CN112453640A - 一种小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，利用调圆点焊工装进行装配，改进定位方法，拘束筒体翻边，选择合理焊接参数，焊接顺序，抑制焊接变形，实现小锥角薄壁壳体环缝焊接。本发明的有益效果是：实现了对小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形地有效控制，焊缝质量达到QJ175‑93Ⅰ级标准，满足产品设计指标要求。

Description

一种小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法
技术领域
本发明属于超高强度钢承压结构件焊接制造技术范畴，涉及如何控制一种壳体焊接错位变形的方法。
背景技术
为满足固体火箭发动机轻质高强设计性能需求，壳体选用低合金高强结构钢材料为薄壁结构件，采用焊接方法自动氩弧焊或者真空电子束焊，用涨瓣内撑式焊接工装装配定位保证焊接装配质量，外压箍式工装防止焊接错位变形。相比氩弧焊方法，电子束焊接具有焊接能量集中、热影响区及变形小等工艺优势，但焊前装配要求高，设备复杂，生产成本较高，使用条件限制，焊接质量要求高。利用涨瓣内撑式焊接工装装配薄壁壳体(筒体与连接件)对接焊缝时，调整的焊前错位精度必须满足焊接要求。从工装使用效果来看加剧对接缝外翻趋势而引起焊接变形，虽增加外压工装进行拘束，一旦使用参数不当，焊接过程中装配应力、焊接应力进一步释放，不仅不利于焊接变形的控制，还会造成焊缝裂纹等缺陷产生。因此，采用外压内撑式装配固定方法进行真空电子束焊接薄壁结构壳体存在一定的技术局限。
自动氩弧焊方法对焊前装配要求较低，焊缝焊接错位变形不宜控制，焊前采用涨瓣内撑式装配，工装外压，由于零件状态不一，焊接时热影响区较大，焊接过程不易控制，直接增加焊缝变形。采用外压箍连接定位点焊固定，拉杆工装装配，钨极自动氩弧焊方法焊接工艺，工艺成本降低，焊接错位变形问题仍然没有得到有效地控制。某类筒形结构件为一种小锥角薄壁筒形壳体，某批次焊接变形大，合格率不足60％，严重影响和制约了某发动机设计研制周期和制造水平，成为研制过程中一项关键工艺瓶颈技术问题。
查阅相关专利了解到对于薄壁筒形件焊接错位通常借助焊接工装进行内撑或外压方式来控制，因零件设计结构及焊缝质量要求差异所致，所用工装及控制方法却不能解决带小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，利用调圆点焊工装进行装配，改进定位方法，拘束筒体翻边，选择合理焊接参数，焊接顺序，抑制焊接变形，实现小锥角薄壁壳体环缝焊接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
a)装配前预留对接焊口尺寸余量；
b)焊接前对锥筒体进行低温消除应力退火；
c)将前连接件和锥形筒体的对接焊口以及后连接件和锥形筒体的对接焊口分别固定在环状焊接工装中，每个环状焊接工装分别包括外夹套和压紧螺钉，每个环状的外夹套上有两排环状均布的螺孔，对接焊口位于两排螺孔之间，压紧螺钉穿过螺孔顶紧连接件或锥形筒体，通过调节压紧螺钉，调整对接焊口错位；
d)进行定位点焊；
e)采用一顶一夹方式，将固定好的工件装夹在焊接设备上；
f)壳体环缝采用自动氩弧焊方法，焊接三遍，第一遍打底焊不填丝，第二遍填丝焊，第三遍不填丝焊接。
所述的对接焊口尺寸余量是指锥筒后端外径比后连接件对接焊口处外径大0.4～0.6mm，锥筒前端外径与前连接件对接焊口处外径小0.2～0.4mm。
所述的压紧螺钉端部为铜质压帽，防止压伤筒体。
所述的压紧螺钉与对接焊口的距离为6～8mm。
所述的定位点焊采用整圈不填丝对称点焊，沿点焊工装的连接块间隔处数量36处；拆去点焊工装后进行手工焊加固，长度控制在15～25mm，焊接电流控制在60～80A，增加对接焊口拘束度，防止焊接时加剧焊接错位。
所述的步骤f)中每焊完一遍，间隔5分钟，减小焊缝受热条件下的变形累积效应。
本发明的有益效果是：实现了对小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形地有效控制，焊缝质量达到QJ175-93Ⅰ级标准，满足产品设计指标要求。本发明效果弥补现有技术不足，降低质量风险隐患，益处具体在于：
