CN113681183A - 一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具及焊接变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具及焊接变形控制方法，该夹具保证外机匣、内环及叶片装配后符合图纸要求；通过控制定位环底面和内定位环底面的距离及公差，保证外机匣和内环的高度位置；通过定位环及上支撑环控制外机匣的轴向位置和径向位置；通过移动压板压紧使外机匣与定位环贴合，通过挡板将上支撑环与外机匣贴合；通过内定位环及压环控制内环的轴向位置和径向位置；通过六角头压紧螺钉将压环压紧内环；通过大支柱端面位置限制上定位环的位置；通过装配零件、氩弧定位焊、三坐标测量、电子束焊接、无损检查、真空热处理及尺寸检查等工艺过程，有效降低了焊接变形，提高了零件的尺寸精度和零件使用性能。

Description

一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具及焊接变形控制方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具及焊接变形控制方法。

背景技术

航空发动机静子组件属于多焊缝叶环类零件，一共有五级，分别为零级、一级、二级、三级和四级，其中零级的结构如图1所示：由外机匣、内环和80片叶片构成，叶片缘板与外环通过电子束焊接连接，叶片叶尖插入内环型孔中，焊接后通过灌胶将叶尖与内环连接；为了保证发动机的使用性能，满足进气流量要求，静子组件在叶片截面弦切角尺寸（图2中尺寸①31°40′±30′）、叶片截面高度尺寸（图1中尺寸②93.5±0.1）、外环内流道直径尺寸公差（图1中尺寸③φ990.6^+0.3）要求极为严格。由于受结构限制，叶片截面弦切角、叶片截面高度尺寸及外环内流道直径仅能通过焊接工序进行保证，无法进行焊后的机械加工。由于数十条焊缝焊接后外环会产生较大的收缩变形，叶片也会发生很大的位置变化，而且叶片进排气边最小厚度仅为0.2mm，需要在保证不会压伤叶片的情况下，限制叶片的变形。在前期生产中，由于叶片及外环内流道变形严重，已影响产品的正常交付。

发明内容

为解决上述技术问题，提出了一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具及焊接变形控制方法，具体技术方案如下：

一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，包括底盘、定位环、支撑环、内定位环、内支撑环、衬套、插销、大支柱、上定位环、挡板、杠杆、顶板、上支撑环、顶杆、尼龙垫、压环、吊环螺钉、调节支承、移动压板、上防护圈和下防护圈；

所述大支柱通过六角头螺栓均布设置在底盘内圈上表面；

所述内支撑环通过内六角头螺钉设置在底盘的内圈上端面，内定位环设置在内支撑环外侧的底盘内圈上端面上，通过内六角头螺钉固定；

所述定位环设置在底盘外圈上端面上，支撑环设置在底盘外圈上端面上，定位环用于支撑外机匣下端面，支撑环用于支撑下防护圈，定位环和支撑环中间预留外机匣的安装位置；

等长双头螺柱b穿过移动压板至底盘上，移动压板通过六角薄螺母和调节支承进行支撑，拧紧等长双头螺柱b带动移动压板压紧外机匣下安装边上端面，使外机匣下端面与定位环贴合；

所述顶板上端设置尼龙垫，杠杆与顶板之间设置顶杆，顶板通过阶形螺钉设置在底盘上，等长双头螺柱a穿过杠杆连接到底盘下端面上，等长双头螺柱a上的垫圈撑住杠杆，并且等长双头螺柱a与杠杆间有2mm间隙，通过旋转六角头压紧螺钉，利用2mm间隙，形成杠杆结构；

所述上防护圈和下防护圈中分别设计了与叶片位置及切斜角一致的叶片安装插口；

所述下防护圈设置在支撑环上，其叶片一端从下防护圈的叶片安装插口穿过，上防护圈沿着叶片角度旋转安装，上防护圈与下防护圈的叶片安装插口相对；

所述内支撑环圆周均布多个安装孔，衬套设置在安装孔内，插销设置在衬套内，且插销一端设有槽口，用于插接叶片再通过滚花圆柱头紧定螺钉将插销固定在内支撑环上，

所述上定位环与大支柱端面贴合，通过带肩六角螺母锁紧固定；

所述压环通过六角头压紧螺钉连接在上定位环下端面上；

所述上支撑环设置在外机匣上端面上，挡板压接在上定位环和上支撑环上，通过拧紧六角薄螺母将挡板和上定位环固定，通过六角头螺栓将挡板贴合在上支撑环上，使上支撑环与外机匣上端面贴合；

