CN114085986A - 一种焊接残余应力超声调控夹持装置及夹持方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊接残余应力超声调控夹持装置及夹持方法，包括机械臂机构、超声换能器固定机构和真空吸盘机构，所述超声换能器固定机构通过销安装在机械臂机构前端的内部，所述真空吸盘机构设于机械臂机构的下端并可旋转，所述机械臂机构上设置有一号锁紧拨片、二号锁紧拨片和三号锁紧拨片，所述超声换能器固定机构内设有可拆卸安装的超声换能器本体。本发明不改变产品现有焊接工艺、流程及装备，不对产品产生二次损伤，结构简单，可以进行工件焊接结构任意点位焊接残余应力超声调控消减处理所用高能超声换能器方便、快捷、可靠的夹持安装，确保残余应力消减效果，适合大型薄壁铝合金等金属构件复杂结构焊接残余应力的调控处理。

Description

一种焊接残余应力超声调控夹持装置及夹持方法
技术领域
本发明涉及金属构件复杂结构焊接技术领域，特别涉及一种焊接残余应力超声调控夹持装置及夹持方法。
背景技术
焊接是一种局部、不均匀的加热及冷却过程，导致工件焊后不可避免的会产生焊接残余应力及变形；航空航天广泛采用大型薄壁轻金属构件，尤其是非铁磁性的铝合金焊接构件，如火箭燃料箱体，尺寸大、壁薄，最薄区域仅1-2mm厚，焊接结构形式多样，尤其是燃料箱体前后封头存在种类及直径多样的法兰焊接结构，形式复杂，且常采用热处理强化型铝合金材料。
由于大型薄壁铝合金焊接构件在材料及结构等方面的特殊性，传统的反变形法、刚性固定法、机械冲击(锤击)、超声冲击、热处理及振动时效等方法皆不适用，由此，近年来发展了一种利用高能声束消减焊接结构残余应力的方法，该方法基于超声诱导塑性效应，将超声电源产生的一定功率超声能量利用超声换能器通过耦合剂直接传输进入工件材料内部，通过激活应力区材料中的晶格排列，改变原有的位错结构，促进微观塑性变形，实现工件材料内部残余应力的释放和均匀化，该方法不对工件产生冲击、加热等作用，不影响材料和产品的性能，是一种无损的应力消减方法，尤其适用于航空航天广泛采用的大型薄壁铝合金等轻金属焊接构件残余应力的调控消减处理。利用该方法进行残余应力调控处理，其关键之一是需要将超声换能器以一定的预紧力稳定牢固的安装在待处理工件表面。故此，我们提出了一种焊接残余应力超声调控夹持装置。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种焊接残余应力超声调控夹持装置及夹持方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种焊接残余应力超声调控夹持装置，包括机械臂机构、超声换能器固定机构和真空吸盘机构，所述超声换能器固定机构通过销安装在机械臂机构前端的内部，所述真空吸盘机构设于机械臂机构的下端并可旋转，所述机械臂机构上设置有一号锁紧拨片、二号锁紧拨片和三号锁紧拨片，所述超声换能器固定机构内设有可拆卸安装的超声换能器本体；所述机械臂机构包括前端机械臂、中间机械臂、底座机械臂和基座，所述前端机械臂、中间机械臂、底座机械臂和基座依次采用销轴连接安装，所述超声换能器固定机构活动安装在前端机械臂内，所述真空吸盘机构固定安装在基座的下端。
优选的，所述前端机械臂和中间机械臂通过一号锁紧拨片调节关节松弛状态，所述中间机械臂和底座机械臂通过二号锁紧拨片调节关节松弛状态，所述底座机械臂和基座通过三号锁紧拨片调节关节松弛状态。
优选的，所述超声换能器固定机构包括换能器压紧套筒和顶紧螺栓，所述换能器压紧套筒通过销连接安装在前端机械臂的U形槽内，所述顶紧螺栓穿插连接在换能器压紧套筒的上端且与换能器压紧套筒螺纹连接。
优选的，所述换能器压紧套筒的内径及高度根据超声换能器本体的尺寸相适配，所述超声换能器本体通过法兰盘螺栓连接固定在换能器压紧套筒内。
优选的，所述真空吸盘机构包括底盘、吸盘支架、锁紧螺钉和真空吸盘、所述基座安装在底盘的上端中部，可相对于底盘旋转，所述吸盘支架设置有六个，且六个吸盘支架均匀分布安装在底盘上，所述真空吸盘通过锁紧螺钉安装在吸盘支架上。
优选的，所述气管的一端与真空吸盘连接，且气管的另一端与真空泵连接。
优选的，所述基座可相对于真空吸盘机构旋转。