a)焊前通过调整零件配车尺寸，对筒体进行消除应力退火热处理，有效改善零件焊前装配条件，提高装配精度，减小零件装配对焊接变形的影响。
b)既未采用电子束焊涨瓣内撑方式工装，也未采用氩弧焊接拉杆式工装进行装配零件，通过调圆工装夹具进行装配，利用该工装结构和功能实现焊前装配错位调整，装配定位固定后，拆去焊接工装，减小装配应力和工装约束，大幅降低焊接工装对工件焊接过程的影响。
c)根据具体产品结构和工艺特点，合理定位点焊固定、施焊顺序以及采取的工艺参数，在保证焊缝成型要求和外观质量的前提下，有效地控制焊接线能量输入，避免因多次焊接导致焊接变形效果叠加。
d)从实施效果来看，焊接工艺流程各工步上采取的技术方法控制措施均能有效地抑制焊缝错位变形量，焊缝质量满足航天产品用超高强度钢熔焊技术条件Ⅰ级标准要求。
e)后道工艺流程中焊缝接头通过力学性能及水压水爆考核试验，产品质量可靠，焊缝接头强度全部满足设计要求。
本发明成果已成功应用于同材料多种型号发动机燃烧室壳体焊接生产验证，成功地解决小锥角薄壁筒形件焊缝错位超差变形的技术难题。
附图说明
图1是某发动机燃烧室壳体焊接装配示意图；
图2是某发动机燃烧室壳体点焊工装示意图；
图中，1-前连接件，2-燃烧室壳体前端点焊工装，3-锥形筒体，4-燃烧室壳体后端点焊工装，5-后连接件，6-外夹套，7-压紧螺钉，8-压帽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种控制焊缝错位变形的工艺方法。经分析该薄壁燃烧室壳体错位变形大与零件状态及对接焊口尺寸精度，装配定位、施焊顺序和焊接参数规范有关。影响该发动机薄壁壳体焊接变形工艺流程主要包括：焊件装配→定位点焊→装夹→焊接解决壳体环缝焊接错位变形的技术途径措施：
a)装配前预留对接焊口尺寸余量。锥筒后端外径比后连接件对接焊口处外径增大0.4mm～0.6mm，锥筒前端外径与前连接件对接焊口处外径小0.2mm～0.4mm。
b)焊接前，对锥筒体进行低温消除应力退火，减小锥筒口部扩径翻边，改善锥形筒体圆度。
c)改进燃烧室壳体装配方法。图1给出某发动机燃烧室壳体装配示意图。分别用燃烧室壳体前端点焊工装2和燃烧室壳体后端点焊工装4将前连接件1、锥形筒体3、后连接件5进行装配，调整对接错位，定位点焊固定，不再使用拉杆式工装。燃烧室壳体前端点焊工装2和燃烧室壳体后端点焊工装4设计结构及使用功能完全相同，仅仅工装尺寸大小存在差异。以燃烧室壳体前端点焊工装2为例，该工装由外夹套6、压紧螺钉7和压帽8(铜制材料，防止压伤筒体)三部分组成。外夹套6圆周方向上分布18×两排压紧螺钉7，每件压紧螺钉7底部装上铜制压帽8(螺纹连接)，调整对接焊口错位。装配时将燃烧室壳体前端点焊工装2套装在锥筒前端，使对焊面位于在点焊工装两排压紧螺钉中间约6mm～8mm处，用压紧螺钉7压住锥形筒体，装上前连接件，用另一排压紧螺钉固定。
d)优化点焊工艺方法。装配合格后进行定位点焊。整圈不填丝对称点焊，沿点焊工装的连接块间隔处数量36处。拆去点焊工装，手工焊加固，长度控制在15mm～25mm，焊接电流控制(60～80)A以内，增加对接焊口拘束度，防止焊接时加剧焊接错位。
e)采用一顶一夹方式，将装配定位固定好的工件装夹在焊接设备上。
f)合理施焊顺序，改进焊接方法。壳体环缝采用自动氩弧焊方法，焊接三遍：第一遍打底焊不填丝；第二遍填丝焊，第三遍不填丝焊接。每焊完一遍，间隔5分钟，减小焊缝受热条件下的变形累积效应。保证焊缝成型要求，选择参数规范偏下限的工艺参数，减小线能量输入，控制焊接错位变形。
下面以一种小锥角薄壁筒形结构件为例，通过该项技术发明焊接某发动机燃烧室壳体环缝时错位变形得以控制。
某发动机燃烧室壳体材料为D406A超高强度钢，由前连接件、锥形筒体、后连接件三部分焊接成形。锥形筒体壁厚仅1.9mm，总长大于3000mm,直径大于400mm,由于锥筒存在0.508°半锥角，前端、后端外径尺寸相差20mm以上。因长径比大，壁薄焊接时易变形。壳体环焊缝质量满足QJ175-93Ⅰ级标准，焊后错位高度不大于0.4mm，局部错位不大于0.6mm。表1给出组焊三种零件加工成型方法及热处理状态。组焊的三种零件状态差异较大，焊接过程出现不同程度变形，导致焊后错位超差，产品质量稳定性较差。成品率低。
