CN113070563A - 一种航空航天用厚壁管的焊接工艺及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明一种航空航天用厚壁管的焊接工艺及其设备，用于解决电磁脉冲焊不能够用于连接相同大小的管材的问题，包括：工件安装、对齐，预处理，焊接，焊后保温，所述预处理通过磨削的方式将两个工件接触的部分进行倒角，两个工件倒角的角度不同，两个工件的倒角相互接触后就形成接触角，从而为电磁脉冲焊创造了条件，用于焊接的设备包括：轴杆、轮架、顶块，所述轮架间隔安装在轴杆上，轮架的边缘与工件内壁接触，对轴杆进行支撑，轴杆上还设置有磨削部分，在两个工件的接触的端面磨削出倒角，便于在接触后形成接触角，所述顶块位于轴杆上，对焊接接头进行支撑；通过上述技术方案能够利用电磁脉冲焊对相同大小的管材进行焊接，保证更好的焊接效果。

Description

一种航空航天用厚壁管的焊接工艺及其设备

技术领域

本发明属于电磁脉冲焊接技术领域，具体涉及一种航空航天用厚壁管的焊接工艺及其设备。

背景技术

航空航天领域由于使用环境的特殊性，对材料有更高的要求，而焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子或分子间结合力而连接成一体的连接方法，狭义来讲，焊接通常是指金属间的焊接，焊接在航空航天领域中也有极为重要的作用，焊接种类繁多，根据焊接过程中焊接区域材料的状态，焊接被分为三类，固态焊、半固态焊、熔化焊，所述熔化焊是目前研究最完善、应用最为广泛的焊接方式，这种方式的基本方法是先局部加热熔化需要焊接的母材,然后冷却结晶形成焊缝，这种焊接方式最重要的特点是在相对较短的时间内完成复杂的相变过程,有较大的热影响区,焊接环境对焊缝的质量有较大的影响。半固态焊是利用某些熔点低于被连接构件的材料作为连接媒介物质,先加热媒介物质使其熔化而被连接件不熔化,熔化的材料在连接界面上流散浸润,然后冷却结晶形成结合面的方法，这种焊接方法必须包含加热过程,焊接中需要保护措施以使熔化的钎料不跟空气接触。固态焊接是利用摩擦、扩散和加压等物理作用克服两个连接表面的不平度,除去氧化膜及其他污染物,使两个连接表面上的原子相互接近到晶格距离,从而在固态条件下实现连接的方法固态焊接的种类繁多, 熔化焊接较难实现。同时,这类金属及其合金普遍都有氧化膜的存在,这也加大了焊接的难度。

为了解决这类问题,将待焊工件中的一种或两种瞬间提升到较高速度并使其发生高速碰撞,工件之间可以形成良好的焊接接头,这种焊接方式为高速碰撞焊。现有高速碰撞焊主要包括爆炸焊、电磁脉冲焊和激光冲击焊等。其中电磁脉冲焊是目前使用较广的一种，相比于熔化焊，不需要加热，焊接速度快，电容器组充电只需十几秒，生产效率高，而且焊接接头牢固，稳定且可靠。

但是现有的利用电磁脉冲焊来加工管件的技术，主要是在半径不同的管件套接后在进行焊接的，而对于完全相同的两段管材的加工，很难通过电磁脉冲焊来操作，因为电磁脉冲焊需要两个待焊工件形成一个接触角，因此对于这种情况往往是直接采用熔化焊来处理。

发明内容

本发明的目的是针对相同大小的厚壁管连接所提供的一种航空航天用厚壁管的焊接工艺及其设备，通过设备的预处理，能够在相同大小的厚壁管连接加工的过程中应用电磁脉冲焊，从而提高连接部分的稳定性，从而能够满足航空航天领域的需要。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案;

一种航空航天用厚壁管的焊接工艺，包括：工件安装、对齐，预处理，焊接，焊后保温，所述预处理通过磨削的方式将两个工件接触的部分进行倒角，两个工件倒角的角度不同，两个工件的倒角相互接触后就形成接触角；所述焊接为电磁脉冲焊。

一种航空航天用厚壁管的焊接设备，包括：轴杆、轮架、顶块、磨削部分，所述轴杆与两个待焊工件的轴线重合，所述轮架安装在轴杆上，轮架不止一个，均匀设置在轴杆上，对轴杆进行支撑；

所述轮架包括：环架、轮杆、主轴承，所述环架是环形的支架，多个半径不同的环架以同心圆的形式设置在同一平面，所述环架之间通过支撑网进行连接，所述主轴承的内环固定在轴杆外侧，主轴承的外环通过支撑网与环架连接，使轮架不随轴杆转动，所述轮杆是一根安装在环架上，端部设置有活动轮的长杆，其活动轮与工件内壁接触；

