CN114102159A - 球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，包括底座、膜胎、升降机构和中心立柱，单块瓜瓣的外缘通过瓜瓣压板固定连接至膜胎的上端，单块瓜瓣的上端设置瓜瓣压紧机构，膜胎下端通过升降机构固定连接至底座上端，且膜胎通过升降机构与底座相对移动，底座上端设置中心立柱，且膜胎设有对接孔，中心立柱外围位于对接孔内，中心立柱上端设置焊接垫板，且焊接垫板位于单块瓜瓣下端，且焊接垫板与单块瓜瓣待加工的法兰焊接孔同心。本发明所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，实现了在单块瓜瓣状态下与小直径法兰盘的安装、铣切和焊接一体化目标，避免了单块瓜瓣的移动周转，提高了生产效率和产品质量。
Description
技术领域
本发明属于火箭贮箱制作领域，尤其是涉及一种球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置及焊接方法。
背景技术
我国载人登月运载火箭贮箱箱底是重要的承力部件，设计广泛采用了Φ5000mm级大直径球冠底结构，主要由8个半径为R2776.8mm，角度为45°的瓜瓣、过渡环和焊接边为Φ200～Φ350mm的小直径法兰盘等零件拼焊而成。其中贮箱箱底瓜瓣上设计有多个对接法兰盘结构，主要分布在箱底靠近瓜瓣的小端位置。
目前瓜瓣与法兰环缝焊接工装采用的是单块固定式膜胎以及法兰周边压紧机构，焊接采用悬空变极性TIG焊接工艺在法兰盘外表面进行焊接，可一次焊透4-8mm铝合金板材。主要工艺流程为：首先由钣金车间进行瓜瓣成型并由机加车间完成瓜瓣开孔工作；然后由焊接车间对瓜瓣和法兰进行手工验合并装配瓜瓣，装配效果达到工艺要求后采用自动钨极氩弧焊工艺焊接法兰盘环缝；最后对瓜瓣组件与法兰环缝进行校形处理，确保瓜瓣与法兰型面均匀一致后送X光透视，焊缝经无损检测无需补焊合格后交付瓜瓣纵缝焊接工位进行圆环焊接。
以目前的瓜瓣与法兰装配焊接工艺方法来看，主要存在以下缺点：
(1)从瓜瓣流转工序来讲，瓜瓣在机加车间开孔后，需从对应开孔膜胎上卸下瓜瓣并将瓜瓣送至焊接车间，由焊接车间对瓜瓣再次进行验合并装配至焊接膜胎，工序之间存在瓜瓣开孔后的二次装配问题，导致瓜瓣与法兰装配时装配圆度、装配间隙精度较差，甚至需重复装配2-3次才能够达到工艺要求；
(2)从瓜瓣与法兰压紧工装来讲，目前采用悬空变极性TIG焊接工艺所用的工装仅仅是压紧了法兰环缝焊接边，对于瓜瓣左右两端以上下大小端形面的控制无有效控制措施，成为瓜瓣与法兰焊接后瓜瓣发生变形的原因之一；
(3)从瓜瓣与法兰焊接工艺来讲，由于熔焊工艺在焊接时，需要将母材熔化，产生的热输入量大，焊后接头残余应力较高，焊接变形仍然相对较大，且熔焊工艺受环境温度湿度、零件表面状态影响，焊接后接头中仍然存在较多缺陷。尤其是瓜瓣经过化铣减薄后，刚性弱，焊接区厚度仅为4-7mm，减薄区仅为2mm，瓜瓣与法兰焊接后，常出现变形失稳。目前只能采用焊后手工矫形工艺，若法兰盘焊后有缺陷，补焊后矫形难度就更大，因此虽然采用熔焊工艺可以完成法兰焊接，但在进一步提升法兰盘焊接接头性能、减少焊接缺陷以及减小其焊接后变形量这三方面上能力稍显不足。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，以解决目前单块瓜瓣开孔后与焊接之间存在二次装配问题导致的装配精度较差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，包括底座、膜胎、升降机构和中心立柱，膜胎与底座相互平行设置，且膜胎位于底座的上方，单块瓜瓣的外缘通过瓜瓣压板固定连接至膜胎的上端，且单块瓜瓣的下端面与膜胎上端面贴合，单块瓜瓣的上端设置瓜瓣压紧机构，膜胎下端通过升降机构固定连接至底座上端，且膜胎通过升降机构与底座相对移动，底座上端设置中心立柱，且膜胎设有对接孔，中心立柱外围位于对接孔内，中心立柱上端设置焊接垫板，且焊接垫板位于单块瓜瓣下端，且焊接垫板与单块瓜瓣待加工的法兰焊接孔同心。
