CN115008046B - 薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法，属于材料工程领域。针对蒙皮内置加强筋接头焊接出现的变形及“楞脊”压痕缺陷，采用本方法所涉及工装对待焊接头进行夹持固定，使待焊处蒙皮内外侧均受压应力作用，有效避免了过大预紧力造成的修配翘曲，同时精确控制焊接反变形量、夹紧力以及过盈量等夹紧状态，优化焊接过程中由于蒙皮受热软化屈服强度下降而引起的压痕缺陷及焊接变形翘曲，此外，通过采用循环水冷装置优化接头处的焊接温度场分布，提高接头处温度梯度，使接头处热量快速散失，进一步降低由于长时间停留在高温时段产生的焊接变形。
Description
技术领域
本发明涉及薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法，属于材料工程领域。
背景技术
为了满足新一代战机灵活机动、高强轻便的要求，战机的部分气动蒙皮类构件采用了内置加强筋的结构形式，在降低构件重量的同时还可以满足构件的强度需求。传统的内置加强筋与蒙皮的连接方法采用壁板穿透焊或铆接工艺。然而，壁板穿透焊工艺需要从蒙皮外侧施焊，完全熔透壁板后熔池底部与加强筋相连，完成焊接后打磨蒙皮外侧焊道余高，最后得到所需的内置加强筋接头，从工艺过程可以看出，壁板穿透焊接破坏了原有壁板的完整性，降低了蒙皮的整体性，为安全使用造成隐患的同时降低了飞机的隐身性能；铆接制造时，需要钻制的铆钉孔也会破坏了蒙皮的整体性，连接部位的弯边以及安装的铆钉还增加了机身的重量。针对内置加强筋焊接现有的制造工艺不能满足接头部位蒙皮整体性需求，国内外一些科研院所提出了内置加强筋与蒙皮的接头采用双侧镜像激光焊接方法，在蒙皮内侧待焊接头角接处进行填丝焊接，在不完全穿透蒙皮的情况下，保证皮外侧完整性的同时完成内置加强筋的制造，提升了内置加强筋结构对战机的适用度。
内置加强筋双侧镜像激光焊接的工艺过程为首先将外蒙皮固定到全型面的焊接主体工装上，长桁固定在工装卡板上，之后再将固定有长桁的卡板与主工装安装固定，并调节工装卡板上的旋钮在长桁顶部施加压力将长桁向蒙皮一侧压紧至贴合面间隙不大于0.1mm，最后进行焊接。从上述工艺过程可以看出，在贴合面间隙修配时，蒙皮内侧作为长桁底部支持面，受到长桁底部端面向下的压力，且钣金件的长桁底部端面窄而长，接触贴合面处将受到较大的压强，同时外蒙皮钣金件自身刚性较差，所以在长桁下压时，接触面处蒙皮内侧受压外侧受拉，出现向蒙皮内侧的上翘曲变形，而后又受到焊接热循环，接触面底部蒙皮的局部材料受热软化，材料在单侧压应力作用下向垂直于长桁两侧流动，焊接完成后，接头两侧出现翘曲，而蒙皮外侧出现“楞脊”的压痕突起现象，直接装机使用会影响战机的隐身性能。因此，也制约的内置加强筋双侧镜像激光焊接工艺在更多构件上的推广使用。
发明内容
针对薄壁钣金内置加强筋双侧镜像激光焊接接头蒙皮两侧出现翘曲及外侧出现的“楞脊”压痕制约战机隐身性能进一步提升的问题，而提出一种薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法。焊前利用仿真技术分别计算各待焊焊道的焊后应力场，确定出翘曲变形量，之后按照计算所得的翘曲变形量数字化调节蒙皮固定工装上设置的顶夹装置顶出位移，配合蒙皮内侧的蒙皮压板，使夹紧状态下蒙皮两侧材料受重力下垂，整体形拱状弧形面，则在焊接过程中起到反变形作用，补偿焊接变形，同时，通过调节内置加强筋接头蒙皮与长桁贴合面的预紧力控制预紧压强在不大于材料屈服强度时，将分别已经安装到蒙皮型面工装与长桁卡板的蒙皮与长桁采用由蒙皮外侧与长桁顶部同时加压夹紧，且形成蒙皮内侧与长桁底部之间的理论重叠尺寸不大于标