CN113634892A - 航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体是涉及航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置及方法。该装置主要包括：薄壁波纹膜片内环焊工装、薄壁波纹膜片外环焊工装和同轴气体保护工装。该装置主要通过采用膜片外圆定位的内环焊工装和采用膜片内圆定位的外环焊工装实现膜片的焊前精密定位和装配，保证膜盒串焊后整体同轴度的要求；通过添加紫铜散热夹片，改善膜片散热条件，实现焊接过程膜片的良好导热，避免焊瘤、焊缝凹陷及波浪焊缝等成形缺陷；通过配合使用同轴气体保护工装，避免膜片环焊缝出现氧化。

Description

航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置及方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别是一种航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置及方法。

背景技术

航空航天膜盒式弹性传感器一般由小膜盒串、大膜盒串、上端盖、安装底座、中心杆组件5部分组成，广泛应用于航空航天及军工领域，如火箭发动机、火箭测试系统用箭体阀门，航空发动机用膜盒弹性阀门等。

结合图1，作为航空航天膜盒式弹性元器件的核心作用部件，膜盒串的结构及功能完整性直接关乎整个膜盒式弹性元器件的使用性能。膜盒串一般由多个薄壁波纹膜片(厚度一般≤0.2mm)串联焊接而成，因此，此类波纹膜片的焊接技术一直是各仪器仪表企业所必须需掌握的关键技术。

膜盒产品焊缝数量多。以某型航空航天用真空每套膜盒为例，该膜盒共有43道焊缝，其中一条焊缝出现泄漏或破裂，将导致膜盒核心功能的丧失，因此膜盒产品对焊缝质量及焊接过程的稳定性要求较高。在此类薄壁波纹膜片的焊接中，通常采用激光焊、真空电子束焊和微束等离子等焊接方法，其结构示意图见附图1。

薄壁波纹膜片焊接时对膜片定位精度要求高。如果膜片焊前装配间隙过大，容易造成膜片导热不良，出现单边、焊瘤、焊缝凹陷及波浪焊缝等成型不良，导致膜盒产品密封性、力学性能和疲劳性能下降。此外，现有的焊接工装及相关工艺方案不能很好地保证膜盒的焊接合格率，因此，需要设计制造一种稳定可靠，适用于超薄波纹膜片的焊接工装，以实现超薄波纹膜片的高效优质焊接，提高膜盒产品合格率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于航空航天用薄壁波纹膜片的激光焊接装置及方法，有效改善目前超薄膜片焊接时容易出现的单边、焊瘤、焊缝凹陷及波浪焊缝等问题，提高膜片的焊接合格率。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，包括片膜片内环焊接工装、膜片外环焊接工装和同轴气体保护工装；

所述膜片内环焊接工装包括内环焊工装底座、送气装置、内环焊散热夹片、内环焊压紧盖板；

所述内环焊工装底座内设有膜片容纳槽，用于放置膜片；容纳槽外圆用于对膜片轴向进行定位，内圆直径大于膜片内径；

所述内环焊散热夹片，用于放置在两个膜片之间，用于进行焊接时的散热；

所述内环焊压紧盖板，用于对设置在膜片容纳槽内的膜片进行盖紧；

所述送气装置设置在内环焊工装底座内，送气装置出气孔正对两个膜片的内环焊缝，用于膜片的内环焊接时的其气体保护；

所述同轴气体保护工装与内环焊工装底座相连，二者之间设有环形输气通道，环形输气通道正对两个膜片外环之间的间隙，用于对膜片内环焊缝背部进行气体保护；

所述膜片外环焊接工装包括外环焊底座、外环焊散热夹片和外环焊压块；

所述外环焊压块与外环焊底座配合，用于膜片单元的压紧；所述外环焊散热夹片设置在两个膜片单元之间，用于膜片单元外环焊接时的散热。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)通过焊接工装的使用，实现薄壁波纹膜片的高精度焊前装配，满足膜盒串焊后整体同轴度要求，保证后续装配焊的装配精度。