所述底盘外圈上端面圆周均布五个吊环螺钉。

所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其优选方案为所述尼龙垫的材料选择尼龙6。

所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其优选方案为所述底盘的材料选择铝合金。

所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其优选方案为所述定位环、支撑环、内定位环、内支撑环、衬套、插销、大支柱、上定位环、挡板、杠杆、顶板、上支撑环、顶杆、压环均采用无磁性材料的1Cr18Ni9Ti。

所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其优选方案为所述上防护圈和下防护圈采用与外机匣及叶片相同的材料TC4。

一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具的焊接变形控制方法，控制方法包括如下步骤：

步骤一：装配零件

（1）拆除专用夹具中上定位环、上支撑环、压环及上防护圈；

（2）将外机匣下端面安装至定位环中，将移动压板移动至外机匣下安装边上，将等长双头螺柱b穿入移动压板至底盘上，通过拧紧带肩六角螺母，使外机匣下端面与定位环贴合；

（3）将内环下端面装配到内定位环中，将压环安装至内环上端面，安装上定位环，拧紧带肩六角螺母，使上定位环与大支柱的端面贴合，保证上定位环的轴向位置；

（4）对称安装四片叶片，根据叶片与外机匣及内环的装配情况，调整内环及下防护圈的周向角度，直至四片叶片与内环型孔的位置及与下防护圈的叶片安装插口位置一致；分别拧紧六角头压紧螺钉，使内环下端面与内定位环贴合；

（5）将叶片逐个装配到外机匣与内环上，保证叶片缘板周边与外机匣型孔之间的对接间隙均匀，不大于0.1mm，外表面错位不大于0.2mm；扭动六角头压紧螺钉，通过杠杆结构提升顶板与尼龙垫位置，顶紧叶片下边缘，使叶片上边缘与上定位环贴合；

（6）将上防护圈的叶片安装插口对准叶片位置旋转安装至叶片上；

（7）上支撑环安装至外机匣上端面，通过挡板压接在上定位环和上支撑环上，使上支撑环与外机匣上端面贴合后拧紧六角薄螺母；

（8）分别将插销顶紧到叶片叶尖位置，分别拧紧滚花圆柱头紧定螺钉，使插销位置固定；

步骤二：氩弧定位焊

定位焊前用洁净的白细纱布蘸汽油或酒精将叶片缘板和外机匣型孔周边擦洗干净，然后进行手工氩弧焊定位，每个叶片对称定位焊接4-6点；

步骤三：三坐标测量

将零件从夹具中拆除，在三坐标测量机中测量叶片截面高度和叶片截面弦切角尺寸，如有不合格叶片，则打掉叶片定位焊点，重新进行装配、定位焊及测量；

步骤四：电子束焊接

将零件固定到电子束焊机转盘中进行焊接；

步骤五：无损检查

对焊接部位进行X光检查和着色检查，保证焊接质量符合焊接标准要求；

步骤六：真空热处理

将零件放于真空炉中进行去应力热处理，消除焊接残余应力，热处理制度为：随炉升温至550℃±10℃，保温3h～3h15min，随炉升温至350℃±10℃，充氩气0.2～0.4MPa冷至80℃以下出炉；

步骤七：尺寸检查

采用三坐标测量机，分别测量叶片截面弦切角、叶片截面高度、外环内流道直径。

本发明的有益效果：

本发明已应用至静子组件的焊接生产中，有效控制了叶片及外环内流道的焊接变形问题，在保证不会压伤叶片的情况，可以有效地控制焊接变形，提高焊接后的尺寸精度，提高了零件焊接后的尺寸精度及使用性能，避免了后续校正工序带来的零件质量降低、加工成本升高及效率降低的问题。

多焊缝叶环类零件焊接专用夹具及焊接变形控制方法的应用提高了零件焊后尺寸精度，避免了后续校正工序带来的零件质量降低、加工成本升高及效率降低的问题，并且避免了由于焊接变形过大导致零件报废的情况，可以节省补加工成本上百万元。此套发明可应用至结构类似的焊接结构叶环类零件的焊接工序中，在航空发动机、燃气轮机中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为零件结构示意图；