所述顶块包括顶环、保温板，所述顶环是环状结构，顶环的截面半径小于工件的内径，轴杆穿过顶环中心的通孔，顶环与轴杆之间设置有轴承，所述保温板安装在顶环左右两侧的平面上；

所述磨削部分包括：套管、磨桨、连杆、调节块，所述套管安装在轴杆上，随轴杆的转动而转动，套管上设置有磨桨、调节块，所述磨桨是对工件端面进行研磨的磨片，磨桨可转动连接在套管外，所述磨桨通过连杆与调节块连接，通过调节块在套管轴线上的运动，来控制磨桨的展开以及收拢。

进一步地，所述轮杆的延长线穿过环架的几何中心，且相邻轮杆之间的夹角相同。

进一步地，所述轮杆的杆体部分设置有外螺纹，通过螺栓连接与环架连接。

进一步地，所述磨桨磨桨上有两个磨面，能够同时对两个工件进行磨削，磨面与工件端面接触的位置设置有磨片，所述磨片是表面粗糙的摩擦面。

进一步地，所述磨桨的两个磨面不是平行的，二者延长线的夹角小于45°。

进一步地，所述调整块包括：活动小车、电动推杆，所述电动推杆安装在套筒上，电动推杆的伸缩杆运动方向与套筒轴线方向平行，所述电动推杆与活动小车连接，所述活动小车与连杆铰接，所述连杆一端与活动小车铰接，另一端与磨桨铰接。

本发明至少具有以下有益效果：

（1）通过预处理在两个工件相接触的端部加工出倒角，从而便于下一步的电磁脉冲焊操作，而且倒角是通过轴杆上的磨削部分实现，轴杆上同时还设置有顶块，预处理结束后，可以更快的进行焊接，二者集成在一起更加节约时间。

（2）通过磨削形成不同角度的倒角，从而在接触后能够形成接触角，因此可以通过调整磨削部分中磨桨的形状，来调整接触角的大小。

（3）磨削以及焊接后产生的热量通过焊后保温而降低降温速度，热量得到充分的利用，而且在磨削阶段产生的残余应力，随焊接阶段受到冲击力、焊后保温而减少，从而提高焊接接头的强度。

附图说明

构成本申请一部分的说明书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。

附图中：

图1示意性示出了本发明的使用状态图；

图2示意性示出了沿图1中A-A线剖开的剖面结构示意图；

图3示意性示出了本发明中磨桨的结构示意图；

图4示意性示出了经过本发明预处理后两个工件接触后的状态；

图5示意性示出了图1中B部分的局部放大图；

图6示意性示出了本发明中顶块部分的剖面结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-轴杆，2-轮架，21-环架，22-支撑网，23-主轴承，24-轮杆；

31-顶环，32-保温板，33-内囊；

41-套管，42-电动推杆，43-活动小车，44-连杆，45-磨桨，46-磨片；

5-工件A，6-工件B。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明；除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“工件A”、“工件B”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系；应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

为方便描述，将上述的厚壁管称为工件。

实施例

如图1所示的是一种航空航天用厚壁管的焊接工艺及其设备，用于解决电磁脉冲焊不能够用于连接相同大小的管材的问题，包括：工件安装、对齐，预处理，焊接，焊后保温，所述预处理通过磨削的方式将两个工件接触的部分进行倒角，两个工件倒角的角度不同，两个工件的倒角相互接触后就形成接触角，从而为电磁脉冲焊创造了条件，用于焊接的设备包括：轴杆1、轮架2、顶块、磨削部分，所述轮架2间隔安装在轴杆1上，轮架2的边缘与工件内壁接触，对轴杆1进行支撑，所述磨削部分设置在轴杆1上，在两个工件的接触的端面磨削出倒角，便于在接触后形成接触角，所述顶块位于轴杆1上，对焊接接头进行支撑。（通过上述技术方案能够利用电磁脉冲焊对相同大小的管材进行焊接，保证更好的焊接效果）

一种航空航天用厚壁管的焊接工艺包括：工件安装、对齐，预处理，焊接，焊后保温。工件安装就是将加工设备以及待焊的工件进行安装，使两个工件的端部相互靠近，二者的轴线相互重合，安装以及对齐的工装以及方式，属于本领域技术人员通常采用的，因此，不做详细说明；所述预处理就是通过磨削的方式将两个工件相互接触的面进行倒角；随后对倒角后的部分进行电磁脉冲焊，焊接完成后，在工件外壁的焊接接头的位置覆盖隔热材料，进行焊后保温，由于是通过磨削进行倒角，预处理过程会产生大量的热量，同时在倒角周围还留有残余应力，电磁脉冲焊是属于高速碰撞焊，对工件温度没有要求，而且在碰撞过程中，原本存在残余应力的两个倒角部分在冲击的作用下实现冶金结合，残余应力大大减小，同时放出一定的热量，而且电磁脉冲焊的加工过程很快，电容器组充电只需十几秒，焊接过程约在30-100μs之内完成，因此完成后迅速进行保温，损失的热量较少，能够充分利用加工产生的热量进行焊后保温，当然也需要根据实际情况适当的增加热量，减少焊接接头的残余应力，提高焊接接头的质量。

