CN111098003B - 一种锥形圆环拼焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锥形圆环拼焊方法及装置，拼焊方法通过三个步骤将六个锥形瓜瓣焊为锥形圆环；拼焊装置包括底座结构、压梁结构、支撑结构、模胎、可移动的车架结构及多个琴键结构。本发明所述的一种锥形圆环拼焊方法及装置，解决了由于锥形圆环结构特殊、焊接厚度大、结构刚性大导致锥形圆环拼焊时锥形瓜瓣装配焊接难度大以及现有技术方法及装置不适用的技术问题。

Description

一种锥形圆环拼焊方法

技术领域

本发明属于火箭贮箱技术领域，尤其是涉及一种锥形圆环拼焊方法及装置。

背景技术

现役型号火箭的贮箱箱底普遍采用球型底或椭球形底结构形式，由顶盖、圆环和过渡环组成，圆环为瓜瓣拼焊而成，瓜瓣型面为球型或椭球形，圆环在拼焊时通过专用的工装进行装配固定采用常规的TIG焊工艺可实现不开坡口对接焊。在我国新一代载人运载火箭的研制中，一级燃烧剂箱后底首次采用了五米直径的锥底结构形式，其中，锥底结构的重要组成部分锥形圆环由6块锥形滚弯成形瓜瓣拼焊而成，瓜瓣锥角为90°，瓜瓣纵缝为直线焊缝，焊接区厚度达到了15mm，远超现有型号产品4-10mm的焊接厚度区间。锥形圆环结构的特殊性以及焊接厚度的增加导致圆环拼焊过程中锥形瓜瓣的装配、焊接难度极大，且现有技术方法只能满足球形底或椭球形底圆环的拼焊，因此，需要开发新的焊接工艺方法及装置，以完成锥形圆环的拼焊。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种锥形圆环拼焊方法及装置，解决了由于锥形圆环结构特殊、焊接厚度大、结构刚性大导致锥形圆环拼焊时锥形瓜瓣装配焊接难度大以及现有技术方法及装置不适用的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种锥形圆环拼焊方法，包括如下步骤：

步骤一：两组能够组成锥形圆环结构的锥形瓜瓣，每组包括三个所述锥形瓜瓣，将每组中的两个所述锥形瓜瓣之间均进行对接焊，焊接后的两个所述锥形瓜瓣为第一组件；

步骤二：将每组剩余的一个所述锥形瓜瓣与同组的所述第一组件之间进行对接焊，一个所述锥形瓜瓣与一个所述第一组件焊接后为第二组件；

步骤三：将两组的第二组件之间进行对接焊，焊接后的两个所述第二组件为锥形圆环。

进一步的，每一所述锥形瓜瓣均为滚弯成形。

进一步的，对接焊过程中包括如下步骤：

步骤一：在两个待焊工件相邻的待焊接端面处分别设置焊接坡口，两个焊接坡口组成U形坡口，所述U形坡口以两个所述待焊工件之间间隙的中心线为轴线轴对称设置；

步骤二：在U形坡口内由下至上依次进行第一层打底焊接、第二层盖面焊接及第三层盖面焊接。

进一步的，所述U形坡口的钝边为p，p＝10mm-12mm；所述U形坡口的坡口宽度为a，a＝14mm-22mm，所述U形坡口的平台宽度为b，b＝8mm-12mm，所述U形坡口底部对称设有过渡圆角，所述过渡圆角的半径为R，R＝3mm-5mm。

一种锥形圆环拼焊装置，包括底座结构、压梁结构、支撑结构、上端面能够与锥形瓜瓣内壁贴合的模胎、可移动的车架结构及多个琴键结构；

所述压梁结构包括两个并列设置的压梁，两个所述压梁同侧端部均通过接头结构与所述底座结构一端端部铰接，所述模胎设置在所述底座上端面，所述底座结构通过所述支撑结构与所述车架结构连接，多个所述琴键结对称设置在两个压梁上，一个所述压梁上的一个琴键结构与另一个所述压梁上的一个琴键结构正对，相对的两个所述琴键结构之间能够容纳焊枪；

所述琴键结构包括琴键压板、定位杆、螺柱、蝶形螺母、顶紧螺钉、第一耳板，所述琴键压板一端能够压紧锥形瓜瓣，所述琴键压板另一端与所述定位杆铰接，所述定位杆上设有长圆孔，所述螺柱贯穿所述长圆孔，所述螺柱与所述压梁上端面连接，所述螺柱通过所述蝶形螺母对所述定位杆进行压紧，所述琴键压板中部通过第一耳板与所述压梁连接，所述琴键压板与所述第一耳板铰接，所述顶紧螺钉与所述压梁螺纹连接，所述顶紧螺钉能够顶紧所述琴键压板与所述定位杆铰接的端部。

