CN113182748B - 一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接支撑工装及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接支撑工装及焊接方法，支撑工装包括转接盘、内撑弧块、扇形蒙皮内撑环、弧形蒙皮内撑环；所述弧形蒙皮内支撑环用于组成圆环，两个转接盘同轴布置，每个转接盘与安装在其边缘的扇形蒙皮内撑环组成圆形内撑；多个圆环对称分布在两个转接盘四周，圆形内撑与圆环之间、圆环与圆环之间通过内撑弧块连接，每个连接处的内撑弧块上设置缝隙，所有的内撑弧块位于同一球型面上。

Description

一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接支撑工装及焊接 方法

技术领域

本发明涉及一种大型薄壁球形壳体的焊接方法，尤其是一种大型铝合金薄壁球型壳体的焊接方法，主要应用于载人航天器产品生产。

背景技术

在航天器产品，特别是载人航天器产品生产中，大型铝合金薄壁球形壳体焊接构件属于关键产品，制造难度极高。普通方法大多采用球冠一次成型后焊接的方法，球冠成型方法一般为整体机械加工和深成型，整体机械加工对材料需求高，加工量巨大；深成型难度大，废品率高，球冠形状精度差；因此球冠整体机械加工和深成型制造成本非常昂贵。因此需提供一种可用于球形壳体结构产品的先进制造方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接方法。

本发明解决技术的方案是：一种球型壳体结构焊接支撑工装，包括转接盘、内撑弧块、扇形蒙皮内撑环、弧形蒙皮内撑环；

所述弧形蒙皮内支撑环用于组成圆环，两个转接盘同轴布置，每个转接盘与安装在其边缘的扇形蒙皮内撑环组成圆形内撑；多个圆环对称分布在两个转接盘四周，圆形内撑与圆环之间、圆环与圆环之间通过内撑弧块连接，每个连接处的内撑弧块上设置缝隙，所有的内撑弧块位于同一球型面上。

优选的，还包括连接轴，所述连接轴安装在两个圆形内撑之间。

优选的，所述的圆环数量为4个。

一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接方法，包括如下步骤：

(1)组装所述的支撑工装；

(2)将分形壳体零件毛坯安装到支撑工装上，使用焊口压板进行固定，利用焊口压板固定切削位置；

(3)对分形壳体零件毛坯进行精加工，精确加工焊口，加工时，支撑工装中内撑弧块上的缝隙作为切削时的铣刀槽；拆下已加工好的分形壳体零件，对分形壳体零件进行焊前清洗和清理；

(4)在所述支撑工装上同步安装所有的分形壳体零件，并使用焊口压板进行固定，并保证待焊接分形壳体零件焊口对齐情况达到焊口装配要求；

(5)进行焊接，所述支撑工装中内撑弧块上的缝隙作为焊漏槽；待所有焊缝焊接完成后，从支撑工装圆环内部拆卸支撑工装。

优选的，步骤(3)中的精加工一次安装一块分形壳体零件毛坯，或者安装多个使用同一个基准进行加工的分形壳体零件毛坯。

优选的，所述焊口装配要求为焊口错边＜0.5mm，间隙＜0.5mm。

优选的，步骤(4)中装配分形壳体零件过程中，针对待焊接的两块分形壳体零件在装配过程中对其焊口施加预拉伸力，以消除或减小焊接变形，同时保证焊接零件受力均匀。

优选的，不同材料、规格以及不同的焊接方法会导致焊接过程产生不同的焊接应力以及焊接收缩量，通过焊接过程的模拟仿真结合焊前试验确定焊接应力以及焊接收缩量，根据焊接应力值的多少确定预拉伸力，通过焊接收缩量调整焊前零件尺寸确保焊后零件尺寸满足要求。

优选的，步骤(5)中对称安排焊接顺序。

优选的，装配过程中保证4个圆环内撑以及2个圆形内撑与定位环的同轴度≤±0.2mm，与定位面的平面度≤±0.2mm，同时保证对称的2个圆环内撑以及对称的圆形内撑的垂直度≤±0.1mm。对称的2个圆环内撑及对称的圆形内撑的距离误差≤±0.1mm。

本发明适用于球直径SR≥3000mm的铝合金球形壳体结构的焊接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明对球形结构进行分解，分组为一定数量的分形球壳，分别单独加工或分组加工，大大降低球壳整体结构的加工制造难度，达到实现壳体可制造性的目的。通过同步装配解决了球壳整体形状精度控制的难题，避免了装配-焊接····装配-焊接多次往复过程对球体形状和结构强度的影响，为获得长寿命、高可靠性的球形航天器焊接结构提供了技术途径。