准要求表面状态尺寸的过盈配合，此时，内置加强筋接头蒙皮处内外表面均受小于屈服强度的对称等大压应力，避免了焊前修配时，过大的预紧力引起的夹紧贴合处蒙皮内外侧表面上应力状态不一致，造成蒙皮弹性变形引起的修配翘曲，以及高温蒙皮材料屈服强度下降，过大的预紧力引起夹紧贴合处蒙皮材料沿垂直于长桁向两侧流动造成的非弹性变形引起的压痕与焊接翘曲，最后，顶夹装置为中空可通冷却水的阶梯外形铜制构件，在焊接时与内置加强筋接头蒙皮外侧贴合，循环冷却水提高了铜制构件的整体热导率，增加了贴合处的温度梯度，从而加快了焊道热量的散失，改善由于焊后高温时间长而导致的焊接变形。
本发明的技术方案：
薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法，根据所需焊接的内置加强筋接头，利用仿真技术确定出各待焊焊道焊后的变形量，之后将待焊蒙皮与长桁装到各自固定夹持工装上使两者沿贴合面夹紧固定，通过数字化调节蒙皮固定工装上内置加强筋接头蒙皮外侧的阶梯形铜制顶夹装置顶出位移，配合蒙皮内侧的蒙皮压板，控制远离接头处的蒙皮受重力下垂量，形成拱形反变形实现对焊接变形的补偿，同时，控制接头夹紧时长桁与蒙皮之间预紧力防止过大的预紧力造的接头修配翘曲，控制长桁与蒙皮之间的夹紧过盈配合尺寸，防止由于高温蒙皮材料屈服强度下降，过大的预紧力引起夹紧贴合处蒙皮材料沿垂直于长桁向两侧流动造成的非弹性变形引起的压痕与焊接翘曲，在焊接过程中在阶梯形顶夹装置中通入循环水，提高顶夹构件的整体热导率，增加了贴合处的温度梯度，从而加快了焊道热量的散失，改善由于焊后高温时间长而导致的焊接变形，具体如下：
所述的各待焊内置加强筋接头焊后的变形量是依据各焊道焊前的蒙皮整体应力分布及变形状态通过仿真技术对焊道完成焊接并冷却后的应力场进行仿真，计算出待焊焊道完成焊接后的由于热循环导致的蒙皮变形状态，从而分别确定出接头两侧的焊后变形角度θ1与θ2；
所述的蒙皮固定工装为半自由固定工装，用于限制蒙皮沿待焊长桁长度方向自由度与所有的旋转自由度，由工装支座、蒙皮零件的随型面、所需个数的中空可通冷却水的铜制构件顶夹装置以及与顶夹装置配套使用的蒙皮压板构成；
所述工装支座与蒙皮零件的随型面通过焊接或螺钉连接构成，且在随型面大于零件要求尺寸的区域设有定位销、长桁卡板定位座以及蒙皮压板定位螺栓，定位销用来安装固定蒙皮毛料，限制蒙皮安装时所需限制的自由度，长桁卡板定位座用于修配时放置装有长桁的夹持卡板，保证长桁与蒙皮以及各长桁之间的空间相对位置，梦皮压板定位螺栓用于安装蒙皮压板固定蒙皮压板与蒙皮内表面的相对位置，此外，在长桁所对应的型面处开有长圆孔，用以后续装配顶夹装置；
所述的蒙皮下压板为两块长方形铜板，两端头钻制有通孔，用以与蒙皮零件的随型面上的蒙皮压板定位销相连；
所述的中空可通冷却水的铜制构件顶夹装置主要由阶梯形中空铜制顶块、传动电机、传动丝杠、丝杠螺纹套筒、控制箱、高度传感器、两个圆柱滑轨、两个传动套筒及其他辅助部件组成，其在工装上的数量N，等于待焊产品的内置加强筋数量，其位置也由内置加强筋的理论位置决定；
所述的铜制顶块为两层阶梯外形，其中下层为长方形壳体，下层为长方形壳体，起到支座的作用便于与底部运动机构配合，上层为长圆形壳体，为长圆形壳体为上顶夹持时的有效作用区，底部还有一块与长方形壳体外廓尺寸相当的长方形底板，长方形底板的两端钻制有螺纹孔，并连接有两根胶皮软管用于循环水的流进与流出，长圆形壳体的顶部上表面长度相比于待焊筋条的长度增加不小于20mm，顶部上表面宽度相较于待焊筋条宽度增加2～4mm，两端设计为圆弧是为了避免上顶时机构产生卡死现象，窄而长的上表面对夹持处的作用面积较小压强较大，易形成与长桁下压对蒙皮等大反向的压强，同时，可以避免由于顶夹装置与蒙皮接触面积较大，而在长桁下压时产生的内侧蒙皮压应力和外侧蒙皮拉应力的状态，造成的修配翘曲；