图2为零件A-A剖面示意图；

图3为夹具三维结构示意图；

图4为去掉上支撑环、挡板、上定位环、压环的部分夹具俯视图；

图5为夹具俯视图；

图6为夹具A-A剖面示意图；

图7为夹具B-B剖面示意图。

图中，1-底盘、2-定位环、3-支撑环、4-内定位环、5-内支撑环、6-衬套、7-插销、8-大支柱、9-上定位环、10-挡板、11-杠杆、12-顶板、13-上支撑环、14-顶杆、15-尼龙垫、16-吊环螺钉、17-压环、19-阶形螺钉、20-调节支承、21-移动压板、22-上防护圈、23-下防护圈、24-等长双头螺柱a、25-等长双头螺柱b、26-开槽沉头螺钉、27-球面垫圈、28-锥面垫圈、29-六角头压紧螺钉。

具体实施方式

如图3-7所示一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，包括底盘1、定位环2、支撑环3、内定位环4、内支撑环5、衬套6、插销7、大支柱8、上定位环9、挡板10、杠杆11、顶板12、上支撑环13、顶杆14、尼龙垫15、压环17、吊环螺钉16、调节支承20、移动压板21、上防护圈22和下防护圈23；

所述大支柱8通过六角头螺栓均布设置在底盘1内圈上表面；

所述内支撑环5通过内六角头螺钉设置在底盘1的内圈上端面，内定位环4设置在内支撑环5外侧的底盘1内圈上端面上，通过内六角头螺钉固定；

所述定位环2设置在底盘1外圈上端面上，支撑环3设置在底盘1外圈上端面上，定位环2用于支撑外机匣下端面，支撑环3用于支撑下防护圈，定位环2和支撑环3中间预留外机匣的安装位置；

等长双头螺柱b穿过移动压板至底盘上，移动压板通过六角薄螺母和调节支承进行支撑，拧紧等长双头螺柱b带动移动压板压紧外机匣下安装边上端面，使外机匣下端面与定位环贴合；

所述顶板上端设置尼龙垫15，杠杆11与顶板12之间设置顶杆14，顶板12通过阶形螺钉19设置在底盘1上，等长双头螺柱a24穿过杠杆11连接到底盘1下端面上，等长双头螺柱a24上的垫圈撑住杠杆11，并且等长双头螺柱a24与杠杆11间有2mm间隙，通过旋转六角头压紧螺钉29利用2mm间隙，形成杠杆结构；

所述等长双头螺柱a24与六角薄螺母之间设有球面垫圈和锥面垫圈；

所述上防护圈22和下防护圈23中分别设计了与叶片52位置及切斜角一致的叶片安装插口；

所述下防护圈23设置在支撑环3上，其叶片52一端从下防护圈的叶片安装插口穿过，上防护圈22沿着叶片52角度旋转安装，上防护圈22与下防护圈的叶片安装插口相对；

所述内支撑环5圆周均布多个安装孔，衬套6设置在安装孔内，插销7设置在衬套6内，且插销7一端设有槽口，用于插接叶片52再通过滚花圆柱头紧定螺钉将插销7固定在内支撑环5上，

所述上定位环9与大支柱8端面贴合，通过带肩六角螺母锁紧固定；

所述压环17通过六角头压紧螺钉连接在上定位环9下端面上；

所述上支撑环设置在外机匣上端面上，挡板压接在上定位环和上支撑环上，通过拧紧六角薄螺母将挡板和上定位环固定，通过六角头螺栓将挡板贴合在上支撑环上，使上支撑环与外机匣上端面贴合；

所述底盘外圈上端面圆周均布五个吊环螺钉。

所述尼龙垫15的材料选择尼龙6。

所述底盘1的材料选择铝合金。

所述定位环2、支撑环3、内定位环4、内支撑环5、衬套6、插销7、大支柱8、上定位环9、挡板10、杠杆11、顶板12、上支撑环13、顶杆14、压环17均采用无磁性材料的1Cr18Ni9Ti。

所述上防护圈22和下防护圈23采用与外机匣50及叶片52相同的材料TC4。

一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具的焊接变形控制方法，控制方法包括如下步骤：

步骤一：装配零件

（1）拆除专用夹具中上定位环9、上支撑环13、压环17及上防护圈22；

（2）将外机匣50下端面安装至定位环2中，将移动压板21移动至外机匣50下安装边上，将等长双头螺柱b25穿入移动压板21至底盘上，调节支承顶在移动压板21与底盘之间，通过拧紧带肩六角螺母，使外机匣50下端面与定位环2贴合；

