CN114131223A - 一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置 - Google Patents

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CN114131223A CN202111271936.4A CN202111271936A CN114131223A CN 114131223 A CN114131223 A CN 114131223A CN 202111271936 A CN202111271936 A CN 202111271936A CN 114131223 A CN114131223 A CN 114131223A
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Abstract

本发明公开了一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，包括：小托环、托盘、底盘、拉紧调整螺母、拉紧钢丝、转角支撑柱、管束大端安装用叉接头和若干个上顶组合装置；其中，管束大端安装用叉接头通过螺钉安装在喷管管束端部上；拉紧钢丝与管束大端安装用叉接头相连接，拉紧钢丝绕装在转角支撑柱上，拉紧调整螺母套装在拉紧钢丝的底部直柱上；拉紧调整螺母能够逐根调节钢丝绳的拉紧状态，从而调节每根管束的拉紧状态；小托环安装在管束大端安装用叉接头的底部，托盘安装在小托环的下部，托盘与底盘通过上顶组合装置进行连接。本发明有利于焊缝成形和焊接过程稳定，保证了喷管激光焊接质量。

Description

一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置
技术领域
本发明属于管束式喷管延伸段的激光焊接技术领域，尤其涉及一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置。
背景技术
航天发动机的管束式喷管由数百根空间螺旋曲线方管激光焊接而成。管束式喷管由于焊缝密集，数量多，长度长，焊缝总面积约占该结构件表面积的60％以上，焊缝轨迹为复杂的空间螺旋曲线，焊后型面要求高，需有效控制该焊件的变形和应力。
激光焊接是一种高能束焊接技术，具有极高的能量密度(约为氩弧焊的102～103倍)，焊接热影响区小，焊接变形相比氩弧焊要小，是管束喷管焊接的优选工艺。管束式喷管装配后，管束之间的间隙和错边满足焊接要求。小截面方管焊接过程中，由于受激光热源局部剧烈加热的影响，受热膨胀部分将受到周围低温部分的拘束，产生垂直于焊缝的横向应力和沿焊缝切线方向的纵向应力。横向应力造成的收缩变形，使方管与方管之间产生不均匀间隙。纵向应力造成的挠曲变形，使方管与方管之间产生不均匀错边。间隙、错边、或者间隙与错边的叠加因素，造成激光焊缝无法成形，发生烧穿、焊豁等质量问题。
发明内容
为保证管束激光焊缝质量，对接头状态有较高要求。需要克服焊接变形造成的方管与方管之间的间隙、挠曲变形造成的错边等。因此在喷管激光焊接生产过程中，采取有效手段，对接头状态进行调整。
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，有利于焊缝成形和焊接过程稳定，保证了喷管激光焊接质量。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，包括：小托环、托盘、底盘、拉紧调整螺母、拉紧钢丝、转角支撑柱、管束大端安装用叉接头和若干个上顶组合装置；其中，管束大端安装用叉接头通过螺钉安装在喷管管束端部上；拉紧钢丝与管束大端安装用叉接头相连接，拉紧钢丝绕装在转角支撑柱上，拉紧调整螺母套装在拉紧钢丝的底部直柱上；拉紧调整螺母能够逐根调节钢丝绳的拉紧状态，从而调节每根管束的拉紧状态；小托环安装在管束大端安装用叉接头的底部，托盘安装在小托环的下部，托盘与底盘通过上顶组合装置进行连接。
上述激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置中，上顶组合装置有个，每个上顶组合装置包括上顶螺栓、上顶调整螺母和压环；其中，上顶螺栓的上部和托盘紧固连接，上顶调整螺母安装在上顶螺栓的下部螺纹部位；压环套压在上顶调整螺母上，并且压环和底盘连接成一体；上顶螺栓的下部穿过底盘的连接孔。
上述激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置中，管束大端安装用叉接头、拉紧钢丝、转角支撑柱、拉紧调整螺母的数量和喷管管束的数量一致。