进一步的，所述支撑结构包括手拉葫芦、支柱结构及支撑座结构；

所述支柱结构设置在所述手拉葫芦与支撑座结构之间，所述支撑座结构高度小于所述支柱结构，所述支柱结构顶端与所述底座结构铰接，所述支柱结构底端及支撑座结构底端均与所述车架结构连接，所述手拉葫芦一端与所述车架结构铰接，所述手拉葫芦另一端与所述底座结构铰接。

进一步的，所述支撑座结构包括两个并列设置的支座及两个能够支撑底座结构的支撑板，所述支撑板设置在所述支座上端面，两个所述支撑板位于同一平面，两个所述支座设置在所述车架结构上端面。

进一步的，所述拼焊装置还包括调距机构，所述调距机构包括压紧螺钉支撑座及能够对锥形瓜瓣进行纵向定位的压紧螺钉，所述压紧螺钉支撑座固设在所述模胎一端端部，所述压紧螺钉贯穿所述压紧螺钉支撑座，所述压紧螺钉与所述压紧螺钉支撑座螺纹连接。

进一步的，所述拼焊装置还包括多个压紧螺杆，多个所述压紧螺杆对称设置在两个所述压梁上，同一所述压梁上相邻的两个压紧螺杆间距相等，每一所述压紧螺杆均与所述压梁螺纹连接，每一所述压紧螺杆底部均设有能够对所述锥形瓜瓣非焊区进行压紧的压块。

进一步的，所述拼焊装置还包括连接板，所述连接板一端与两个所述压梁可拆卸连接，所述连接板另一端与所述底座结构可拆卸连接；

优选的，所述支撑结构还包括两个连接杆，当所述底座结构水平设置时，每一所述压梁远离铰接端的端部均通过一个所述连接杆与所述车架结构连接；

优选的，同一所述压梁上相邻的两个琴键结构之间距离相等；

优选的，所述支柱结构包括两个并列设置的支柱，两个所述支柱底端与所述车架结构连接，两个所述支柱顶端均通过一个连接耳与所述底座结构铰接；

优选的，所述琴键压板断面结构为V形，所述琴键压板开口角度为100°-120°；

优选的，所述接头结构包括接头及连接接头，所述接头与所述连接接头铰接，所述接头与两个所述压梁连接，所述连接接头与所述底座结构连接；

优选的，所述车架结构包括车架本体、两个定向轮、两个刹车轮及多个可调支脚，两个所述定向轮左右对称设置在所述车架本体下端面，两个所述刹车轮左右对称设置在所述车架本体下端面，多个所述可调支脚设置在对称设置在所述车架本体的左右两侧；

优选的，所述可调支脚为六个。

相对于现有技术，本发明所述的一种锥形圆环拼焊方法及装置具有以下优势：

本发明所述的一种锥形圆环拼焊方法及装置，本方案中的拼焊装置依据锥形圆环的结构进行了新的结构设计，在国内行业属首次应用，通过开发新的工艺流程进而形成了适用于锥形圆环的拼焊方法，可完整的实现对锥形圆环的拼焊，锥形圆环的焊缝质量和焊接变形得到有效控制。

本方案中提出了一种适用于厚板铝合金焊接工艺方法，通过设计特殊U形坡口形式，采用单面三层焊工艺，改善了焊缝成形系数，避免了传统的多层多道焊金属填充量、焊接变形严重、热输入大的问题。

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1为本发明实施例所述的一种锥形圆环拼焊方法流程示意图

图2为本发明实施例所述的一种锥形圆环拼焊装置中的底座结构水平状态示意图；

图3为图2中的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例所述的一种锥形圆环拼焊装置中的底座结构倾斜状态示意图；

图5为本发明实施例所述的一种锥形圆环拼焊装置侧视图；

图6为本发明实施例所述的一种锥形圆环拼焊方法中的U形坡口结构示意图。

附图标记说明：

1-压梁；2-接头；3-压紧螺钉；4-压紧螺钉支撑座；5-连接接头；6-模胎；7-底座结构；8-连接杆；9-连接耳；10-立柱；11-支撑座；12-车架本体；13-定向轮；14-手拉葫芦；15-刹车轮；16-连接板；17-可调支脚；18-螺柱；19-蝶形螺母；20-定位杆；21-顶紧螺钉；22-琴键压板；23-第一耳板；24-压紧螺杆；25-压块；26-锥形瓜瓣。