本发明还公开了一种上述焊接残余应力超声调控夹持装置的使用方法，将超声换能器本体装夹于换能器压紧套筒内，然后将整个夹持装置放置于待调控的工件表面，调节真空吸盘固定装置的姿态，将超声换能器本体调整安装于焊接结构的焊缝外侧并垂直其表面，然后启动真空泵通过气管对真空吸盘进行抽真空，从而使整个夹持装置吸附固定在工件表面，再通过调节顶紧螺栓将超声换能器本体的预紧力压紧在焊缝外侧表面，实现超声换能器本体的稳定装夹；待残余应力超声调控工作结束后，关闭真空泵，取消真空吸盘的吸附力，将整个夹持装置从工件表面取下，完成拆卸。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的装置不改变产品现有焊接工艺、流程及装备，设备结构简单、使用简洁，实现高能超声换能器方便、快捷、可靠的夹持安装及残余应力有效的无损消减。
2、本发明能保证超声换能器以一定的预紧力稳定牢固的安装在待处理的工件表面，且预紧力可调，以保证超声能量通过换能器有效传输进入工件材料，实现残余应力调控消减。
3、本发明体积小、重量轻便，且利用真空吸盘将装置吸附在工件表面，能够有效实现铝合金等非铁磁性材料工件表面安装，不对产品产生压痕和变形等二次损伤。
4、本发明通过底座真空吸盘伸出长度以及机械臂多个自由度的配合调节，可以进行工件焊接结构任意点位的压紧消除工作，能够简便有效的适应不同焊接结构的处理，特别是针对复杂焊接结构的局部补焊位置残余应力的处理，具有充分的灵活性和针对性，易于生产现场使用。
附图说明
图1为本发明一种焊接残余应力超声调控夹持装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种焊接残余应力超声调控夹持装置的超声换能器固定机构和真空吸盘机构与机械臂机构的连接示意图；
图3为本发明一种焊接残余应力超声调控夹持装置在调控火箭贮箱封头椭球空间曲面法兰焊接残余应力的安装使用结构示意图；
图4为本发明一种焊接残余应力超声调控夹持装置安装使用的A处细节放大图。
图中：1、机械臂机构；2、超声换能器固定机构；3、真空吸盘机构；4、超声换能器本体；5、一号锁紧拨片；6、二号锁紧拨片；7、三号锁紧拨片；8、前端机械臂；9、中间机械臂；10、底座机械臂；11、基座；12、火箭贮箱封头工件；13、封头椭球空间曲面法兰焊接结构；14、法兰焊缝；21、换能器压紧套筒；22、顶紧螺栓；31、底盘；32、吸盘支架；33、锁紧螺钉；34、真空吸盘；35、气管。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
一种焊接残余应力超声调控夹持装置，包括机械臂机构1、超声换能器固定机构2和真空吸盘机构3，超声换能器固定机构2通过销安装在机械臂机构1前端的内部，真空吸盘机构3设于机械臂机构1的下端并可旋转，机械臂机构1上设置有一号锁紧拨片5、二号锁紧拨片6和三号锁紧拨片7，超声换能器固定机构2内可拆卸安装有超声换能器本体4。
机械臂机构1包括前端机械臂8、中间机械臂9、底座机械臂10和基座11，前端机械臂8、中间机械臂9、底座机械臂10和基座11依次采用销轴连接安装，超声换能器固定机构2活动安装在前端机械臂8内，真空吸盘机构3固定安装在基座11的下端；前端机械臂8和中间机械臂9通过一号锁紧拨片5调节关节松弛状态，中间机械臂9和底座机械臂10通过二号锁紧拨片6调节关节松弛状态，底座机械臂10和基座11通过三号锁紧拨片7调节关节松弛状态，超声换能器固定机构2的主要受力关节设旋转阻尼器，可以使旋转手臂以缓慢的速度旋转，防止在松弛时突然下垂，碰伤消减工件表面，各关节通过旋转槽与压紧螺栓进行紧固；超声换能器固定机构2包括换能器压紧套筒21和顶紧螺栓22，通过顶紧螺栓22对换能器压紧套筒21的内筒施加压力，内筒向外伸长带动超声换能器本体4压紧在工件表面从而实现超声换能器本体4在工件表面的预紧，预紧压力调整范围为0～500N，换能器压紧套筒21通过销连接安装在前端机械臂8的U形槽内，顶紧螺栓22穿插连接在换能器压紧套筒21的上端且与换能器压紧套筒21螺纹连接；换能器压紧套筒21的内径及高度超声换能器本体4的尺寸相适配，超声换能器本体4通过法兰盘螺栓连接固定在换能器压紧套筒21内；真空吸盘机构3包括底盘31、吸盘支架32、锁紧螺钉33和真空吸盘34、基座11安装在底盘31的上端中部，且基座11在前端机械臂8的上端可实现旋转调节，吸盘支架32设置有六个，且六个吸盘支架32均匀分布安装在底盘31上，真空吸盘34通过锁紧螺钉33安装在吸盘支架32上，真空吸盘34内部设万向球铰，可以在35°范围内任意倾斜面自由调整，以适应不同曲率的曲面，提高真空吸盘34的吸力；气管35的一端与真空吸盘34连接，且气管35的另一端与真空泵连接，通过真空泵抽取真空吸盘34腔室内的空气形成真空，使外界的大气压将真空吸盘34以约1kg/cm2的压力牢牢的吸附在消减工件的表面，通过真空吸盘34将该装置固定在工件表面。