需要说明的是：两个工件上的倒角角度是不同的，因此，二者接触后才不会完全重合，而是会形成接触角，如图2所示，为后续的电磁脉冲焊创造条件。

一种航空航天用厚壁管的焊接设备，包括：轴杆1、轮架2、顶块、磨削部分，所述轴杆1与两个待焊工件的轴线重合，所述轴杆1的两端通过现有技术进行支撑并转动，如图1所示，所述轮架2安装在轴杆1上，轮架2不止一个，均匀设置在轴杆1上，对轴杆1进行支撑，使轴杆1始终与工件的轴线重合，如图2所示，所述轮架2包括：环架21、轮杆24、主轴承23，所述环架21是环形的支架，多个半径不同的环架21以同心圆的形式设置在工件中，同一轮架2中的多个环架21位于同一平面，所述环架21之间通过支撑网22进行连接，所述支撑网22是由相互交错的长杆组成的网状结构，能够在对环架21进行支撑，而且环架21受力后，压力会通过支撑网22均匀分散到内侧的环架21上，所述主轴承23的内环固定在轴杆1外侧，主轴承23的外环通过支撑网22与环架21连接，使轮架2不随轴杆1转动，所述轮杆24是一根端部设置有活动轮的长杆，活动轮能够转动，且轮杆24的杆体部分设置有外螺纹，所述环架21设置有螺纹孔，用于与轮杆24可拆卸连接，将轮杆24旋入其中即可固定在环架21上，可以通过旋转轮杆24来调整轮杆24的长度，使之能够适应不同管径的厚壁管，在使用时，能够在工件中沿工件轴线方向运动，另外，所述轮杆24的活动轮的运动方向与工件的轴线方向相同。

需要说明的是：如图2所示，所述轮杆24的延长线穿过环架21的几何中心，且相邻轮杆24之间的夹角相同。

所述磨削部分用于对工件接触端面进行磨削，使得两个工件接触后能够形成接触角，其结构包括：套管41、磨桨45、连杆44、调节块，如图1所示，所述套管41安装在轴杆1上，随轴杆1的转动而转动，套管41上设置有磨桨45、调节块，所述磨桨45是对工件端面进行研磨的磨片46，磨桨45可转动连接在套管41外，所述磨桨45通过连杆44与调节块连接，通过调节块在套管41轴线上的运动，来控制磨桨45的展开以及收拢，不使用时，向套管41方向转动，不与工件接触。

所述磨桨45的结构如图3所示，磨桨45的底部通过转轴与套管41连接，磨桨45上有两个磨面，能够同时对两个工件进行磨削，而不是分别加工，提高了加工效率，磨面与工件端面接触的位置设置有磨片46，所述磨片46是表面粗糙的摩擦面，与工件接触后能够对其进行磨削，当然，磨片46并不是完全覆盖在磨面上，磨面的其余部分是光滑的；所述磨桨45的两个磨面不是平行的，二者延长线的夹角小于45°，因此通过转动对工件磨削后，两个工件倒角的角度是不同的，即使两个工件的管径是相同，相互接触后会形成接触角，如图4所示。

需要说明的是：如图4所示，在加工时，工件A5、工件B6不转动，而是通过磨桨45转动来进行磨削，在加工过程中，工件B6缓慢向工件A5的方向运动，便于加工出倒角，同时由于磨削过程中会产生大量的热，靠近加工面的部分受热软化，随着工件B6向工件A5的运动而受到挤压，工件B6倒角部分向外发生少量变形，随后再分开工件A5、工件B6，将磨桨45收回轴杆1方向，即完成了预处理。

所述调整块包括：活动小车43、电动推杆42，如图5所示，所述电动推杆42安装在套筒上，电动推杆42的伸缩杆运动方向与套筒轴线方向平行，所述电动推杆42与活动小车43连接，并控制活动小车43的运动，套筒上活动小车43的运动轨迹上还设置有轨道，使活动小车43能够在轨道中运动，所述活动小车43与连杆44铰接，所述连杆44一端与活动小车43铰接，另一端与磨桨45铰接，活动小车43向磨桨45与套筒连接位置运动时，磨桨45向外展开，反之，则收拢到套筒上。