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。

一种锥形圆环拼焊方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：两组能够组成锥形圆环结构的锥形瓜瓣26，每组包括三个所述锥形瓜瓣26，将每组中的两个所述锥形瓜瓣26之间均进行对接焊，焊接后的两个所述锥形瓜瓣26为第一组件；

步骤二：将每组剩余的一个所述锥形瓜瓣26与同组的所述第一组件之间进行对接焊，一个所述锥形瓜瓣26与一个所述第一组件焊接后为第二组件；

步骤三：将两组的第二组件之间进行对接焊，焊接后的两个所述第二组件为锥形圆环。

本实施例中，每一锥形瓜瓣26均为滚弯成形。

本实施例中，对接焊过程中包括如下步骤：

步骤一：在两个待焊工件相邻的待焊接端面处分别设置焊接坡口，两个焊接坡口组成U形坡口，U形坡口以两个待焊工件之间间隙的中心线为轴线轴对称设置；

步骤二：在U形坡口内由下至上依次进行第一层打底焊接、第二层盖面焊接及第三层盖面焊接。

锥形瓜瓣的壁厚为δ，U形坡口的钝边为p，p＝10mm-12mm；U形坡口的坡口宽度为a，a＝14mm-22mm，U形坡口的平台宽度为b，b＝8mm-12mm，U形坡口底部对称设有过渡圆角，过渡圆角的半径为R，R＝3mm-5mm，本实施例中，a＝18mm，b＝12mm，R＝5mm，p＝12mm，δ＝15mm，本方案中提高了U形坡口的钝边厚度，在U形坡口内进行单面三层焊接，同时配合焊接工艺参数的精准控制，使每层焊缝只需要一道焊缝就能覆盖整个坡口宽度，实现焊缝成形的控形与控性调节，在保证焊缝质量和接头性能的前提下，最大限度提高焊接效率。

一种锥形圆环拼焊装置，如图2所示，包括底座结构7、压梁结构、支撑结构、模胎6、可移动的车架结构及多个琴键结构；

压梁结构包括两个并列设置的压梁1，两个压梁1同侧端部均通过接头结构与底座结构7一端端部铰接，模胎6上端面能够与锥形瓜瓣26内壁贴合，模胎6设置在底座上端面，底座结构7通过支撑结构与车架结构连接，多个琴键结对称设置在两个压梁1上，一个压梁1上的一个琴键结构与另一个压梁1上的一个琴键结构正对，相对的两个琴键结构之间能够容纳焊枪，同一压梁1上相邻的两个琴键结构之间距离相等；

本实施例中，接头结构包括接头2及连接接头5，接头2与连接接头5铰接，接头2与两个压梁1连接，连接接头5与底座结构7连接；

本实施例中，车架结构包括车架本体12、两个定向轮13、两个刹车轮15及多个可调支脚17，两个定向轮13左右对称设置在车架本体12下端面，两个刹车轮15左右对称设置在车架本体12下端面，多个可调支脚17设置在对称设置在车架本体12的左右两侧，本实施例中，可调支脚17为六个，通过两个定向轮13和两个刹车轮15，以方便整个装置进行位置移动。车架11上还装有6个可调支脚17，当需要将车架固定时，可通过调节可调支脚17将车车架顶起进行固定，可调支脚17为现有技术中的可调支脚。

如图3所示，琴键结构包括琴键压板22、定位杆20、螺柱18、蝶形螺母19、顶紧螺钉21、第一耳板23，琴键压板22一端能够压紧锥形瓜瓣26，琴键压板22另一端与定位杆20铰接，定位杆20上设有长圆孔，螺柱18贯穿长圆孔，螺柱18与压梁1上端面连接，螺柱18通过蝶形螺母19对定位杆20进行压紧，琴键压板22中部通过第一耳板23与压梁1连接，琴键压板22与第一耳板23铰接，顶紧螺钉21与压梁1螺纹连接，顶紧螺钉21能够顶紧琴键压板22与定位杆20铰接的端部，琴键压板22断面结构为V形，琴键压板22开口角度为110°。

通过调节蝶形螺母19可实现调整琴键压板22与模胎6之间的间隙，以适应不同厚度产品的装配。压梁1上设有顶紧螺钉21，顶紧螺钉21对琴键压板22施加顶紧力，利用杠杆原理，实现对待焊产品的压紧。此外，压紧螺杆24下端部焊接有压块25，通过旋转压紧螺杆24，对锥形瓜瓣26施加向下的顶紧进行固定，压块25的设置增大了受力面积，防止对锥形瓜瓣26产生机械损伤；

