长尺寸匹配困难，无法保证焊接质量。

瓜瓣圆环与过渡环、顶盖的焊接同样存在焊接收缩现象，由于5m大直径箱底结构刚性较弱，焊接收缩除了导致垂直焊缝方向的尺寸减小，收缩力还向箱底圆心方向产生作用力，导致大端环缝和小端环缝向型面内侧凹陷变形，箱底的实际型面与理论型面不符，影响了箱底的形位尺寸，如图3所示。3-10mm不同厚度的产品，大端环缝处最大位置的凹陷量范围是2-5mm，小端环缝处最大位置的凹陷量范围是7-10mm，箱底实际高度比理论高度低10-15mm，工件(也即瓜瓣)厚度越大，变形量越大。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，以克服现有技术的缺陷，在环缝装配焊接时，采用了垫高焊接对合处，预留变形量的方式，控制了两条环缝焊接所带来的形位尺寸变化，从而控制了整个箱底的形位尺寸。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，包括在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形的步骤。

优选的，反变形的方法为将大端环缝和小端环缝装配时对各自对合处均进行垫高处理，实际型面的弧长增加，该增加量可补偿焊接收缩量。

优选的，大端环缝装配时对合处实际型面垫高量与大端环缝处瓜瓣厚度之间的关系满足式(1)：

b＝0.43a+0.71 (1)

其中：a—大端环缝处瓜瓣厚度，mm；

b—大端环缝装配时对合处实际型面垫高量，mm。

优选的，大端环缝处瓜瓣厚度为3-10mm。

优选的，小端环缝装配时对合处实际型面垫高量与小端环缝处瓜瓣厚度之间的关系满足式(2)：

d＝0.71c+4.87 (2)

其中：c—小端环缝处瓜瓣厚度，mm；

d—小端环缝装配时对合处实际型面垫高量，mm。

优选的，小端环缝处瓜瓣厚度为3-10mm。

优选的，在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形之后，还包括：

铣切瓜瓣圆环焊接端、焊前对合；

和/或，焊接大端环缝和小端环缝。

优选的，在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形之前，还包括：

装配瓜瓣至纵缝焊接模胎上；

和/或，铣切瓜瓣两侧焊接端，将收缩的数值预留不铣切，作为焊接收缩的补偿量，之后焊前对合；

和/或，将各瓜瓣拼焊成瓜瓣圆环；

和/或，装配瓜瓣圆环、过渡环和顶盖至环缝模胎上。

优选的，在铣切瓜瓣两侧焊接端，将收缩的数值预留不铣切，作为焊接收缩的补偿量的步骤中，瓜瓣厚度与相邻瓜瓣纵缝焊接对合处预留的铣切量满足式(3)中的关系：

y＝0.29x+1.13 (3)

其中：x—瓜瓣厚度，mm；

y—为相邻瓜瓣纵缝焊接对合处预留的铣切量，mm。

优选的，瓜瓣厚度为3-10mm。

相对于现有技术，本发明所述的一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法具有以下优势：

(1)在环缝装配焊接时，采用了垫高焊接对合处，预留变形量的方式，控制了两条环缝焊接所带来的形位尺寸变化，从而控制了整个箱底的形位尺寸。

(2)在铣切瓜瓣侧面余量时，通过预留瓜瓣侧面的焊接收缩量，补偿焊接收缩对周长的缩小量，可控制圆环周长尺寸。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a为5m箱底俯视图；

图1b为5m箱底主视图；

图2为瓜瓣纵缝焊接收缩示意图；

图3为环缝焊接变形示意图；

图4为本发明所述5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法的流程图；

图5为本发明所述5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法中瓜瓣侧面预留焊接收缩量示意图；

图6为本发明所述5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法中焊接收缩力方向示意图；

图7为本发明所述5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法中反变形和预留焊接收缩量方法示意图。

附图标记说明：

1-顶盖；2-瓜瓣；3-瓜瓣纵缝；4-小端环缝；5-过渡环；6-大端环缝；7-焊接前对合处；8-焊接收缩量；9-焊缝；10-理论型面；11-实际型面；12-理论铣切线；13-实际铣切线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

