CN113333934A - 一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，包括以下步骤，步骤1，根据焊接机匣的结构，确定分部组焊方案；步骤2，在组焊的焊接零件上增设焊接收缩余量；步骤3，依据步骤1中的分部组焊方案，在焊接零件的焊接部位设置工艺安装边和工艺止口；步骤4，根据步骤1的分部组焊方案进行焊接加工；步骤5，对焊接加工后的焊接零件进行检查、修正变形；步骤6，去除焊接加工后焊接零件上的工艺安装边；步骤7，循环进行步骤4至步骤6，完成大高径比多层薄壁焊接机匣的焊接加工。通过焊接机匣的结构进行分部组焊设计，降低了组装焊接难度，可在组焊各部分时，逐步校正焊接变形，分阶段修正各层之间的各向尺寸及形位关系。

Description

一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体属于一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法。

背景技术

大高径比多层薄壁焊接机匣的特点是组焊的零件层数多，高度/直径比大，主体壁厚薄，焊接易变形。若要实现一次性组装焊接，并保证各层零件轴向尺寸及同心度，同时要确保每处接头的间隙、错边量等装配要求均在合格范围内。由于操作空间的限制，装配难度非常大，且对各层零件自身的要求过于苛刻，制造成本倍增，最重要的是即使实现了装配焊接，焊接后各向收缩变形难以控制，加上各层零件的误差累积及各向不确定因素，分段尺寸、总高尺寸会偏离理论尺寸较大，导致其余相关的尺寸及形位关系难以保证。通过中国国家知识产权局网站检索“大高径比薄壁”，相关专利有两项，1)专利名称：一种带筋大高径比薄壁环件轧挤复合成型方法，申请号：CN201710247378.5，该专利涉及的是成型方法，而本专利涉及组装焊接方法，专利内容无交集。2)专利名称：圆柱形橡胶保护套装配装置及装配方法，申请号：CN201810026728.X，该专利提供了一种装配难度小，效率高的圆柱形橡胶保护套装配装置及装配方法，而本专利为多层结构焊接机匣分部组焊方法，专利解决的方向不同。通过检索“多层薄壁焊接机匣”，相关专利有一项，专利名称：多层结构薄壁焊接机匣变形控制方法及夹具，申请号：CN201711367762.5，该专利提出了一种支撑机匣氩弧焊焊接变形控制方法及夹具，而本专利针对的是大高径比多层环件分部组焊方法，不涉及氩弧焊焊接变形控制方法及夹具。

综上所述，现有技术中大高径比多层薄壁焊接机匣的焊接方法存在装配难度大，焊接后各向收缩变形难以控制，导致尺寸及形位关系难以保证，制造成本高的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，降低了机匣焊接难度，增强了机匣的抗变形能力。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，包括以下步骤，

步骤1，根据焊接机匣的结构，确定分部组焊方案；

步骤2，在组焊的焊接零件上增设焊接收缩余量；

步骤3，依据步骤1中的分部组焊方案，在焊接零件的焊接部位设置工艺安装边和工艺止口；

步骤4，根据步骤1的分部组焊方案进行焊接加工；

步骤5，对焊接加工后的焊接零件进行检查、修正变形；

步骤6，去除焊接加工后焊接零件上的工艺安装边；

步骤7，循环进行步骤4至步骤6，完成大高径比多层薄壁焊接机匣的焊接加工。

优选的，步骤1中，在确定分部组焊方案时，遵循刚性法兰约束钣金挠性件或半刚性件的原则；当机匣的结构无刚性法兰时，增加后续工艺去除的刚性法兰。

进一步的，步骤2中，所述焊接收缩余量增设在钣金挠性件或半刚性件的端面上。

优选的，步骤4中，依据分部组焊方案的零件结构及尺寸制造夹具，夹具对分部组焊方案的零件进行固定，然后进行焊接加工。

进一步的，所述夹具上设置有定位圆引导段和外侧可拆卸角向定位销用于固定焊接零件。

优选的，步骤4中，在两个带有刚性法兰的焊接零件中焊接一个钣金挠性件或半刚性件，形成第Ⅰ部分；然后在两个带有刚性法兰的焊接零件中焊接一个钣金挠性件或半刚性件，形成第Ⅱ部分；在第Ⅰ部分和第Ⅱ部分之间焊接一个钣金挠性件或半刚性件，完成大高径比多层薄壁焊接机匣的焊接加工。