支撑结构包括手拉葫芦14、支柱结构及支撑座结构11，支柱结构设置在手拉葫芦14与支撑座结构11之间，支撑座结构11高度小于支柱结构，支柱结构顶端与底座结构7铰接，支柱结构底端及支撑座结构11底端均与车架本体12连接，手拉葫芦14一端与车架本体12铰接，手拉葫芦14另一端与底座结构7铰接。

支撑座结构11包括两个并列设置的支座及两个能够支撑底座结构7的支撑板，支撑板设置在支座上端面，本实施例中，支撑板与水平面夹角为35°，两个支撑板位于同一平面，两个支座设置在车架本体12上端面，支撑结构还包括两个连接杆8，当底座结构7水平设置时，每一压梁1远离铰接端的端部均通过一个连接杆8与车架本体12连接。

拼焊装置还包括调距机构，调距机构包括压紧螺钉支撑座4及能够对锥形瓜瓣26进行纵向定位的压紧螺钉3，压紧螺钉支撑座4固设在模胎6一端端部，压紧螺钉3贯穿压紧螺钉支撑座4，压紧螺钉3与压紧螺钉支撑座4螺纹连接。

拼焊装置还包括22个压紧螺杆24，22个压紧螺杆24对称设置在两个压梁1上，同一压梁1上相邻的两个压紧螺杆24间距相等，每一压紧螺杆24均与压梁1螺纹连接，每一压紧螺杆24底部均设有能够对锥形瓜瓣26非焊区进行压紧的压块25。

拼焊装置还包括连接板16，连接板16一端与两个压梁1通过螺栓连接，连接板16另一端与底座结构7通过螺栓连接；

支柱结构包括两个并列设置的支柱10，两个支柱10底端与车架本体12连接，两个支柱10顶端均通过一个连接耳9与底座结构7铰接；

本实例的工作方式

首先在单块锥形瓜瓣26状态下进行焊接边余量的铣切。以锥形瓜瓣26左右两侧最外侧筋条的棱边为基准，单边预留1.5mm的焊缝收缩量，划出实际铣切线，利用壁板铣边机铣切线外的将余量铣除。

对锥形瓜瓣26纵缝焊接边采用风动铣刀手工开坡口，坡口形式为带长钝边的特殊U形坡口，如图6所示，然后采用打磨刷或拉刀对焊接区上下表面和端面进行清理打磨，去除表面氧化膜。拼焊装置能够满足水平焊接和爬坡焊接两种状态。

(1)拼焊方法中的步骤一焊接过程

两个锥形瓜瓣26之间的焊接为1V1锥形瓜瓣焊接，焊接方式为卧式平焊，即水平位置焊接，借助锥形圆环拼焊装置，如图2所示。首先将装置的模胎6及底座7调整至水平位置，将两块锥形瓜瓣26依次吊装至模胎6上，利用压紧螺钉3调整锥形瓜瓣26的纵向位移，保证两个锥形瓜瓣26大端的理论铣切线对齐，偏差不大于0.5mm。利用压梁1上的压紧螺杆24固定锥形瓜瓣26的非焊接区，防止锥形瓜瓣26产生颤动。利用紧密排布的两排琴键压板22对焊缝中心线两侧的位置进行压紧，相对的两个琴键压板间距为50mm，以保证足够的空间容纳焊枪。检查锥形瓜瓣26纵缝大端、小端上下各50mm以内的间隙和错缝，要求间隙不大于0.5mm，错缝不大于0.5mm，其余位置要求间隙不大于1mm，错缝不大于1mm。

装配完成后进行焊接。焊接工艺采用“第一层打底焊接、第二层盖面焊接及第三层盖面焊接”的单面三层自动TIG焊方法，背部采用刚性带焊漏槽的垫板支撑，垫板上开设有焊漏成形槽，焊漏槽宽20mm，深2mm，底部采用R1圆角过渡。该焊接方法可实现单面焊双面成形，无需封底焊接，其中，第一层打底焊接采用氦弧直流焊、不填丝，盖面焊采用氦氩混合保护脉冲交流焊、填丝，为保证焊缝正面成形，采用两层盖面焊接。打底焊道必须焊透，第一层盖面焊接增大焊接热输入，保证与前层焊道及两侧壁良好熔合。第二层盖面焊接浅而宽，保证向两侧母材圆环过渡。