表1三种零件加工成型方法及热处理状态
Figure BDA0002778678300000041
Figure BDA0002778678300000051
焊接该燃烧室壳体时，具体流程措施实施如下：
a)装配前预留对接焊口尺寸：对接焊口处锥筒后端外径比后连接件外径增大0.5mm，锥筒前端外径与前连接件外径小0.3mm，焊前装配尺寸前连接件、锥筒前后端、后连接件逐渐变大。
b)对锥形筒体进行400℃+4小时低温消除应力退火。
c)利用燃烧室壳体前端、后端点焊工装装配前连接件、锥形筒体、后连接件，装配时使对接焊缝位于在点焊工装两排压紧螺钉中间约6mm～8mm处，用压紧螺钉压住各零件，调整焊前对接错位。
d)整圈不填丝对称点焊36处。拆去点焊工装，手工焊加固，长度控制在20mm左右，焊接电流75A，增加对接焊口拘束度。
e)采用一顶一夹方式，将装配定位固定好的工件装夹在焊接设备上。
f)采用自动氩弧焊方法，焊接三遍：第一遍打底焊不填丝；第二遍填丝焊，第三遍不填丝焊接。每焊完一遍，间隔5分钟。表2给出XX01#燃烧室壳体前后端环缝焊接工艺参数。
表2XX01#燃烧室壳体数据明细表
Figure BDA0002778678300000052
该发动机燃烧室壳体连续三个批次焊接了48发、23发、28发壳体，焊缝质量满足QJ175-93Ⅰ级要求，焊后壳体两端焊缝错位不大于0.4mm，局部达到0.6mm，均满足设计工艺指标要求，产品焊接合格率均为100％，产品全部通过水压考核试验测试，未出现质量问题，最终通过验收。
表3某发动机燃烧室壳体错位及合格率数据统计单位mm
Figure BDA0002778678300000061
采用该项技术发明，某发动机薄壁燃烧室壳体焊后错位得到有效地控制，生产同种材料其它型号产品近三百余件，产品合格率99.6％，未发生焊缝错位变形超差质量问题。

Claims (6)

1.一种小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)装配前预留对接焊口尺寸余量；
b)焊接前对锥筒体进行低温消除应力退火；
c)将前连接件和锥形筒体的对接焊口以及后连接件和锥形筒体的对接焊口分别固定在环状焊接工装中，每个环状焊接工装分别包括外夹套和压紧螺钉，每个环状的外夹套上有两排环状均布的螺孔，对接焊口位于两排螺孔之间，压紧螺钉穿过螺孔顶紧连接件或锥形筒体，通过调节压紧螺钉，调整对接焊口错位；
d)进行定位点焊；
e)采用一顶一夹方式，将固定好的工件装夹在焊接设备上；
f)壳体环缝采用自动氩弧焊方法，焊接三遍，第一遍打底焊不填丝，第二遍填丝焊，第三遍不填丝焊接。
2.根据权利要求1所述的小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，其特征在于，所述的对接焊口尺寸余量是指锥筒后端外径比后连接件对接焊口处外径大0.4～0.6mm，锥筒前端外径与前连接件对接焊口处外径小0.2～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，其特征在于，所述的压紧螺钉端部为铜质压帽，防止压伤筒体。
4.根据权利要求1所述的小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，其特征在于，所述的压紧螺钉与对接焊口的距离为6～8mm。
5.根据权利要求1所述的小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，其特征在于，所述的定位点焊采用整圈不填丝对称点焊，沿点焊工装的连接块间隔处数量36处；拆去点焊工装后进行手工焊加固，长度控制在15～25mm，焊接电流控制在60～80A，增加对接焊口拘束度，防止焊接时加剧焊接错位。
6.根据权利要求1所述的小锥角薄壁筒形壳体焊接错位变形控制方法，其特征在于，所述的步骤f)中每焊完一遍，间隔5分钟，减小焊缝受热条件下的变形累积效应。
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