需要说明的是，本发明为一种焊接残余应力超声调控夹持方法，在具体使用过程中，对于火箭贮箱封头工件12其封头椭球空间曲面法兰焊接结构13的法兰焊缝14焊接残余应力的超声调控，将超声换能器本体4装夹于换能器压紧套筒21内，然后将整个夹持装置放置于待调控的火箭贮箱封头工件12表面，具体需要先调节真空吸盘34固定装置的姿态，将超声换能器本体4调整安装于封头椭球空间曲面法兰焊接结构13的法兰焊缝14外侧并垂直其表面，然后启动真空泵通过气管35对真真空吸盘34进行抽真空，从而使整个夹持装置吸附固定在火箭贮箱封头工件12表面，再通过调节顶紧螺栓22将超声换能器本体4以200N的预紧力压紧在法兰焊缝14外侧表面，实现超声换能器本体4的稳定装夹；待残余应力超声调控工作结束后，关闭真空泵，取消真空吸盘34的吸附力，将整个夹持装置从火箭贮箱封头工件12表面取下，完成拆卸。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种焊接残余应力超声调控夹持装置，包括机械臂机构(1)、超声换能器固定机构(2)和真空吸盘机构(3)，其特征在于：所述超声换能器固定机构(2)通过销安装在机械臂机构(1)前端的内部，所述真空吸盘机构(3)设于机械臂机构(1)的下端并可旋转，所述机械臂机构(1)上设置有一号锁紧拨片(5)、二号锁紧拨片(6)和三号锁紧拨片(7)，所述超声换能器固定机构(2)内设有可拆卸安装的超声换能器本体(4)；
所述机械臂机构(1)包括前端机械臂(8)、中间机械臂(9)、底座机械臂(10)和基座(11)，所述前端机械臂(8)、中间机械臂(9)、底座机械臂(10)和基座(11)依次采用销轴连接安装，所述超声换能器固定机构(2)活动安装在前端机械臂(8)内，所述真空吸盘机构(3)固定安装在基座(11)的下端。
2.根据权利要求1所述的一种焊接残余应力超声调控夹持装置，其特征在于：所述前端机械臂(8)和中间机械臂(9)通过一号锁紧拨片(5)调节关节松弛状态，所述中间机械臂(9)和底座机械臂(10)通过二号锁紧拨片(6)调节关节松弛状态，所述底座机械臂(10)和基座(11)通过三号锁紧拨片(7)调节关节松弛状态。
3.根据权利要求1所述的一种焊接残余应力超声调控夹持装置，其特征在于：所述超声换能器固定机构(2)包括换能器压紧套筒(21)和顶紧螺栓(22)，所述换能器压紧套筒(21)通过销连接安装在前端机械臂(8)的U形槽内，所述顶紧螺栓(22)穿插连接在换能器压紧套筒(21)的上端且与换能器压紧套筒(21)螺纹连接。
4.根据权利要求3所述的一种焊接残余应力超声调控夹持装置，其特征在于：所述换能器压紧套筒(21)的内径及高度根据超声换能器本体(4)的尺寸相适配，所述超声换能器本体(4)通过法兰盘螺栓连接固定在换能器压紧套筒(21)内。
5.根据权利要求1所述的一种焊接残余应力超声调控夹持装置，其特征在于：所述真空吸盘机构(3)包括底盘(31)、吸盘支架(32)、锁紧螺钉(33)和真空吸盘(34)，所述基座(11)安装在底盘(31)的上端中部，可相对于底盘(31)旋转，所述吸盘支架(32)设置有六个，且六个吸盘支架(32)均匀分布安装在底盘(31)上，所述真空吸盘(34)通过锁紧螺钉(33)安装在吸盘支架(32)上。
6.根据权利要求5所述的一种焊接残余应力超声调控夹持装置，其特征在于：所述气管(35)的一端与真空吸盘(34)连接，且气管(35)的另一端与真空泵连接。
7.根据权利要求1所述的一种焊接残余应力超声调控夹持装置，其特征在于：所述基座(11)可相对于真空吸盘机构(3)旋转。
8.一种如权利要求1-7任一所述的焊接残余应力超声调控夹持装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：将超声换能器本体(4)装夹于换能器压紧套筒(21)内，然后将整个夹持装置放置于待调控的工件(12)表面，调节真空吸盘(34)固定装置的姿态，将超声换能器本体(4)调整安装于焊接结构(13)的焊缝(14)外侧并垂直其表面，然后启动真空泵通过气管(35)对真真空吸盘(34)进行抽真空，从而使整个夹持装置吸附固定在工件(12)表面，再通过调节顶紧螺栓(22)将超声换能器本体(4)的预紧力压紧在焊缝(14)外侧表面，实现超声换能器本体(4)的稳定装夹；待残余应力超声调控工作结束后，关闭真空泵，取消真空吸盘(34)的吸附力，将整个夹持装置从工件(12)表面取下，完成拆卸。
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