进一步的，所述底座上端固定安装若干导向轴，且若干导向轴相互平行设置，膜胎内固定安装导向套，每个导向轴的下端固定连接至底座的上端，每个导向轴外围位于一个导向套内。
相对于现有技术，本发明所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置具有以下有益效果：实现了在单块瓜瓣状态下与小直径法兰盘的安装、铣切和焊接一体化目标，避免了单块瓜瓣的移动周转，提高了生产效率和产品质量。
本发明的另一目的在于提出一种球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法，以解决现有技术焊接方法导致的单块瓜瓣与待焊接法兰焊接后变形失稳导致组件形位尺寸差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法，包括如下步骤：
S1、工作人员将单块瓜瓣放置到膜胎上端，并调整单块瓜瓣和膜胎相对位置，且将单块瓜瓣的下端面与膜胎的上端面贴合；
S2、工作人员通过升降机构将膜胎抬举预设高度后，固定膜胎与底座的相对位置；
S3、工作人员通过机加工铣切法兰焊接孔后，通过升降机构下降膜胎，使法兰焊接孔的开口焊接边与焊接垫板水平平齐；
S4、在焊接垫板上端安装立柱转接轴，且立柱转接轴外围位于法兰焊接孔内，立柱转接轴与焊接垫板同心；
S5、将待焊接法兰外围安装至法兰焊接孔内，且立柱转接轴外围位于待焊接法兰内圈，并固定待焊接法兰相对位置；
S6、待焊接法兰和单块瓜瓣通过短距离重复搅拌摩擦焊接为一体。
进一步的，所述步骤1中调整单块瓜瓣和膜胎相对位置的方法是：将瓜瓣中心线与膜胎形面中心线对齐，调整瓜瓣理论刻线，使其与膜胎形面理论刻线对齐。
进一步的，所述步骤1中单块瓜瓣的下端面与膜胎的上端面贴合的方法是：使用瓜瓣拉带将单块瓜瓣两侧预固定至膜胎的上端，然后使用压板将单块瓜瓣外缘固定连接至膜胎的上端。
进一步的，所述步骤6中短距离重复搅拌摩擦焊接的方法是：工作人员在搅拌焊接设备上安装定位搅拌头并对待焊接法兰和单块瓜瓣进行定位焊接，并通过定位焊接的起点和终点确定正式焊接的起始点，并以正式焊接的起始点为基准对待焊接法兰进行环缝回抽焊接。
相对于现有技术，本发明所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法具有以下有益效果：本方法适用于5m级直径球冠底小直径法兰盘短距离重复焊接、短距离回抽焊接和加密拟合点距的回抽搅拌摩擦焊接工艺方法，实现了5m级直径球冠型瓜瓣空间复杂曲面位置法兰盘五轴联动搅拌摩擦焊接技术，提高了5m级直径球冠型瓜瓣的生产效率，且方法可靠性高，质量稳定，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置与单块瓜瓣装配的剖面图；
图2为本发明实施例所述的单块瓜瓣与膜胎配合的上视图；
图3为本发明实施例所述的瓜瓣拉带、瓜瓣压板作用于单块瓜瓣和膜胎的上视图；
图4为本发明实施例所述的压紧机构和膜胎的配合上视图；
图5为本发明实施例所述的在单块瓜瓣上铣切法兰焊接孔的剖面示意；
图6为本发明实施例所述的在待焊接法兰安装至法兰焊接孔的剖面示意；
图7为本发明实施例所述的在待焊接法兰定位焊接轨迹示意图。
附图标记说明：
1-底座；2-膜胎；201-膜胎中心线；202-膜胎理论刻线；3-中心立柱；4-导向套；5-单块瓜瓣；501-瓜瓣中心线；502-瓜瓣理论刻线；503-法兰焊接孔；6-压紧机构；7-瓜瓣压板；8-垫块；9-焊接垫板；10-导向轴；11-螺栓孔；12-瓜瓣拉带；13-铣刀；14-立柱转接轴；15-待焊接法兰；1501-定位焊接起始点；1502-定位焊接终止点；1503-正式焊接起始点；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-7所示，球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，包括底座1、膜胎2、升降机构和中心立柱3，膜胎2与底座1相互平行设置，且膜胎2位于底座1的上方，单块瓜瓣5的外缘通过瓜瓣压板7固定连接至膜胎2的上端，且单块瓜瓣5的下端面与膜胎2上端面贴合，单块瓜瓣5的上端设置瓜瓣压紧机构6，膜胎2下端通过升降机构固定连接至底座1上端，且膜胎2通过升降机构与底座1相对移动，底座1上端设置中心立柱3，且膜胎2设有对接孔，中心立柱3外围位于对接孔内，中心立柱3上端设置焊接垫板9，且焊接垫板9位于单块瓜瓣5下端，且焊接垫板9与单块瓜瓣5待加工的法兰焊接孔503同心，底座1上端固定安装若干导向轴10，且若干导向轴10相互平行设置，膜胎2内固定安装导向套4，每个导向轴10的下端固定连接至底座1的上端，每个导向轴10外围位于一个导向套4内。