（3）将内环51下端面装配到内定位环4中，将压环17安装至内环51上端面，安装上定位环9，拧紧带肩六角螺母，使上定位环9与大支柱8的端面贴合，保证上定位环9的轴向位置；

（4）对称安装四片叶片52，根据叶片52与外机匣50及内环51的装配情况，调整内环51及下防护圈23的周向角度，直至四片叶片52与内环51型孔的位置及与下防护圈的叶片安装插口位置一致；分别拧紧六角头压紧螺钉，使内环51底面与内定位环4贴合；

（5）将叶片52逐个装配到外机匣50与内环51上，保证叶片52缘板周边与外机匣50型孔之间的对接间隙均匀，不大于0.1mm，外表面错位不大于0.2mm；扭动六角头压紧螺钉29，通过杠杆结构提升顶板12与尼龙垫15位置，顶紧叶片52下边缘，使叶片52上边缘与上定位环9贴合；

（6）将上防护圈的叶片安装插口对准叶片位置旋转安装至叶片52上；

（7）上支撑环13安装至外机匣50上端面，通过挡板10压接在上定位环9和上支撑环13上，使上支撑环13与外机匣52上端面贴合后拧紧六角薄螺母；

（8）分别将插销7顶紧到叶片52叶尖位置，分别拧紧滚花圆柱头紧定螺钉，使插销7位置固定；

步骤二：氩弧定位焊

定位焊前用洁净的白细纱布蘸汽油或酒精将叶片缘板和外机匣型孔周边擦洗干净，然后进行手工氩弧焊定位，每个叶片对称定位焊接4-6点；

步骤三：三坐标测量

将零件从夹具中拆除，在三坐标测量机中测量叶片截面高度和叶片截面弦切角尺寸，如有不合格叶片，则打掉叶片定位焊点，重新进行装配、定位焊及测量；

步骤四：电子束焊接

将零件固定到电子束焊机转盘中进行焊接；

步骤五：无损检查

对焊接部位进行X光检查和着色检查，保证焊接质量符合焊接标准要求；

步骤六：真空热处理

将零件放于真空炉中进行去应力热处理，消除焊接残余应力，热处理制度为：随炉升温至550℃±10℃，保温3h～3h15min，随炉升温至350℃±10℃，充氩气0.2～0.4MPa冷至80℃以下出炉；

步骤七：尺寸检查

采用三坐标测量机，分别测量叶片截面弦切角、叶片截面高度、外环内流道直径。

Claims (6)

1.一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其特征在于：包括底盘、定位环、支撑环、内定位环、内支撑环、衬套、插销、大支柱、上定位环、挡板、杠杆、顶板、上支撑环、顶杆、尼龙垫、压环、吊环螺钉、调节支承、移动压板、上防护圈和下防护圈；

所述大支柱通过六角头螺栓均布设置在底盘内圈上表面；

所述内支撑环通过内六角头螺钉设置在底盘的内圈上端面，内定位环设置在内支撑环外侧的底盘内圈上端面上，通过内六角头螺钉固定；

所述定位环设置在底盘外圈上端面上，支撑环设置在底盘外圈上端面上，定位环用于支撑外机匣下端面，支撑环用于支撑下防护圈，定位环和支撑环中间预留外机匣的安装位置；

等长双头螺柱b穿过移动压板至底盘上，移动压板通过六角薄螺母和调节支承进行支撑，拧紧等长双头螺柱b带动移动压板压紧外机匣下安装边上端面，使外机匣下端面与定位环贴合；

所述顶板上端设置尼龙垫，杠杆与顶板之间设置顶杆，顶板通过阶形螺钉设置在底盘上，等长双头螺柱a穿过杠杆连接到底盘下端面上，等长双头螺柱a上的垫圈撑住杠杆，并且等长双头螺柱a与杠杆间有2mm间隙，通过旋转六角头压紧螺钉利用2mm间隙，形成杠杆结构；