(2)通过该焊接工装的使用，采用紫铜散热夹片、高尺寸精度的波纹和倒角和小的配合间隙，改善膜片散热，实现膜片内外环焊缝均成形良好，可有效避免单边、焊瘤、焊缝凹陷及波浪焊缝等缺陷。

(3)通过添加多路保护气，该气体保护装置可对膜片内、外环焊缝进行充分的氩气保护，有效解决以往膜片焊接时内环焊缝内侧氧化的问题。

(4)工装结构简单、装配方便，焊接稳定性和重复性好。

附图说明

图1为膜盒结构示意图。

图2为膜片内环焊接工装和同轴气体保护工装连接轴测图。

图3为膜片内环焊接工装和同轴气体保护工装剖视图。

图4为膜片内环焊接工装和同轴气体保护工装爆炸图。

图5为同轴气体保护工装爆炸图。

图6为膜片外环焊接工装轴测图。

图7为膜片外环焊接工装爆炸图。

图8为膜盒串结构及其焊缝布置图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。(在此对技术方案进行详细的说明)

结合图1-图2，本发明的一种航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，主要包括：膜片内环焊接工装1、膜片外环焊接工装2和同轴气体保护工装3三部分。

其中同轴气体保护工装3和膜片内环焊接工装1共同使用，用于膜片内环焊接时提供气体保护；

所述膜片内环焊接工装1整体呈圆柱状，圆柱内部设置一圆环状膜片容纳槽4-3用于放置膜片；工装主要由内环焊工装底座4、送气装置5、内环焊散热夹片6、内环焊压紧盖板7和紧固螺钉8五部分组成。

内环焊工装底座4的夹持端为阶梯轴结构，中心部位有阶梯螺纹孔4-5(用于送气装置5的安装)，且靠近膜片容纳槽4-3位置螺纹孔径最大(Φ6mm)；通过与送气装置5配合，使保护气减压并发散。进一步，工装底座4内部设有一型腔外圆4-1和型腔内圆4-2；其中，型腔外圆4-1用于膜片定位，其直径和膜片外径配合，配合间隙小于0.10mm；型腔内圆4-2直径略大于膜片内径，使得膜片内径凸出型腔内圆4-2，以保证焊接时焊缝具有足够的焊菇尺寸。型腔外圆和内圆之间构成膜片容纳槽4-3，用以放置膜片；容纳结构端面设置波纹，其波纹与膜片表面波纹一致。进一步，底座容纳结构外壁均匀设置多个Φ1mm的气孔4-4，气孔4-4通入型腔外圆4-1，配合同轴气体保护工装3，实现对膜片内环焊缝背部金属的气体保护，避免发生氧化。进一步，内环焊散热夹片6为一对半圆环紫铜片，安装在两个膜片间，以改善膜片焊接时的散热条件。进一步，内环焊压紧盖板7为与底座配合的圆环结构，内侧端面为波纹面，与膜片表面波纹一致；进一步，压紧盖板7外侧中心为一深2mm、长6mm的过渡面7-1，防止激光光束干涉，保证激光加工头能在较小(<10°)的倾角下实现焊接。进一步，使用紧固螺钉8将压紧盖板7与内环焊工装底座4盖紧，用于将两个膜片压紧在膜片容纳槽4-3内。紧固膜片内环焊接工装，进行后续焊接。

如图3、4所示，送气装置5安装于内环焊工装底座4中心的螺纹孔4-5内，内环焊工装底座4底部和送气装置5底部连通进行通气，送气装置5顶部周向均匀设有多个气孔，气孔正对两个膜片的内环，用于膜片的内环焊接时的保护。此气路在实现减小保护气压的同时，使保护气转向并进入焊缝表面，在焊缝表面得以形成局部氩气环境，避免焊缝表面发生氧化。