上述激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置中，托盘上顶的调节方法为：旋转上顶调整螺母，在压环的约束下，上顶螺栓向上调节，带动托盘向上调整，托盘上的小托环承接一圈连接管束的管束大端安装用叉接头，也随之向上，增加了托盘与底盘之间的高度距离，使管束大端始终处于拉紧状态。
上述激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置中，16个上顶组合装置分别为第一上顶组合装置、第二上顶组合装置、第三上顶组合装置、第四上顶组合装置、第五上顶组合装置、第六上顶组合装置、第七上顶组合装置、第八上顶组合装置、第九上顶组合装置、第十上顶组合装置、第十一上顶组合装置、第十二上顶组合装置、第十三上顶组合装置、第十四上顶组合装置、第十五上顶组合装置和第十六上顶组合装置；其中，
第一上顶组合装置为初始位置；旋转30°，分布第二上顶组合装置；再旋转25°，分布第三上顶组合装置；再旋转10°，分布第四上顶组合装置；再旋转25°，分布第五上顶组合装置；再旋转30°，分布第六上顶组合装置；再旋转25°，分布第七上顶组合装置；再旋转10°，分布第八上顶组合装置；再旋转25°，分布第九上顶组合装置；再旋转30°，分布第十上顶组合装置；再旋转25°，分布第十一上顶组合装置；再旋转10°，分布第十二上顶组合装置；再旋转25°，分布第十三上顶组合装置；再旋转30°，分布第十四上顶组合装置；再旋转25°，分布第十五上顶组合装置；再旋转10°，分布第十六上顶组合装置。
上述激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置中，16个上顶组合装置的依次调整顺序为：第十五上顶组合装置或第十六上顶组合装置、第七上顶组合装置或第八上顶组合装置、第三上顶组合装置或第四上顶组合装置、第十一上顶组合装置或第十二上顶组合装置、第一上顶组合装置、第九上顶组合装置、第六上顶组合装置、第十四上顶组合装置、第二上顶组合装置、第十上顶组合装置、第五上顶组合装置、第十三上顶组合装置。
上述激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置中，小托环为4瓣分体结构，各分瓣之间存在间距c，分瓣结构通过两个反向互调节的螺栓连接，通过螺栓调整间距c。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用适宜于薄壁管束式喷管的接头状态调整方法，满足了激光焊接对装配状态的要求，实现了喷管的激光焊接。喷管激光焊缝的焊接熔深满足＞0.4mm的要求，熔宽一致性良好，约2mm，符合设计指标要求。
(2)经焊接过程中的接头状态调整，喷管焊后的内型面误差在2mm范围内，激光焊接的管束式喷管通过了煤油试验、通道检查、X射线检查、打压测试等。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的管束式喷管的结构示意图；
图2(a)是图1中的喷管大端的管束正常对接状态的示意图；
图2(b)是图1中的喷管大端的管束间隙状态的示意图；
图2(c)是图1中的喷管大端的管束错边状态的示意图；
图2(d)是图1中的喷管大端的管束间隙加错边状态的示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的喷管焊接的托盘上顶初始状态的示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的喷管焊接1/5的托盘上顶状态的示意图；
图3(c)是本发明实施例提供的喷管焊接2/5的托盘上顶状态的示意图；
图3(d)是本发明实施例提供的喷管焊接3/5的托盘上顶状态的示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的托盘上顶的调节的结构示意图；
图4(b)是图4(a)中的A-A线的横截面的示意图；
图5(a)是本发明实施例提供的小托环结构的示意图；
图5(b)是图5(a)中的连接处的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的托盘上顶后的管束受力的示意图；
图7是本发明实施例提供的管束拍击校形消除错边和间隙的示意图；
图8是本发明实施例提供的喷管部位与托盘上调高度的关系曲线的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