5m大直径箱底结构复杂，刚性弱，焊缝数量多，纵向、环向焊缝分布多样，焊接导致的收缩变形会影响箱底的形位尺寸。本发明所述的一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，分析了不同焊缝的特点，研究了不同厚度的工件(也即瓜瓣)焊接状况，总结焊接收缩的规律，在瓜瓣纵缝控制方面，通过预留瓜瓣侧面的焊接收缩量，补偿焊接收缩对周长的缩小量，控制圆环周长尺寸；在大端环缝和小端环缝控制方面，采用了预留反变形量的方式，控制了两条环缝焊接所带来的形位尺寸变化，对箱底形位尺寸进行有效控制。如图4所示的流程图，该方法包括以下步骤：

瓜瓣拼焊呈圆环时，需要先将瓜瓣装配至纵缝设备模胎上并调整好位置，要求瓜瓣大端理论线与模胎大端刻线重合，误差不超过±0.5mm，瓜瓣焊接侧理论线与模胎刻线重合，误差不超过±1mm，使用设备上的卡带、侧压、手动钳、琴键等压紧工装压紧瓜瓣，调整不同压紧工装，保证瓜瓣大端焊接区与模胎贴胎间隙不大于3mm，瓜瓣两侧焊接区与模胎贴合无间隙。

由于瓜瓣纵缝焊接时，焊接收缩量会导致瓜瓣圆环的周长减小，且焊接收缩量无法采取措施控制。经试验结果验证了不同厚度的工件(也即瓜瓣)焊接时的收缩量数据，归纳了焊接收缩的规律，在3-10mm的工件(也即瓜瓣)对接焊过程中，随着厚度的增加，焊缝的焊接收缩量呈2-4mm增大的趋势。所以，本发明在瓜瓣铣切焊接侧余量时，将收缩的数值预留不铣切，作为焊接收缩的补偿量，待对合焊接完成后，瓜瓣圆环周长可得到有效控制。根据焊接收缩量的数据统计，3-10mm不同厚度瓜瓣纵缝焊接，对合处两块瓜瓣预留的铣切余量范围是2-4mm，瓜瓣厚度越大，预留量越大，满足公式(3)要求：

y＝0.29x+1.13 (3)

其中，x指瓜瓣厚度，单位mm，y指相邻瓜瓣纵缝焊接对合处预留的铣切量，单位mm。

如图5所示，由于装配和测量误差，采用此办法后，瓜瓣圆环任意位置的实际周长与理论周长误差可控制在±5mm范围内。

8块瓜瓣拼焊为圆环后，由于装配和焊接误差，每块瓜瓣大端的理论线不在同一个高度上，无法作为下一步环缝装配时的装配参考线，所以在纵缝模胎上，以模胎大端整圈刻线为基准重新刻划至每块瓜瓣大端，作为圆环装配时的大端参考线。

环缝设备包括底端平台和上端模胎，平台放置过渡环，模胎放置圆环和顶盖，将过渡环装配至环缝设备平台上，过渡环和平台同心，使用压杆压片整圈压紧过渡环与平台贴合无间隙。将圆环装配至环缝模胎上，调平圆环，使重新刻画的圆环大端装配线与过渡环底端平面的距离相同，要求任意对称两个位置的距离值相差不大于1.5mm，圆环大端和小端的焊接区与环缝模胎贴合，使用琴键、压盘等工装将圆环和顶盖压紧在模胎上。

由于大端环缝和小端环缝焊接后，焊接收缩力向焊缝中心和向型面内侧均会发生作用，如图6所示，导致箱底形位尺寸变化。本发明综合考虑焊接收缩和变形的特点，分析不同厚度的焊接端凹陷变形的规律，发现3-10mm的工件(也即瓜瓣)对接焊过程中，厚度越大，向焊缝中心收缩和向型面内侧凹陷的趋势越大。大端环缝由过渡环和瓜瓣圆环大端拼焊而成，过渡环是机械加工的锻件，刚性较好，瓜瓣圆环是钣金件，所以焊缝型面向内凹陷量相对较小，而小端环缝由顶盖和瓜瓣圆环小端拼焊而成，顶盖和瓜瓣圆环均是钣金成型件，刚性相对较弱，焊缝型面向内凹陷量相对较大。通过分析可知，焊接收缩无法避免，所以，本发明在装配、铣切的环节使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形，具体方法原理如图7所示。在装配时，采用反变形的方法将焊接对合处的工件(也即瓜瓣)向远离箱底圆心的型面外垫高，实际型面的弧长增加，该增加量可补偿焊接收缩量。当大端环缝和小端环缝垫高后，设备按照设定程序进行圆环大端、小端余量铣切，未铣切到理论线的位置，多预留的余量为焊接收缩预留量，即垫高后，弧长增加量，该部分在焊接后收缩。实际焊接后，受焊接收缩力的作用，垂直于焊缝方向的尺寸收缩，同时焊缝向型面内侧凹陷，型面可恢复接近至理论型面位置，该方法可有效控制箱底大端、小端环缝焊接导致的形位尺寸变化。根据实际工作的规律统计，3-10mm不同板厚的瓜瓣，大端环缝装配时，对合处实际型面的垫高量为2-5mm，板厚越大，垫高量越大，满足公式(1)要求：

b＝0.43a+0.71 (1)