所述轴杆1上还设置有顶块，在进行电磁脉冲焊时，集磁器安装在工件外侧，焊接时，在电磁力的作用下焊接接头部分会受到朝向轴线方向的压力，因此，在工件中设置顶块，顶块位于工件内焊接接头的位置，对焊接接头进行支撑，避免焊接接头部分没有支撑失败，形成的焊接接头更加美观，所述顶块包括顶环31、保温板32，所述顶环31是环状结构，顶环31的截面半径略小于工件的内径，轴杆1穿过顶环31中心的通孔，顶环31与轴杆1之间设置有轴承，在轴杆1转动时，顶环31不随之转动；如图6所示，所述保温板32安装在顶环31左右两侧的平面上，所述保温板32是保温材料制成的，用于减少热量从顶环31左右两侧平面的散失，在进行焊后保温时，能够更好的保存热量，而且由于顶块直接用于焊接过程，所以焊后只需要取下焊接装置，在工件外侧覆盖上保温或是加热装置即可进行焊后处理，使用更加方便。

进一步地，所述顶环31内还设置有内囊33，如图6所示，所述内囊33是设置在顶环31中的空腔，内囊33中填充有相变储热材料，通过相变储热材料，吸收热量并在温度更低时放热，更好的利用热量，至于相变储热材料的具体种类，使用者可以根据具体工况灵活调整，在本实施例中，不做限定。

进一步地，所述轮架2的支撑网22上覆盖有隔热材料，阻挡了气流在工件中流动，提高保温效果。

在本实施例中，所述工件以及工件的夹持装置、驱动轴干的转动装置、轴承、磨片均为成熟的现有技术，使用者可以直接购买，因此不做详细说明。

Claims (7)

1.一种航空航天用厚壁管的焊接工艺，包括：工件安装、对齐，预处理，焊接，焊后保温，其特征在于：所述预处理通过磨削的方式将两个工件接触的部分进行倒角，两个工件倒角的角度不同，两个工件的倒角相互接触后就形成接触角；所述焊接为电磁脉冲焊。

2.一种航空航天用厚壁管的焊接设备，其特征在于：包括：轴杆、轮架、顶块、磨削部分，所述轴杆与两个待焊工件的轴线重合，所述轮架安装在轴杆上，轮架不止一个，均匀设置在轴杆上，对轴杆进行支撑；

所述轮架包括：环架、轮杆、主轴承，所述环架是环形的支架，多个半径不同的环架以同心圆的形式设置在同一平面，所述环架之间通过支撑网进行连接，所述主轴承的内环固定在轴杆外侧，主轴承的外环通过支撑网与环架连接，使轮架不随轴杆转动，所述轮杆是一根安装在环架上，端部设置有活动轮的长杆，其活动轮与工件内壁接触；

所述顶块包括顶环、保温板，所述顶环是环状结构，顶环的截面半径小于工件的内径，轴杆穿过顶环中心的通孔，顶环与轴杆之间设置有轴承，所述保温板安装在顶环左右两侧的平面上；

所述磨削部分包括：套管、磨桨、连杆、调节块，所述套管安装在轴杆上，随轴杆的转动而转动，套管上设置有磨桨、调节块，所述磨桨是对工件端面进行研磨的磨片，磨桨可转动连接在套管外，所述磨桨通过连杆与调节块连接，通过调节块在套管轴线上的运动，来控制磨桨的展开以及收拢。

3.根据权利要求2所述的一种航空航天用厚壁管的焊接设备，其特征在于：所述轮杆的延长线穿过环架的几何中心，且相邻轮杆之间的夹角相同。

4.根据权利要求2所述的一种航空航天用厚壁管的焊接设备，其特征在于：所述轮杆的杆体部分设置有外螺纹，通过螺栓连接与环架连接。

5.根据权利要求2所述的一种航空航天用厚壁管的焊接设备，其特征在于： 所述磨桨磨桨上有两个磨面，能够同时对两个工件进行磨削，磨面与工件端面接触的位置设置有磨片，所述磨片是表面粗糙的摩擦面。

6.根据权利要求5所述的一种航空航天用厚壁管的焊接设备，其特征在于： 所述磨桨的两个磨面不是平行的，二者延长线的夹角小于45°。

7.根据权利要求2所述的一种航空航天用厚壁管的焊接设备，其特征在于：所述调整块包括：活动小车、电动推杆，所述电动推杆安装在套筒上，电动推杆的伸缩杆运动方向与套筒轴线方向平行，所述电动推杆与活动小车连接，所述活动小车与连杆铰接，所述连杆一端与活动小车铰接，另一端与磨桨铰接。

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