结合图5，同轴气体保护工装3包括气罩12、气筛13和进气管14。气罩12为中空圆筒状结构，气罩12内侧敞开，用于安装气筛，外侧面封闭，并设置进气孔，用于安装进气管14。气筛13为均布着Φ0.8mm气孔的环形薄板，安装于气罩12内部，用于均匀化保护气。进气管14一端连接气罩12，一端连接保护气源，为气体保护装置输送保护气。同轴气体保护工装3安装于内环焊工装1外侧，气罩12通过轴承16连接在内环焊工装底座4外圆，气筛13正对气孔4-4，气孔4-4正对两个膜片外环之间的间隙，两个膜片之间设有内环焊散热夹片6，同轴气体保护工装3通过气孔4-4对内环焊缝背面进行保护，确保焊缝背部不被氧化。

结合图6、图7，所述膜片外环焊接工装2主要包括：外环焊底座9、外环焊散热夹片10和外环焊压块11三部分。外环焊底座9为阶梯轴结构，从左至右依次为夹持端9-1、波纹定位面9-2和定位芯轴9-3。夹持端9-1有一阶梯面，用于外环焊接工装的整体定位；波纹定位面9-2用于支撑焊完内焊缝的膜片单元，波纹定位面9-2上设有波纹面，与膜片表面波纹一致。定位芯轴9-3为外环焊底座9的主要作用机构，用于支撑膜片单元的内径，通过严格控制芯轴外径和膜片焊后内径的公差配合，实现外环焊接工装膜片内圆定位的目的。外环散热夹片10采用半圆环紫铜片，安装于膜片单元的上下膜片间，同时调节膜片外焊菇头尺寸，保证膜片散热。图6中设有多组焊完内环的膜片，因此也相应的设有多个外环散热夹片10。进一步，外环焊压块11中间为设有外螺纹的螺柱，与外环焊底座9螺纹连接，用于固定并压紧设置在波纹定位面9-2的膜片单元。

结合图8，本发明还提供一种薄壁波纹膜片的激光焊接方法，具体步骤如下：

第1步，进行薄壁波纹膜片的内环焊接，形成膜片单元(一个膜片单元由两个膜片焊接而成)：首先将下膜片放置于内环焊工装底座4上，然后依次放置内环散热夹片6和上膜片(内环散热夹片6设置在两个膜片15之间)，依靠底座型腔外圆4-1确保上下膜片内圆对齐，最后用紧固螺钉8将压紧盖板7与内环焊工装底座4盖紧，实现膜片内环焊的焊接；焊接时，安装同轴气体保护工装3于内环焊工装1外侧，工装间通过轴承16连接，并使同轴气体保护工装3气筛13出气位置对齐外环焊工装底座上的通气孔，确保焊缝背部不被氧化。送气装置5通气，对膜片的内环焊接进行保护。

第2步，进行薄壁波纹膜片的外环焊接，形成膜盒串(由多个膜片单元焊接而成)；首先将外环焊散热夹片插入膜片单元中(外环焊散热夹片设置在两个膜片单元之间)，再将膜片单元放入外环焊底座上，调节膜片露头尺寸到0.6-0.8mm，依靠外环焊底座9上的定位芯轴9-3，保证膜片单元的装配精度，进而确保膜盒串整体同轴度；最后，用压块压紧膜片单元，实现膜片外环焊的高质量焊接。重复上述操作，依次将其他的膜片单元串联焊接起来，形成膜盒串。

下面，提供本发明航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置及方法的一个实施案例，来具体说明施焊时本装置的使用方法。