优选的，步骤5中，所述检查过程具体包括检查焊接零件的圆度、同心度、端面平面度和轴向尺寸偏离。

优选的，步骤5中，所述修正采用校正或对调整变形后焊接零件的工艺安装边进行调整补偿。

优选的，步骤6中，所述去除工艺安装边包括将工艺安装边加工成工艺止口或切割工艺安装边。

优选的，步骤6中采用车削或铣削去除焊接零件的工艺安装边。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，通过焊接机匣的结构进行分部组焊设计，降低了组装焊接难度，可在组焊各部分时，逐步校正焊接变形，分阶段修正各层之间的各向尺寸及形位关系，避免了整体组焊后变形难以校正，尺寸及形位关系无法修正的问题，同时通过增设焊接收缩余量，可精确控制各轴向尺寸；通过在法兰上设计工艺安装边及工艺止口，提升了定位压紧时的可靠性，提高了组焊部分整体的刚性，增强了抗变形能力，且更有利于各层零件的同心度控制。

进一步的，通过在钣金挠性件或半刚性件上的两端面增加收缩余量补偿因焊接收缩变形引起的高度尺寸较理论尺寸的偏差。

进一步的，通过增加工艺安装边，增加刚性，提高焊接件的抗变形能力，方便借助夹具定位、压紧。

进一步的，通过设置工艺止口，焊缝正面的工艺止口是作为填料台填入焊缝，免去了额外填加焊料，焊缝背面的工艺止口一是为了箍圆钣金挠性件，二是为了保证安装边与钣金挠性件的同心度，避免出现两零件的不同心问题，三是在电子束焊接时，用来挡电子束流，防止电子束流击伤零件主体部位。

附图说明

图1为本发明实施例Ⅰ组焊示意图；

图2为本发明实施例Ⅰ组焊a处放大示意图；

图3为本发明实施例Ⅰ组焊b处放大示意图；

图4为本发明实施例Ⅰ组焊p处放大示意图；

图5为本发明实施例Ⅱ组焊示意图；

图6为本发明实施例Ⅱ组焊c处放大示意图；

图7为本发明实施例Ⅱ组焊d处放大示意图；

图8为本发明实施例Ⅱ组焊Q处放大示意图；

图9为本发明实施例整体机匣组焊示意图；

图10为本发明实施例整体机匣组焊e示意图；

图11为本发明实施例整体机匣组焊f示意图；

附图中：1为第一法兰；2为第一筒体；3为第二法兰；4为第二筒体；5为第三法兰；6为第四法兰；7为第五法兰；1-1为第一法兰工艺止口；1-2为第一法兰自熔台；3-1为第二法兰工艺安装边；3-2为第二法兰上一端工艺止口；3-3为第二法兰上一端自熔台；3-4为第二法兰上另一端工艺止口；3-5为第二法兰上另一端自熔台；5-1为第三法兰工艺安装边；5-2为第三法兰上一端工艺止口；5-3为第三法兰上一端自熔台；5-4为第三法兰上另一端工艺止口；5-5为第三法兰上另一端自熔台；7-1为第五法兰上工艺止口；7-2为第五法兰上自熔台。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供一种大高径比多层薄壁焊接机匣，通过设计工艺安装边及工艺止口，刚性约束挠性件(或半刚性件)，且由夹具配合控制同心度及轴向尺寸的分部组焊方法。本发明一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法是通过下述的步骤实现的：

步骤1，设计分部组焊方案：根据零件结构特点及技术要求，设计分部组焊方案，即具体分几次组焊，每次组焊的零件包括哪些；

设计依据是：带有钣金挠性件的大高径比多层薄壁焊接机匣中焊接零件超过4个以上时，若要实现一次性组装焊接，并保证各层零件轴向尺寸及同心度，同时要确保每处接头的间隙、错边量等装配要求均在合格范围内。由于操作空间的限制，装配难度非常大，且对各层零件自身的要求过于苛刻，制造成本倍增，最重要的是即使实现了装配焊接，焊接后各向收缩变形难以控制，加上各层零件的误差累积及各向不确定因素，分段尺寸、总高尺寸会偏离理论尺寸较大，导致其余相关的尺寸及形位关系难以保证。

通过分部组焊，可降低组装焊接难度，可在组焊各部分时，逐步校正焊接变形，分阶段修正各层之间的各向尺寸及形位关系，避免整体组焊后变形难以校正，尺寸及形位关系无法修正的问题。