进行第一层打底焊接之前，首先采用直流氦弧进行定位焊接，然后增加电流进行打底焊接，保证背部熔透；变换焊接程序，更换喷嘴和钨极，装填焊丝，调节送丝嘴的位置，进行两层盖面焊接，第二层盖面焊接宽度要比第一层打底焊接宽，避免熔合线重合，同时保证覆盖整个坡口宽度。焊接完成后，使用天车将两个压梁1缓慢吊起并固定，然后使用天车、四钩吊挂及弓形卡子将产品吊起、下架，进行下一组两个锥形瓜瓣26的焊接，两组第一组件的对接焊采用同样的方法。

(2)拼焊方法的步骤二焊接过程

第一组件与一个锥形瓜瓣26焊接为2V1锥形瓜瓣焊接，由于锥形瓜瓣26大端占用空间较大，如果继续采用水平位置焊接，将需要将工装做的很高很大才能满足空间要求，相应的焊接位置也会离地面很高，不便于操作，因此，在2V1锥形瓜瓣26焊接时采用了爬坡焊的方式。

首先将与两个压梁1连接的两个连接杆8进行拆除，然后通过手拉葫芦3将模胎6和底座7调整到35°，如图4所示，底座结构7以两个立柱10为支点，利用杠杆原理，在模胎6的一端用手拉葫芦14将模胎6升起，另一端落至支撑座11上。

装配压紧步骤同第一组件的焊接，依次吊装锥形瓜瓣26至焊接位置，利用压紧螺钉3保证锥形瓜瓣26大端理论刻线对齐，压紧琴键压板22及两侧的压紧螺杆24，锥形瓜瓣26大端采用升降小车进行辅助固定，防止锥形瓜瓣26自重太大影响焊缝对合。

焊接方法同第一组件的焊接方法，不同的是第二组件采用35°爬坡焊接，采用变极性TIG自动焊接系统，该系统主要由龙门、焊接机械手、变位机及人机操控台等部分组成。通过机采用自动焊接程序，可以更加量化控制焊接速度等关键参数，实现焊缝热输入的精细控制，通过对焊接机器人示教编程控制焊枪轨迹及姿态控制，保证焊枪行走轨迹与焊缝的对中性。

(3)拼焊方法的步骤三焊接过程

两个第二组件之间的焊接为3V3锥形瓜瓣焊接，3V3锥形瓜瓣26焊接同样35°爬坡焊，3V3焊缝共焊接2条，同样依次进行装配、焊接。由于3V3锥形瓜瓣26需要焊接两条缝，当装配完其中一条焊缝的时候，另一条处于自由状态，焊接变形不可控，因此，在两个第三组件装配完成之后，对另一条焊缝进行了手工定位，定位位置为锥形瓜瓣26的大、小端，定位长度50mm左右。焊接方法同2V1锥形瓜瓣26的焊接。

如图2、4所示，在进行锥形瓜瓣26装配时，压梁1和底座结构7的另一侧通过连接板16进行连接。

以上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 (2)

1.一种锥形圆环拼焊方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：两组能够组成锥形圆环结构的锥形瓜瓣(26)，每组包括三个所述锥形瓜瓣(26)，将每组中的两个所述锥形瓜瓣(26)之间均进行对接焊，焊接后的两个所述锥形瓜瓣(26)为第一组件；

步骤二：将每组剩余的一个所述锥形瓜瓣(26)与同组的所述第一组件之间进行对接焊，一个所述锥形瓜瓣(26)与一个所述第一组件焊接后为第二组件；

步骤三：将两组的第二组件之间进行对接焊，焊接后的两个所述第二组件为锥形圆环；

对接焊过程中包括如下步骤：

步骤一：在两个待焊工件相邻的待焊接端面处分别设置焊接坡口，两个焊接坡口组成U形坡口，所述U形坡口以两个所述待焊工件之间间隙的中心线为轴线轴对称设置；

步骤二：在U形坡口内由下至上依次进行第一层打底焊接、第二层盖面焊接及第三层盖面焊接；

所述U形坡口的钝边为p，p＝10mm-12mm；所述U形坡口的坡口宽度为a，a＝14mm-22mm，所述U形坡口的平台宽度为b，b＝8mm-12mm，所述U形坡口底部对称设有过渡圆角，所述过渡圆角的半径为R，R＝3mm-5mm。

2.根据权利要求1所述的一种锥形圆环拼焊方法，其特征在于：每一所述锥形瓜瓣(26)均为滚弯成形。