应用球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置对单块瓜瓣5和待焊接法兰15铣焊一体的方法，包括如下步骤：
S1、工作人员将单块瓜瓣5放置到膜胎2上端，并调整单块瓜瓣5和膜胎2相对位置，且将单块瓜瓣5的下端面与膜胎2的上端面贴合；
如图2所示，工作人员放置单块瓜瓣5到膜胎2中，将单块瓜瓣中心线501与瓜瓣膜胎中心线201对齐，调整瓜瓣理论刻线502使其与膜胎理论刻线502对齐，误差均不大于±0.5mm，工作人员依据设计理论位置，找出瓜瓣中的开孔冲点。
如图3所示，工作人员观察单块瓜瓣5与膜胎2上端形面之间的贴胎间隙，使用瓜瓣拉带12在瓜瓣左右两侧预固定单块瓜瓣5，使用瓜瓣压板7压紧单块瓜瓣5四周边缘，确保单块瓜瓣5与膜胎2上端形面贴合。通过采用两侧拉带固定和瓜瓣四周压板固定的方法，可以保证在焊接时瓜瓣因焊接热数量过大而发生变形。
S2、工作人员通过升降机构将膜胎2抬举预设高度后，固定膜胎2与底座1的相对位置；
如图4所示，工作人员安装现有技术的瓜瓣压紧机构6，通过螺栓将其与膜胎2两侧的连接块相连，通过升降机构将瓜瓣膜胎2升起30mm，升降机构是现有技术的液压缸；在瓜瓣膜胎2与底座1之间插入垫块8，起到支撑瓜瓣膜胎2的作用，留出铣切空间。
S3、工作人员通过机加工铣切法兰焊接孔503后，通过升降机构下降膜胎2，使法兰焊接孔503的开口焊接边与焊接垫板9水平平齐；
工作人员测量对应待焊接法兰15的实际焊接边直径，根据焊接边直径铣切单块瓜瓣5和法兰焊接孔503，具体如图5所示；
待铣切完成法兰焊接孔503后，工作人员清理铣切瓜瓣后留下的铝屑，拆除瓜瓣膜胎2与底座1之间的垫块8，在液压缸驱动作用下降下瓜瓣膜胎2，使瓜瓣开孔焊接边与焊接垫板9贴齐，在螺栓孔11内拧入紧固螺栓固定底座1与膜胎2的相对位置。
S4、在焊接垫板9上端安装立柱转接轴14，且立柱转接轴14外围位于法兰焊接孔503内，立柱转接轴14与焊接垫板9同心；
S5、将待焊接法兰15外围安装至法兰焊接孔503内，且立柱转接轴14外围位于待焊接法兰15内圈，并固定待焊接法兰15相对位置；
如图6所示，在焊接垫板9上端固定安装立柱转接轴14，然后装配待焊接法兰15至单块瓜瓣5开孔处，通过好手或压紧连接器等固定法兰的相对位置，检查单块瓜瓣5与待焊接法兰15装配错边，错边量≤0.3mm满足要求后即具备焊接条件。
S6、待焊接法兰15和单块瓜瓣5通过短距离重复搅拌摩擦焊接为一体。
如图7所示，工作人员选择针长为2mm的定位搅拌头安装至现有技术的搅拌焊接设备，并通过搅拌焊接设备对待焊接法兰15环缝进行定位焊接，定位焊接时主轴按照逆时针的方向进行旋转，同时定位焊接起始点1501与定位焊接终止点1502位置之间留有约5-10mm的弧长位置，便于正式焊接时正式焊接搅拌头对焊缝中心所用；
工作人员选择比母材板厚小0.25～0.35mm的正式回抽焊接搅拌头进行待焊接法兰15的环缝回抽焊接，在正式焊接时，正式焊接起始点1503定义为0°，其位置选择在定位焊接起始点1501与定位焊接终止点1502之间，正式焊接时主轴按照逆时针的方向进行旋转，当正式焊接到360°位置时(正式焊接起始点1503位置与正式焊接终止点位置重合时)待焊接法兰15的正常焊接区域结束，而此时，搅拌针没有拔出母材本体，而是继续在主轴带动下越过正式焊接起始点1503位置继续进行运动20～30mm，20～30mm的长度为重复焊接距离，当重复焊接距离焊接完成后，搅拌焊接设备进行回抽焊接，且回抽距离为50～60mm，同时主轴拟合轨迹单点点距定为0.1mm，使回抽轨迹更加圆滑，焊缝焊接后，其内部组织更加致密，在回抽焊接区域内回抽搅拌头的搅拌针逐渐缩至搅拌头的轴肩内，直至回抽结束，整个焊接过程完毕。