一般来说，两个刚性较好的零件即带有刚性法兰的焊接零件(多数情况为有方便定位、支撑、压紧边的法兰类零件，如果设计上无法兰，则工艺上需考虑设计后续要去除的工艺法兰)在上下两边，中间夹一个钣金挠性件或刚性差的零件即半刚性件，这3个零件组焊为第Ⅰ部分，另一组也是通过在两个带有刚性法兰的焊接零件中焊接一个钣金挠性件或半刚性件，3个零件组焊为第Ⅱ部分，这样第Ⅰ部分和第Ⅱ部分因上下带有刚性较好、抗变形能力较强的法兰类零件，可以当做刚性较好的整体法兰类零件，一上一下在中间再夹一个钣金挠性件或半刚性件进行组焊，这3+3+1＝7个零件可以再作为一个带有法兰结构的刚性件第Ⅲ部分与另一个法兰类零件将一个钣金挠性件或刚性差的零件夹在中间进行组焊成第Ⅳ部分，依次类推，根据设计结构需要，可以组焊多层。

步骤2，增设焊接收缩余量：在组焊的相应零件上额外增设焊接收缩余量；收缩余量一般在夹在中间位置的钣金挠性件或半刚性件上的两端面预留，即钣金挠性件高度方向在设计尺寸的基础上增加一定的余量。增加收缩余量是为了补偿因焊接收缩变形引起的高度尺寸较理论尺寸的偏差。

步骤3，设计工艺安装边及工艺止口：根据分部组焊方案，结合焊接接头处及定位压紧处的结构特点，在机加件上设计工艺安装边及工艺止口；

工艺安装边是零件本身设计上没有安装边，为了增加刚性，提高焊接件的抗变形能力，方便借助夹具定位、压紧，在原设计结构的基础上临时增设的工艺安装边，这个工艺安装边还可以作为轴向高度尺寸的补偿部分，一旦变形超出预期，可通过工艺安装边补偿；另外，工艺安装边在焊接后加工成焊接接头，能够很好的保证接头位置的圆度、间隙，对焊缝焊接质量是非常有利的。

工艺止口同样是零件本身设计上没有的，焊缝正面的工艺止口是作为填料台填入焊缝，免去了额外填加焊料，焊缝背面的工艺止口一是为了箍圆钣金挠性件，二是为了保证安装边与钣金挠性件的同心度(同轴度)，避免出现两零件的不同心问题，三是在电子束焊接时，用来挡电子束流，防止电子束流击伤零件主体部位。

以上不论是工艺安装边还是工艺止口，最终是要去除的，或当成填料成为了焊缝的一部分。

步骤4，设计制作装焊夹具：根据分部组焊方案，零件结构特点及尺寸要素等设计制作装焊夹具；

步骤5，装焊部分Ⅰ：装焊时上下两端为刚性法兰，带有自身安装边或工艺安装边，挠性件或半刚性件位于中间部位，用法兰上设计的工艺止口约束固定；

步骤6，装焊部分Ⅱ：装焊时上下两端为刚性法兰，带有自身安装边或工艺安装边，挠性件或半刚性件位于中间部位，用法兰上设计的工艺止口约束固定；

步骤7，检查、修正变形：检查步骤5和步骤6装焊部分Ⅰ、Ⅱ的变形情况，偏离理论状态时进行校正、修正；

检查的是上下两安装边自身的端跳、圆跳，钣金挠性件自身的圆度，钣金挠性件相对安装边的同轴度，以及两安装边的同轴度，还需检查各个特征之间的相对位置。

修正的一种是校正，可以通过冷校正或热校正实现，另一种是根据设计要求相互之间的特征位置尺寸，根据变形后的偏离情况调整加工尺寸，通过工艺安装边，钣金挠性件端面的余量进行调整补偿。举个例子，一个组件侧面有一个安装座，该安装座的位置是特定的，它相对安装边端面设计尺寸是特定的，但由于焊接变形，实际尺寸偏离了设计尺寸，这个时候就需要利用工艺安装边端面尺寸余量调整修正变形。

步骤8，加工或去除工艺安装边：将已装焊的部分Ⅰ、Ⅱ待焊接接头处的工艺安装边去除，或加工成适合焊接且具有约束功能的工艺止口；对于回转体零件是采用车削，其余零件一般是采用铣削，工艺不是固定的，这要根据实际情况选择。每焊接一层，检测变形和修正一次，避免误差累计，在后续加工中难以进行修正。