①加工难度低、精度高、成本低

对球形结构进行分解，分组为一定数量的分形球壳，分别单独加工或分组加工，大大降低球壳整体结构的加工制造难度，达到实现壳体可制造性的目的，分形球壳结构简单，加工方便。利用球形支撑定位分形球壳，可以非常好的控制分形球壳的形状精度和加工精度，大大降低了后续保证球壳整体结构尺寸的难度，同时大大减低生产成本。

②有效消除焊接变形、保证球壳形状精度

本发明采用同步装配方式，针对待焊接薄壁零件的两部分分别施加预拉伸力，并分别采用拉力传感器独立实时测量，确保零件内部预置的应力均匀、稳定，预拉伸力值精确可控，从而保证了消除(减小)焊接变形效果的均匀性、稳定性和批量焊接生产的质量一致性。同步装配焊接可以对称安排焊接顺序，均匀分布焊接应力，较好的控制焊接变形对舱体球壳形状精度的影响。

③工装可重复使用，并可作为精加工装

球形支撑工装具有可以重复拆卸和安装的特性，安装后可以对球壳进行刚性支撑，拆卸后可以从球壳内顺利取出，同时可以多次重复使用。球形支撑工装具有多用途，除作为焊接支撑工装外，分形球壳在球形支撑工装上进行精密加工，保证焊接时的装配精度。

④方法的适用性

在航天器产品，特别是载人航天器产品生产中，大型铝合金薄壁球形壳体焊接构件属于关键产品，制造难度极高。使用本发明的方法可以大大降低制造难度，保证制造精度。本方法适用于所有的大型球形零件的制造，与本发明中相似的零件制造均可采用此方法，由于本方法能在高质量的基础上大大减低成本，故应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明应用于VPPA焊接的预拉伸方法的工艺流程图；

图2为球形支撑装置示意图；

图3为本发明分形壳体示意图；

图4为本发明分形壳体装配成球壳结构示意图；

图5(a)(b)为本发明两种焊口压板示意图；

图6应用本方法进行焊接时的待焊接状态。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

图2给出一种独特的支撑工装结构形式，工装采用笼式内撑外压结构，采用模块化设计，主体结构包括蒙皮内撑环，内撑弧块，转接盘，连接轴等模块，各模块之间均通过销钉定位，通过螺钉连接，使工装具有较高的重复装配精度，重复装配误差小于0.2mm，工装结构具有通用性和组合性，能够在不同的焊接设备上使用，且各模块之间拆卸方便，组装灵活。所述弧形蒙皮内支撑环用于组成圆环，两个转接盘同轴布置，每个转接盘与安装在其边缘的扇形蒙皮内撑环组成圆形内撑；多个圆环对称分布在两个转接盘四周，圆形内撑与圆环之间、圆环与圆环之间通过内撑弧块连接，每个连接处的内撑弧块上设置缝隙，所有的内撑弧块位于同一球型面上。具体针对图2给出的实例，转接盘，共2块，上下个1块；内撑弧块，共8处，每处2块，2块内撑弧块之间缝隙为焊漏槽，焊漏槽同时作为切削时的铣刀槽；扇形蒙皮内撑环，共8块，上下各4块，1块转接盘与4块扇形蒙皮内撑环组成1个圆形内撑；弧形蒙皮内撑环，共16块，每4块组成1个圆环内撑，共4个圆环内撑，分布在四周；2个圆形内撑与4个圆环内撑通过8处内撑弧块组成支撑工装，为保证刚度在2个圆形内撑之间增加4个连接轴。装配过程中可通过调整铜箔保证装配精度，通过周向旋转的方式，使得4个圆环内撑以及2个圆形内撑与定位环(装配时预先给出的基准)的同轴度≤±0.2mm，与定位环上的定位面的平面度≤±0.2mm，同时保证对称的2个圆环以及对称的圆形内撑的垂直度≤±0.1mm。对称的2个圆环及对称的圆形内撑的距离误差≤±0.1mm。

支撑工装作为焊接工装的基础上可作为机加工作，进一步减小加工成本。分型壳体零件通过冲压成型后通过支撑工装及焊口压板进行固定，再通过铣削方式加工成最终待焊状态。

如图1所示，一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接方法步骤如下：

1)按照图2将支撑工装进行组装。支撑工装中内撑弧板的位置及数量与壳体分型有关，从加工工艺、焊接可行性以及焊后精度保证、成本等角度考虑，针对六个开口的球型壳体结构一般采用图4所示的对称的方式进行分型。

2)将分形壳体零件毛坯(图3)安装到支撑工装上，使用焊口压板(图5)进行固定。

3)对分形壳体零件毛坯进行精加工，精确加工焊口。一次可以安装一块分形壳体零件毛坯，也可以安装多个使用同一个基准进行加工，提高加工精度。本工装的焊漏槽同时作为切削时的铣刀槽，进行切边时铣刀不会伤及工装。焊口压板可以固定蒙皮切削位置，避免蒙皮自由状态下切削产生颤刀影响焊口切边精度。