发动机喷管由数百根空间螺旋曲线方管激光焊接而成，整体外形为两头不等直径的钟罩形轮廓，如图1所示。每根方管分为连续的小端、过渡段和大端三部分。喷管整体装配后，管与管之间装配状态为正常对接状态，如图2(a)所示，无间隙(0.02mm厚度的塞尺塞不进去)，无错边(对接上表面齐平)。激光焊接过程中，由于轴向收缩变形的影响，会产生图2(b)的间隙状态、图2(c)的错边状态、图2(d)的间隙和错边并存状态。
管束式喷管表面密排卡箍，每拆卸一道卡箍进行分段焊接。由于焊接收缩变形造成管束之间的间隙、错边。试验分析不同壁厚管束对间隙、错边的适应性，确定进行装配状态调整的边界条件。
壁厚约0.4mm管束的激光焊接能够适应的最大间隙是0.15mm，能够适应的最大错边量是0.3mm，当同时存在间隙和错边时，会降低激光焊缝对接头状态的适应性，适应最大0.12mm间隙与0.2mm错边并存的情况。壁厚约0.3mm管束的激光焊接能够适应的最大间隙是0.10mm，能够适应的最大错边量是0.25mm，当同时存在间隙和错边时，会降低激光焊缝对接头状态的适应性，适应最大0.08mm间隙与0.2mm错边并存的情况。
当接头状态不满足激光焊接要求时，轻则影响焊缝表面质量(焊缝凹陷，焊缝错边、焊缝表面的“羊角”熔合不充分)和焊缝内部质量(内部减薄、熔深不足)，严重情况下，无法形成连续焊缝或焊豁。因此，需要进行接头状态调整。
由于密排卡箍，无法采用旋转焊接工装的大、小端涡轮蜗杆机构进行装配状态调整。本发明采用了上顶托盘方式来减小管束之间的间隙，托盘上顶工装能够根据轴向上顶高度进行自适应调节，使管束始终处于拉紧状态，并且一圈上百根的管束大端都受到上顶力。基于喷管焊接后的整体轴向收缩量。确定了不同轴向高度处的上顶量。确定了托盘上分布的上顶调节螺栓的调整顺序，以达到托盘一圈的上顶量和上顶力均匀化的目的。
采用表面拍击校形的方法消除管束之间的错边和喷管中上部管束之间的间隙。
(1)接头状态调整装置的各个部件及连接位置关系说明
如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，该激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置包括：小托环1、托盘2、底盘3、拉紧调整螺母4拉紧钢丝5转角支撑柱6、管束大端安装用叉接头7和若干个上顶组合装置9。其中，
管束大端安装用叉接头7通过螺钉安装在喷管管束端部上每根管束的端部打孔，每个管束大端安装用叉接头7安装在每根管束上；拉紧钢丝5与管束大端安装用叉接头7相连接，拉紧钢丝5绕装在转角支撑柱6上，拉紧调整螺母4套装在拉紧钢丝5的底部直柱上；拉紧调整螺母4能够逐根调节钢丝绳的拉紧状态，从而调节每根管束的拉紧状态；小托环1安装在管束大端安装用叉接头7的底部，托盘2安装在小托环1的下部，托盘2与底盘3通过上顶组合装置9进行连接。
如图4(a)所示，上顶组合装置9有16个，每个上顶组合装置包括上顶螺栓10、上顶调整螺母11和压环12；其中，上顶螺栓10的上部和托盘2紧固连接，上顶调整螺母11安装在上顶螺栓10的下部螺纹部位；压环12套压在上顶调整螺母11上，并且压环12和底盘3连接成一体；上顶螺栓10的下部穿过底盘3的连接孔。
管束大端安装用叉接头7、拉紧钢丝5、转角支撑柱6、拉紧调整螺母4的数量和喷管管束的数量一致，为几百个，一圈均匀分布安装在喷管模胎的底部。小托环1、托盘2、底盘3数量各为1个。
16个上顶组合装置分别为第一上顶组合装置(100)、第二上顶组合装置200、第三上顶组合装置3-1、第四上顶组合装置3-2、第五上顶组合装置400、第六上顶组合装置500、第七上顶组合装置6-1、第八上顶组合装置6-2、第九上顶组合装置700、第十上顶组合装置800、第十一上顶组合装置9-1、第十二上顶组合装置9-2、第十三上顶组合装置1000、第十四上顶组合装置1100、第十五上顶组合装置12-1和第十六上顶组合装置12-2；其中，
第一上顶组合装置100为初始位置；旋转30°，分布第二上顶组合装置200；再旋转25°，分布第三上顶组合装置3-1；再旋转10°，分布第四上顶组合装置3-2；再旋转25°，分布第五上顶组合装置400；再旋转30°，分布第六上顶组合装置500；再旋转25°，分布第七上顶组合装置6-1；再旋转10°，分布第八上顶组合装置6-2；
再旋转25°，分布第九上顶组合装置700；再旋转30°，分布第十上顶组合装置800；再旋转25°，分布第十一上顶组合装置9-1；再旋转10°，分布第十二上顶组合装置9-2；