所述上防护圈和下防护圈中分别设计了与叶片位置及切斜角一致的叶片安装插口；

所述下防护圈设置在支撑环上，叶片一端从下防护圈的叶片安装插口穿过，上防护圈沿着叶片角度旋转安装，上防护圈与下防护圈的的叶片安装插口相对；

所述内支撑环圆周均布多个安装孔，衬套设置在安装孔内，插销设置在衬套内，且插销一端设有槽口，用于插接叶片再通过滚花圆柱头紧定螺钉将插销固定在内支撑环上，

所述上定位环与大支柱端面贴合，通过带肩六角螺母锁紧固定；

所述压环通过六角头压紧螺钉连接在上定位环下端面上；

所述上支撑环设置在外机匣上端面上，挡板压接在上定位环和上支撑环上，通过拧紧六角薄螺母将挡板和上定位环固定，通过六角头螺栓将挡板贴合在上支撑环上，使上支撑环与外机匣上端面贴合；

所述底盘外圈上端面圆周均布五个吊环螺钉。

2.根据权利要求1所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其特征在于：所述尼龙垫的材料选择尼龙6。

3.根据权利要求1所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其特征在于：所述底盘的材料选择铝合金。

4.根据权利要求1所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其特征在于：所述定位环、支撑环、内定位环、内支撑环、衬套、插销、大支柱、上定位环、挡板、杠杆、顶板、上支撑环、顶杆、压环均采用无磁性材料的1Cr18Ni9Ti。

5.根据权利要求1所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具，其特征在于：所述上防护圈和下防护圈采用与外机匣及叶片相同的材料TC4。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种多焊缝叶环类零件焊接专用夹具的焊接变形控制方法，其特征在于：控制方法包括如下步骤：

步骤一：装配零件

（1）拆除专用夹具中上定位环、上支撑环、压环及上防护圈；

（2）将外机匣下端面安装至定位环中，将移动压板移动至外机匣下安装边上，将等长双头螺柱b穿入移动压板至底盘上，通过拧紧带肩六角螺母，使外机匣下端面与定位环贴合；

（3）将内环下端面装配到内定位环中，将压环安装至内环上端面，安装上定位环，拧紧带肩六角螺母，使上定位环与大支柱的端面贴合，保证上定位环的轴向位置；

（4）对称安装四片叶片，根据叶片与外机匣及内环的装配情况，调整内环及下防护圈的周向角度，直至四片叶片与内环型孔的位置及与下防护圈的叶片安装插口位置一致；分别拧紧六角头压紧螺钉，使内环下端面与内定位环贴合；

（5）将叶片逐个装配到外机匣与内环上，保证叶片缘板周边与外机匣型孔之间的对接间隙均匀，不大于0.1mm，外表面错位不大于0.2mm；扭动六角头压紧螺钉，通过杠杆结构提升顶板与尼龙垫位置，顶紧叶片下边缘，使叶片上边缘与上定位环贴合；

（6）将上防护圈的叶片安装插口对准叶片位置旋转安装至叶片上；

（7）上支撑环安装至外机匣上端面，通过挡板压接在上定位环和上支撑环上，使上支撑环与外机匣上端面贴合后拧紧六角薄螺母；

（8）分别将插销顶紧到叶片叶尖位置，分别拧紧滚花圆柱头紧定螺钉，使插销位置固定；

步骤二：氩弧定位焊

定位焊前用洁净的白细纱布蘸汽油或酒精将叶片缘板和外机匣型孔周边擦洗干净，然后进行手工氩弧焊定位，每个叶片对称定位焊接4-6点；

步骤三：三坐标测量

将零件从夹具中拆除，在三坐标测量机中测量叶片截面高度和叶片截面弦切角尺寸，如有不合格叶片，则打掉叶片定位焊点，重新进行装配、定位焊及测量；

步骤四：电子束焊接

将零件固定到电子束焊机转盘中进行焊接；

步骤五：无损检查

对焊接部位进行X光检查和着色检查，保证焊接质量符合焊接标准要求；

步骤六：真空热处理

将零件放于真空炉中进行去应力热处理，消除焊接残余应力，热处理制度为：随炉升温至550℃±10℃，保温3h～3h15min，随炉升温至350℃±10℃，充氩气0.2～0.4MPa冷至80℃以下出炉；

步骤七：尺寸检查

采用三坐标测量机，分别测量叶片截面弦切角、叶片截面高度、外环内流道直径。

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