步骤9，组焊机匣整体：将部分Ⅰ、部分Ⅱ及中间挠性件(或半刚性件)进行组焊。

层数多，存在装焊部分Ⅲ、Ⅳ……时，重复步骤7至步骤9即可，直至机匣整体组焊完成。

本发明的方法通过分部组焊，降低了组装焊接难度，可在组焊各部分时，逐步校正焊接变形，分阶段修正各层之间的各向尺寸及形位关系，避免了整体组焊后变形难以校正，尺寸及形位关系无法修正的问题，同时通过增设焊接收缩余量，可精确控制各轴向尺寸；通过在法兰上设计工艺安装边及工艺止口，提升了定位压紧时的可靠性，提高了组焊部分整体的刚性，增强了抗变形能力，且更有利于各层零件的同心度控制。

实施例

本实施例以某新型发动机加力筒体后段机匣组件为例，该机匣共由7层零件通过6条圆周电子束焊组焊而成。组焊后的机匣高度为926.5mm，大端最大外径φ898.6mm，小端最小内径为φ755.7mm，高径比约为1.12，主体壁厚为1.5mm，壁厚相对较薄。其中4层零件上带有周向方形安装座，各安装座中间有通孔，安装座端面至机匣中心、孔中心至机匣端面均有严格的尺寸要求，安装座端面至外壁的最小距离为2mm，孔边至方形安装座边缘最小距离为1.5mm。外壁上通过氩弧焊焊接有各种测试座，焊接变形较大。

若将7层零件一次性组装焊接，保证各层零件同心度及轴向尺寸，同时要确保6处接头的对接间隙及错边量均在要求范围以内。由于操作空间的限制，装配难度非常大，且对各层零件自身的要求过于苛刻，制造成本倍增，最重要的是即使实现了装配焊接，焊接后轴向及径向的收缩变形难以控制，加上各层零件的误差累积及各向不确定变形，分段尺寸、总高尺寸会偏离理论尺寸较大，导致安装座端面至机匣中心、安装座上的孔中心至机匣端面尺寸难以控制，且会造成加工安装座端面时切入外壁主体，孔边至方形安装座边缘变小甚至安装座无法包络孔的问题。现通过设计工艺安装边及工艺止口，刚性约束钣金挠性件及半刚性机加件，配合夹具支撑的分部组焊方法加工，其步骤借助附图说明，具体包括以下步骤：

步骤1、设计分部组焊方案：机匣由5件法兰、2件筒体组焊而成，法兰由环锻件加工而成，为刚性件或半刚性件，筒体由薄壁板料加工而成，为挠性件。遵循刚性法兰约束钣金挠性件(或半刚性件)的原则，该机匣分3次组焊，第一法兰1、第一筒体2及第二法兰3组焊为部分Ⅰ，第三法兰5、第四法兰6、第五法兰7组焊为部分Ⅱ，部分Ⅰ、部分Ⅱ及第二筒体4组焊为完整机匣；

步骤2、增设焊接收缩余量：a、b接头处的焊接收缩余量增加在第一筒体2上，c、d接头处的焊接收缩余量增加在第四法兰6上，e、f接头处的焊接收缩余量增加在第二筒体4上；每条焊缝轴向上增加0.3-0.5mm的收缩余量；

步骤3、设计工艺安装边：根据设计的分部组焊方案，结合焊接接头处及定位压紧处的结构特点，在第二法兰3、第三法兰5上设计工艺安装边；

步骤4、设计制作装焊夹具：根据分部组焊方案，零件结构及尺寸设计制作了3套装焊夹具，夹具上设计有定位圆引导段、外侧可拆卸角向定位销，可控制各层零件的同心度及角向位置关系；

上下两安装边作为定位、压紧的主体，夹具底座设计下安装边的定位圆，定位端面，压板，夹具盖板上设计上安装边的定位圆，定位圆设计引导段，方便装配；压盖和底座通过中心轴棒控制上下安装边的同轴；底座上生长角向定向支架，角向定位销穿过支架确定各零件的角向关系。

步骤5、如图1至图4所示，装焊部分Ⅰ：位于a、b接头处的第一法兰1上设置有第一法兰工艺止口1-1、第二法兰3上设置有工艺止口分别为第二法兰上一端工艺止口3-2和第二法兰上另一端工艺止口3-4，第一法兰工艺止口1-1和第二法兰上一端工艺止口3-2可对第一筒体2进行刚性约束，第一法兰自熔台1-2和第二法兰上一端自熔台3-3用于进行焊接；第一法兰1上自身的安装边及第二法兰3上增设的第二法兰工艺安装边3-1可实现可靠定位及压紧，借助装焊夹具进行装配焊接部分Ⅰ；如图1至图4所示，图中