再旋转25°，分布第十三上顶组合装置1000；再旋转30°，分布第十四上顶组合装置1100；再旋转25°，分布第十五上顶组合装置12-1；再旋转10°，分布第十六上顶组合装置12-2。
底盘3的上表面与托盘2的下表面的高度距离值为h，通过16个上顶组合装置9，一圈均匀施加上顶力F。
2接头状态调整装置的调整量
喷管从大端往小端焊接，由于焊接变形造成喷管轴向收缩，连接管束的管束大端安装用叉接头7和小托环1之间的受力F减小，甚至出现脱开。管束与管束之间出现较大间隙，为调整间隙接头状态，施加上顶力F。以喷管焊接进行到1/5轴向高度为例，如图3(b)所示，增加底盘3上表面与托盘2下部的高度距离Δh1，高度距离为h+Δh。以转角支撑柱6为支点，拉紧钢丝5的倾斜拉紧角度由初始α1增加至α2。
以喷管焊接进行到2/5轴向高度为例，如图3(c)所示，进一步增加底盘3上表面与托盘2下部的高度距离Δh2，高度距离为h+Δh1+Δh2。以转角支撑柱6为支点，拉紧钢丝5的倾斜拉紧角度进一步增加至α3。
以喷管焊接进行到3/5轴向高度为例，如图3(d)所示，再进一步增加底盘3上表面与托盘下部的高度距离Δh3，高度距离为h+Δh1+Δh2+Δh3。以转角支撑柱6为支点，拉紧钢丝5的倾斜拉紧角度进一步增加至α4。
通过上顶托盘，不断增加底盘上表面与托盘下部的高度距离，施加上顶力F，以消除管束与管束之间的间隙，使管束大端始终处于拉紧状态。当喷管焊接进行到轴向高度3/5以上时，不再上顶托盘。到轴向高度3/5位置时，托盘上顶的总增加高度为Δh(Δh1+Δh2+Δh3)，各喷管部位的上调高度Δh'列表如表1所示，如图8所示。
喷管部位 托盘上调高度Δh' 与上一状态调节高度的差值
1/10轴向高度 0.08Δh 0.08Δh
1/5轴向高度 0.18Δh 0.10Δh
3/10轴向高度 0.32Δh 0.14Δh
2/5轴向高度 0.51Δh 0.19Δh
1/2轴向高度 0.75Δh 0.24Δh 10
3/5轴向高度 Δh 0.25Δh
(3)接头状态调整装置的调整顺序
如图4(a)和图4(b)所示，托盘上顶的调节方法为：旋转上顶调整螺母11，在压环12的约束下，上顶螺栓10向上调节，带动托盘2向上调整，托盘上的小托环1承接一圈连接管束的管束大端安装用叉接头7，也随之向上，增加了托盘2与底盘3之间的高度距离，使管束大端始终处于拉紧状态。
小托环为4瓣分体结构，如图5(a)和图5(b)所示，各分瓣之间存在间距c，分瓣结构通过两个反向互调节的螺栓连接，通过螺栓调整间距c。因为托盘上顶带动小托环沿着喷管钟罩形弧面上移，连接管束的带螺钉叉接头一圈应落在小托环上。为避免小托环上移造成与喷管外型面的间隙，叉接头无法落在小托环上，应在托盘上顶前，适当调节减小间距c，将小托环的整体直径缩小。
托盘上分布16个上顶调整螺栓，托盘上顶调整顺序为对称调节法，实现一圈的上顶调整量均匀一致化。如图4(a)所示，参考调整顺序为：(12-1、12-2)—(6-1、6-2)—(3-1、3-2)—(9-1、9-2)—100—700—500—1100—200—800—400—1000。
托盘上顶后的管束受力情况如图6所示，管束与管束间存在间隙b，垂直向上的上顶力F分解为垂直于管束方向的F1和平行于管束方向的F2。F1起到收紧间隙b的作用，F2使管束大端始终处于拉紧状态。
(4)接头状态的校形调整方法
当喷管焊接进行到轴向高度3/5以上时，由于距离底部托盘较远，该接头状态调整装置无法实现此处间隙状态的调整。对于管束接头状态出现错边的情况，也需要调整。采用表面拍击校形的方法消除管束之间的错边和喷管中上部管束之间的间隙。
如图7所示，针对管束之间存在间隙和错边的接头状态，先用金属拍击校形工具在高侧管束上施加下拍力F1，消除错边后，再用工具施加有一定倾斜角度的斜拍力F2。F2大于F1，F2的垂直方向分力使管束的羊角发生轻微延展变形，F2的水平方向分力利于收拢间隙。校形后，管束接头表面无错边无间隙。
本发明采用适宜于薄壁管束式喷管的接头状态调整方法，满足了激光焊接对装配状态的要求，实现了喷管的激光焊接。喷管激光焊缝的焊接熔深满足＞0.4mm的要求，熔宽一致性良好，约2mm，符合设计指标要求。经焊接过程中的接头状态调整，喷管焊后的内型面误差在2mm范围内，激光焊接的管束式喷管通过了煤油试验、通道检查、X射线检查、打压测试等。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于包括：小托环(1)、托盘(2)、底盘(3)、拉紧调整螺母(4)、拉紧钢丝(5)、转角支撑柱(6)、管束大端安装用叉接头(7)和若干个上顶组合装置(9)；其中，