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，其特征在于：包括底座(1)、膜胎(2)、升降机构和中心立柱(3)，膜胎(2)与底座(1)相互平行设置，且膜胎(2)位于底座(1)的上方，单块瓜瓣(5)的外缘通过瓜瓣压板(7)固定连接至膜胎(2)的上端，且单块瓜瓣(5)的下端面与膜胎(2)上端面贴合，单块瓜瓣(5)的上端设置瓜瓣压紧机构(6)，膜胎(2)下端通过升降机构固定连接至底座(1)上端，且膜胎(2)通过升降机构与底座(1)相对移动，底座(1)上端设置中心立柱(3)，且膜胎(2)设有对接孔，中心立柱(3)外围位于对接孔内，中心立柱(3)上端设置焊接垫板(9)，且焊接垫板(9)位于单块瓜瓣(5)下端，且焊接垫板(9)与单块瓜瓣(5)待加工的法兰焊接孔(503)同心。
2.根据权利要求1所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，其特征在于：底座(1)上端固定安装若干导向轴(10)，且若干导向轴(10)相互平行设置，膜胎(2)内固定安装导向套(4)，每个导向轴(10)的下端固定连接至底座(1)的上端，每个导向轴(10)外围位于一个导向套(4)内。
3.球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法，使用权利1-2任一所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体装置，其特征在于：包括如下步骤：
S1、工作人员将单块瓜瓣(5)放置到膜胎(2)上端，并调整单块瓜瓣(5)和膜胎(2)相对位置，且将单块瓜瓣(5)的下端面与膜胎(2)的上端面贴合；
S2、工作人员通过升降机构将膜胎(2)抬举预设高度后，固定膜胎(2)与底座(1)的相对位置；
S3、工作人员通过机加工铣切法兰焊接孔(503)后，通过升降机构下降膜胎(2)，使法兰焊接孔(503)的开口焊接边与焊接垫板(9)水平平齐；
S4、在焊接垫板(9)上端安装立柱转接轴(14)，且立柱转接轴(14)外围位于法兰焊接孔(503)内，立柱转接轴(14)与焊接垫板(9)同心；
S5、将待焊接法兰(15)外围安装至法兰焊接孔(503)内，且立柱转接轴(14)外围位于待焊接法兰(15)内圈，并固定待焊接法兰(15)相对位置；
S6、待焊接法兰(15)和单块瓜瓣(5)通过短距离重复搅拌摩擦焊接为一体。
4.根据权利要求3所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法，其特征在于：步骤1中调整单块瓜瓣(5)和膜胎(2)相对位置的方法是：将瓜瓣中心线(501)与膜胎中心线(201)对齐，调整瓜瓣理论刻线(502)使其与膜胎理论刻线(202)对齐。
5.根据权利要求3所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法，其特征在于：步骤1中单块瓜瓣(5)的下端面与膜胎(2)的上端面贴合的方法是：使用瓜瓣拉带(12)将单块瓜瓣(5)两侧预固定至膜胎(2)的上端，然后使用压板将单块瓜瓣(5)外缘固定连接至膜胎(2)的上端。
6.根据权利要求3所述的球冠底瓜瓣与闭环法兰的铣焊一体方法，其特征在于：步骤6中短距离重复搅拌摩擦焊接的方法是：工作人员在搅拌焊接设备上安装定位搅拌头并对待焊接法兰(15)和单块瓜瓣(5)进行定位焊接，并通过定位焊接起始点(1501)和定位焊接终止点(1502)确定正式焊接起始点(1503)，并以正式焊接起始点(1503)为基准对待焊接法兰(15)进行环缝回抽焊接。
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2021
- 2021-11-29 CN CN202111429831.7A patent/CN114102159A/zh active Pending
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