其中：a指大端环缝处瓜瓣厚度，单位mm；b指大端环缝装配时对合处实际型面垫高量，单位mm。

小端环缝装配时，对合处实际型面的垫高量为7-12mm，板厚越大，垫高量越大，满足公式(2)要求：

d＝0.71c+4.87 (2)

其中：c指小端环缝处瓜瓣厚度，单位mm；d指小端环缝装配时对合处实际型面垫高量，单位mm。

根据需要计算完大端环缝和小端环缝实际型面需要垫高的量后，按照计算的目标垫高量对瓜瓣圆环的焊接端进行铣切、对合，最后对大端环缝和小端环缝进行焊接。

瓜瓣纵缝焊接、大端环缝和小端环缝均采用现有氦气保护的直流打底TIG焊和氩气保护的脉冲交流盖面TIG焊即可，在此不再赘述。

采用此办法(在装配环节垫高大端环缝和小端环缝的焊接对合处)前，3-10mm不同厚度的产品，大端环缝处最大位置的凹陷量范围是2-5mm，小端环缝处最大位置的凹陷量范围是7-10mm，箱底实际高度比理论高度低10-15mm。采用此办法后，大端环缝和小端环缝的型面凹陷量可控制在±2mm范围内，箱底实际高度低于理论高度的值可控制在5mm范围内。

需要说明的是，瓜瓣圆环，是因为它是由8块瓜瓣拼焊而成的，所以叫作瓜瓣圆环。大端环缝和小端环缝指的是焊缝，大端环缝是指过渡环和瓜瓣圆环大端焊接在一起的焊缝，同理，小端环缝是指顶盖和瓜瓣圆环小端焊接在一起的焊缝。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：包括在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形的步骤。

2.根据权利要求1所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：反变形的方法为将大端环缝和小端环缝装配时对各自对合处均进行垫高处理，实际型面的弧长增加，该增加量可补偿焊接收缩量。

3.根据权利要求2所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：大端环缝装配时对合处实际型面垫高量与大端环缝处瓜瓣厚度之间的关系满足式(1)：

b＝0.43a+0.71 (1)

其中：a—大端环缝处瓜瓣厚度，mm；

b—大端环缝装配时对合处实际型面垫高量，mm。

4.根据权利要求2或3所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：大端环缝处瓜瓣厚度为3-10mm。

5.根据权利要求2所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：小端环缝装配时对合处实际型面垫高量与小端环缝处瓜瓣厚度之间的关系满足式(2)：

d＝0.71c+4.87 (2)

其中：c—小端环缝处瓜瓣厚度，mm；

d—小端环缝装配时对合处实际型面垫高量，mm。

6.根据权利要求2或5所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：小端环缝处瓜瓣厚度为3-10mm。

7.根据权利要求2所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形之后，还包括：

铣切瓜瓣圆环焊接端、焊前对合；

和/或，焊接大端环缝和小端环缝。

8.根据权利要求1所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：在大端环缝装配和小端环缝装配环节均使用反变形的方法抵消焊接带来的收缩和凹陷变形之前，还包括：

装配瓜瓣至纵缝焊接模胎上；

和/或，铣切瓜瓣两侧焊接端，将收缩的数值预留不铣切，作为焊接收缩的补偿量，之后焊前对合；

和/或，将各瓜瓣拼焊成瓜瓣圆环；

和/或，装配瓜瓣圆环、过渡环和顶盖至环缝模胎上。

9.根据权利要求8所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：在铣切瓜瓣两侧焊接端，将收缩的数值预留不铣切，作为焊接收缩的补偿量的步骤中，瓜瓣厚度与相邻瓜瓣纵缝焊接对合处预留的铣切量满足式(3)中的关系：

y＝0.29x+1.13 (3)

其中：x—瓜瓣厚度，mm；

y—为相邻瓜瓣纵缝焊接对合处预留的铣切量，mm。

10.根据权利要求7或8所述的5米直径球形箱底装配焊接形位尺寸控制方法，其特征在于：瓜瓣厚度为3-10mm。

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