管束大端安装用叉接头(7)通过螺钉安装在喷管管束端部上；
拉紧钢丝(5)与管束大端安装用叉接头(7)相连接，拉紧钢丝(5)绕装在转角支撑柱(6)上，拉紧调整螺母(4)套装在拉紧钢丝(5)的底部直柱上；
拉紧调整螺母(4)能够逐根调节钢丝绳的拉紧状态，从而调节每根管束的拉紧状态；
小托环(1)安装在管束大端安装用叉接头(7)的底部，托盘(2)安装在小托环(1)的下部，托盘(2)与底盘(3)通过上顶组合装置(9)进行连接。
2.根据权利要求1所述的激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于：上顶组合装置(9)有16个，每个上顶组合装置包括上顶螺栓(10)、上顶调整螺母(11)和压环(12)；其中，
上顶螺栓(10)的上部和托盘(2)紧固连接，上顶调整螺母(11)安装在上顶螺栓(10)的下部螺纹部位；
压环(12)套压在上顶调整螺母(11)上，并且压环(12)和底盘(3)连接成一体；
上顶螺栓(10)的下部穿过底盘(3)的连接孔。
3.根据权利要求1所述的激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于：管束大端安装用叉接头(7)、拉紧钢丝(5)、转角支撑柱(6)、拉紧调整螺母(4)的数量和喷管管束的数量一致。
4.根据权利要求1所述的激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于：托盘(2)上顶的调节方法为：旋转上顶调整螺母(11)，在压环(12)的约束下，上顶螺栓(10)向上调节，带动托盘(2)向上调整，托盘上的小托环(1)承接一圈连接管束的管束大端安装用叉接头(7)，也随之向上，增加了托盘(2)与底盘(3)之间的高度距离，使管束大端始终处于拉紧状态。
5.根据权利要求1所述的激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于：16个上顶组合装置分别为第一上顶组合装置(100)、第二上顶组合装置(200)、第三上顶组合装置(3-1)、第四上顶组合装置(3-2)、第五上顶组合装置(400)、第六上顶组合装置(500)、第七上顶组合装置(6-1)、第八上顶组合装置(6-2)、第九上顶组合装置(700)、第十上顶组合装置(800)、第十一上顶组合装置(9-1)、第十二上顶组合装置(9-2)、第十三上顶组合装置(1000)、第十四上顶组合装置(1100)、第十五上顶组合装置(12-1)和第十六上顶组合装置(12-2)；其中，
第一上顶组合装置(100)为初始位置；旋转30°，分布第二上顶组合装置(200)；再旋转25°，分布第三上顶组合装置(3-1)；再旋转10°，分布第四上顶组合装置(3-2)；再旋转25°，分布第五上顶组合装置(400)；再旋转30°，分布第六上顶组合装置(500)；再旋转25°，分布第七上顶组合装置(6-1)；再旋转10°，分布第八上顶组合装置(6-2)；再旋转25°，分布第九上顶组合装置(700)；再旋转30°，分布第十上顶组合装置(800)；再旋转25°，分布第十一上顶组合装置(9-1)；再旋转10°，分布第十二上顶组合装置(9-2)；再旋转25°，分布第十三上顶组合装置(1000)；再旋转30°，分布第十四上顶组合装置(1100)；再旋转25°，分布第十五上顶组合装置(12-1)；再旋转10°，分布第十六上顶组合装置(12-2)。
6.根据权利要求5所述的激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于：16个上顶组合装置的依次调整顺序为：第十五上顶组合装置(12-1)或第十六上顶组合装置(12-2)、第七上顶组合装置(6-1)或第八上顶组合装置(6-2)、第三上顶组合装置(3-1)或第四上顶组合装置(3-2)、第十一上顶组合装置(9-1)或第十二上顶组合装置(9-2)、第一上顶组合装置(100)、第九上顶组合装置(700)、第六上顶组合装置(500)、第十四上顶组合装置(1100)、第二上顶组合装置(200)、第十上顶组合装置(800)、第五上顶组合装置(400)、第十三上顶组合装置(1000)。
7.根据权利要求1所述的激光焊接管束式喷管的接头状态调整装置，其特征在于：小托环为4瓣分体结构，各分瓣之间存在间距c，分瓣结构通过两个反向互调节的螺栓连接，通过螺栓调整间距c。
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