以AM350奥氏体不锈钢、外径41mm、内径33mm、厚0.15mm的金属膜片内、外环焊进行说明；首先进行膜片的内环焊接；将下金属膜片15安装在内环焊工装底座4的容纳结构4-3内，依靠膜片15外圆定位，然后依次放入内环焊散热夹片6和上金属膜片15，最后使用压紧盖板7进行压紧，装配好后进行内环焊缝的焊接，形成膜片单元。进行内环焊接时，需安装同轴气体保护工装3于内环焊工装底座4的外侧，为膜片内环焊接提供充足的背面氩气保护，保证焊接质量。

进行膜片的外环焊接。将焊好的膜片单元依次套入外环焊底座9的定位芯轴9-3上，装入外环焊散热夹片10后，用外环焊压块11压紧，最后将装配好的膜片进行微调、滚圆，保证膜片外圆对齐、露头尺寸合适(一般0.6-0.8mm)。

上述实施例为本发明的典型实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例的限制。其他任何背离本发明精神实质及原理所作的改变、替代、组合、重构、简化，均应视为等效置换方式，包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，其特征在于，包括片膜片内环焊接工装、膜片外环焊接工装和同轴气体保护工装；

所述膜片内环焊接工装包括内环焊工装底座、送气装置、内环焊散热夹片、内环焊压紧盖板；

所述内环焊工装底座内设有膜片容纳槽，用于放置膜片；容纳槽外圆用于对膜片轴向进行定位，内圆直径大于膜片内径；

所述内环焊散热夹片，用于放置在两个膜片之间，用于进行焊接时的散热；

所述内环焊压紧盖板，用于对设置在膜片容纳槽内的膜片进行盖紧；

所述送气装置设置在内环焊工装底座内，送气装置出气孔正对两个膜片的内环焊缝，用于膜片的内环焊接时的其气体保护；

所述同轴气体保护工装与内环焊工装底座相连，二者之间设有环形输气通道，环形输气通道正对两个膜片外环之间的间隙，用于对膜片内环焊缝背部进行气体保护；

所述膜片外环焊接工装包括外环焊底座、外环焊散热夹片和外环焊压块；

所述外环焊压块与外环焊底座配合，用于膜片单元的压紧；所述外环焊散热夹片设置在两个膜片单元之间，用于膜片单元外环焊接时的散热。

2.根据权利要求1所述的航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，其特征在于，所述同轴气体保护工装包括气罩、气筛和进气管；所述气罩为中空圆筒状结构，套接在内环焊工装底座上，气罩内设有环形气筛，用于均匀化保护气；气罩上连接有进气管；内环焊工装底座外壁均匀设置多个气孔，气筛正对气孔，形成环形输气通道。

3.根据权利要求2所述的航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，其特征在于，所述气筛13为均布着气孔的环形板。

4.根据权利要求1所述的航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，其特征在于，所述外环焊底座包括依次连接的夹持端、波纹定位面和定位芯轴；所述夹持端，用于外环焊接工装的整体定位；波纹定位面用于支撑焊完内焊缝的膜片单元；定位芯轴，用于支撑膜片单元的内径。

5.根据权利要求1所述的航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，其特征在于，所述内环焊散热夹片与外环焊散热夹片均采用两个半圆环片。

6.根据权利要求1所述的航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接装置，其特征在于，所述内环焊散热夹片与外环焊散热夹片均采用紫铜片。

7.一种航空航天膜盒用薄壁波纹膜片的激光焊接方法，其特征在于，包括以下主要步骤：

步骤1、焊接膜片单元：首先将两个膜片同轴放置，确保膜片内圆对齐，并在两个膜片之间放置内环散热夹片；然后将两个膜片盖紧；焊接时，对膜片的内环焊缝一周通气进行气体保护，同时对两个膜片外环之间的间隙通气，对内环焊缝背面进行气体保护；

步骤2、焊接膜盒串：首先将两个膜片单元同轴放置，并在两个膜片单元之间放置外环焊散热夹片；然后调节膜片露头尺寸，将两个膜片单元压紧，的进行外环的焊接，重复上述操作，依次将其他的膜片单元串联焊接起来，形成膜盒串。

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