4)拆下分形壳体零件。

5)对分形壳体零件进行焊前清洗和清理。

6)在支撑工装上同步安装所有的分形壳体零件，并使用焊口压板进行固定如图6所示。装配完成后，检查待焊接分形壳体零件焊口对齐情况，要求焊口错边＜0.5mm，间隙＜0.5mm。如果达不到上述要求，稍稍松开焊口压板的压紧螺钉，微调分形壳体零件，直到达到焊口装配要求。

7)焊口达到装配要求后，紧固焊口压板的压紧螺钉，固定分形壳体零件，操作焊机进行焊接。焊接完成后，不能马上拆下焊接零件，必须待所有焊缝焊接完成后，方可拆下。这样可以获得最好的降低焊接应力和控制焊接变形的效果。

本发明采用同步装配方式，针对待焊接薄壁零件的两部分分别施加预拉伸力，并分别采用拉力传感器独立实时测量，确保零件内部预置的应力均匀、焊缝质量稳定一致性更高，为批量生产打下了件事的基础。不同材料、规格以及不同的焊接方法会导致焊接过程产生不同的焊接应力以及焊接收缩量，通过焊接过程的模拟仿真结合焊前试验确定焊接应力以及焊接收缩量，根据焊接应力值的多少确定预拉伸力，通过焊接收缩量调整焊前零件尺寸确保焊后零件尺寸满足要求。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (11)

1.一种球型壳体结构焊接支撑工装，其特征在于：包括转接盘、内撑弧块、扇形蒙皮内撑环、弧形蒙皮内支 撑环；

所述弧形蒙皮内支撑环用于组成圆环，两个转接盘同轴布置，每个转接盘与安装在其边缘的扇形蒙皮内撑环组成圆形内撑；多个圆环对称分布在两个转接盘四周，圆形内撑与圆环之间、圆环与圆环之间通过内撑弧块连接，每个连接处的内撑弧块上设置缝隙，所有的内撑弧块位于同一球型面上。

2.根据权利要求1所述的支撑工装，其特征在于：还包括连接轴，所述连接轴安装在两个圆形内撑之间。

3.根据权利要求1所述的支撑工装，其特征在于：所述的圆环数量为4个。

4.一种同步装配分形拼焊的球形壳体结构焊接方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)组装权利要求1所述的支撑工装；

(2)将分形壳体零件毛坯安装到支撑工装上，使用焊口压板进行固定，利用焊口压板固定切削位置；

(3)对分形壳体零件毛坯进行精加工，精确加工焊口，加工时，支撑工装中内撑弧块上的缝隙作为切削时的铣刀槽；拆下已加工好的分形壳体零件，对分形壳体零件进行焊前清洗和清理；

(4)在所述支撑工装上同步安装所有的分形壳体零件，并使用焊口压板进行固定，并保证待焊接分形壳体零件焊口对齐情况达到焊口装配要求；

(5)进行焊接，所述支撑工装中内撑弧块上的缝隙作为焊漏槽；待所有焊缝焊接完成后，从支撑工装圆环内部拆卸支撑工装。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：步骤(3)中的精加工一次安装一块分形壳体零件毛坯，或者安装多个使用同一个基准进行加工的分形壳体零件毛坯。

6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：所述焊口装配要求为焊口错边＜0.5mm，间隙＜0.5mm。

7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：步骤(4)中装配分形壳体零件过程中，针对待焊接的两块分形壳体零件在装配过程中对其焊口施加预拉伸力，以消除或减小焊接变形，同时保证焊接零件受力均匀。

8.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：不同材料、规格以及不同的焊接方法会导致焊接过程产生不同的焊接应力以及焊接收缩量，通过焊接过程的模拟仿真结合焊前试验确定焊接应力以及焊接收缩量，根据焊接应力值的多少确定预拉伸力，通过焊接收缩量调整焊前零件尺寸确保焊后零件尺寸满足要求。

9.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：步骤(5)中对称安排焊接顺序。

10.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：装配过程中保证4个圆环内撑以及2个圆形内撑与定位环的同轴度≤±0.2mm，与定位面的平面度≤±0.2mm，同时保证对称的2个圆环内撑以及对称的圆形内撑的垂直度≤±0.1mm；对称的2个圆环内撑及对称的圆形内撑的距离误差≤±0.1mm。

11.根据权利要求4-10之一所述的焊接方法，其特征在于：适用于SR≥3000mm的铝合金球形壳体结构的焊接。

Images