为定位符号，

为压紧符号，虚线为工件最终轮廓。

步骤6、装焊部分Ⅱ：位于c、d接头处的第三法兰5、第五法兰7上设计有工艺止口，第三法兰3上设置有第三法兰上一端工艺止口5-2和第三法兰上另一端工艺止口5-4；第五法兰7上设置有第五法兰上工艺止口7-1。

第三法兰上一端工艺止口5-2和第五法兰上工艺止口7-1可对第四法兰6上薄壁部分进行刚性约束，第三法兰上一端自熔台5-3和第五法兰上自熔台7-2用于进行焊接，第五法兰7上自身的安装边及第三法兰工艺安装边5-1可实现可靠定位及压紧，借助装焊夹具进行装配焊接部分Ⅱ；如图5至图8所示。本实施例中的焊接组件回转体，装配关系简单，两安装边夹钣金件结构，安装边上设计有工艺安装边或工艺止口。

步骤7、检查、修正变形：检查前述装焊部分Ⅰ、Ⅱ的变形情况，若圆度、同心度、端面平面度及轴向尺寸偏离理论状态时进行校正、修正；

校正是通过冷校正或热校正实现，修正是根据设计要求相互之间的特征位置尺寸，根据变形后的偏离情况调整加工尺寸，通过工艺安装边，钣金挠性件端面的余量进行调整补偿。举个例子，一个组件侧面有一个安装座，该安装座的位置是特定的，它相对安装边端面设计尺寸是特定的，但由于焊接变形，实际尺寸偏离了设计尺寸，这个时候就需要利用工艺安装边端面尺寸余量调整修正变形。

步骤8、去除工艺安装边：将部分Ⅰ上第二法兰3预留的第二法兰工艺安装边3-1及部分Ⅱ上第三法兰预留的第三法兰工艺安装边5-1加工成刚性约束第二筒体4的工艺止口；

步骤9、组焊机匣整体：位于e、f接头处的第二法兰3、第三法兰5上设计有工艺止口，第二法兰上另一端工艺止口3-4和第三法兰上另一端工艺止口5-4可对第二筒体4进行刚性约束，第三法兰上另一端自熔台5-5和第二法兰上另一端自熔台3-5用于进行焊接。第一法兰1和第五法兰7上自身的安装边可实现可靠定位及压紧，借助装焊夹具进行装配焊接机匣整体。如图9至图11所示。

Claims (10)

1.一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，根据焊接机匣的结构，确定分部组焊方案；

步骤2，在组焊的焊接零件上增设焊接收缩余量；

步骤3，依据步骤1中的分部组焊方案，在焊接零件的焊接部位设置工艺安装边和工艺止口；

步骤4，根据步骤1的分部组焊方案进行焊接加工；

步骤5，对焊接加工后的焊接零件进行检查、修正变形；

步骤6，去除焊接加工后焊接零件上的工艺安装边；

步骤7，循环进行步骤4至步骤6，完成大高径比多层薄壁焊接机匣的焊接加工。

2.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤1中，在确定分部组焊方案时，遵循刚性法兰约束钣金挠性件或半刚性件的原则；当机匣的结构无刚性法兰时，增加后续工艺去除的刚性法兰。

3.根据权利要求2所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤2中，所述焊接收缩余量增设在钣金挠性件或半刚性件的端面上。

4.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤4中，依据分部组焊方案的零件结构及尺寸制造夹具，夹具对分部组焊方案的零件进行固定，然后进行焊接加工。

5.根据权利要求4所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，所述夹具上设置有定位圆引导段和外侧可拆卸角向定位销用于固定焊接零件。

6.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤4中，在两个带有刚性法兰的焊接零件中焊接一个钣金挠性件或半刚性件，形成第Ⅰ部分；然后在两个带有刚性法兰的焊接零件中焊接一个钣金挠性件或半刚性件，形成第Ⅱ部分；在第Ⅰ部分和第Ⅱ部分之间焊接一个钣金挠性件或半刚性件，完成大高径比多层薄壁焊接机匣的焊接加工。

7.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤5中，所述检查过程具体包括检查焊接零件的圆度、同心度、端面平面度和轴向尺寸偏离。

8.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤5中，所述修正采用校正或对调整变形后焊接零件的工艺安装边进行调整补偿。

9.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤6中，所述去除工艺安装边包括将工艺安装边加工成工艺止口或切割工艺安装边。

10.根据权利要求1所述的一种大高径比多层薄壁焊接机匣组焊方法，其特征在于，步骤6中采用车削或铣削去除焊接零件的工艺安装边。

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