所述的两个传动套筒以及丝杠螺纹套筒连接在铜制顶块底部下表面，可以随顶块同步运动；
所述的丝杠一端与丝杠螺纹套筒连接另一端通过连轴器与电机相连，而两个圆柱滑轨顶部插入到传动套筒中，另一端固定在主体工装底部支撑梁上，此外，电机也安装在主体工装底部横梁上表面，高度传感器安置在主体工装的长圆通孔两侧，控制箱通过数据线与电机和高度传感器相连，精确控制顶夹装置的顶出位移，与蒙皮下压板配合使用，调节蒙皮下压板与长桁之间的距离L1与L2，补偿焊后长桁两侧分别为θ1与θ2的焊接变形角度，其两者之间的空间位置关系应满足式(1)，
[tanθ2(2L2-δ)-δ]/2＝H＝[tanθ1(2L1-δ)-δ]/2 (1)
式中：H为顶出位移；L1与L2为蒙皮压板与距长桁侧面的距离，δ为料厚；
长桁夹持卡板主要由夹紧机构、高度调节旋钮组成，其中夹紧机构用于夹紧长桁，避免在后续间隙修配时长桁从卡板上窜动滑落，高度调节旋钮为带有刻度的可伸出与回收无级可调的螺杆螺孔装置，它的作用是间隙修配时螺杆向下伸出，给长桁提供向下运动的作用力，使长桁端面与蒙皮内侧贴合，并通过刻度来控制两者完成贴合时，两者的过盈尺寸，此外，卡板两端头设有带有销钉的卡板定位装置，用以保证长桁与蒙皮修配时保证长桁与蒙皮的空间位置关系，为了避免长桁对蒙皮的下压力F过大，造成的修配翘曲，需要在调节高度旋钮螺栓时采用扭力扳精准控制扭力T，两者之间关系如式(2)示，此外，为了避免焊接时，蒙皮受热屈服强度下降，而长桁下压力过大引起的压痕缺陷同时，还要保证长桁与蒙皮之间紧密贴合，控制长桁与蒙皮贴合夹紧时，长桁底部相对于理论贴合面的下移量不应大于内置加强筋接头完成焊接后，蒙皮外侧设计文件需要的贴胎度值c，具体如式(3)所示，
T<kD×ab×σb (2)
式中：T为扭力，k为扭力系数(0.13～0.21)，D为螺纹的公称直径，a为长桁底部长度，b为长桁底部宽度，σb为蒙皮材料的屈服强度，
0.1<h<c (3)，
式中：h为长桁与蒙皮贴合成过盈配合时的过盈量，c为蒙皮外侧设计文件需要的贴胎度。
本发明具有以下优点：
针对蒙皮内置加强筋接头焊接出现的变形及“楞脊”压痕缺陷，采用本方法所涉及工装对待焊接头进行夹持固定，使待焊处蒙皮内外侧均受压应力作用，有效避免了过大预紧力造成的修配翘曲，同时精确控制焊接反变形量、夹紧力以及过盈量等夹紧状态，优化焊接过程中由于蒙皮受热软化屈服强度下降而引起的压痕缺陷及焊接变形翘曲，此外，通过采用循环水冷装置优化接头处的焊接温度场分布，提高接头处温度梯度，使接头处热量快速散失，进一步降低由于长时间停留在高温时段产生的焊接变形。
附图说明
图1为内置加强筋接头焊接工装整体结构示意图；
图2为长桁夹持板示意图；
图3为工装支座与零件随型面示意图；
图4为中空可通冷却水的铜制构件上顶装置；
图5为阶梯形铜制顶块。
图中：1长桁卡板；2蒙皮半自由固定的主工装；3蒙皮下压板；4夹持板卡槽；5位置调节旋钮；6夹紧螺栓；7长桁卡板固定孔；8工装支座；9零件随型面；10蒙皮定位销；11蒙皮压板；12长桁卡板定位座；13长圆孔；14中空铜制阶梯顶块；15循环水进出管；16传动套筒；17丝杠螺纹套筒；18圆柱滑轨；19丝杠；20连轴器；21电机；22工装支撑梁；23控制箱；24铜制顶块上层长圆形壳体；25铜制顶块下层长方形壳体；26铜制顶块底板；27高度传感器。
具体实施方式
薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法的实施有工装设计与操作使用两部分，本实施例通过一个内置加强筋蒙皮接头的焊接作说明具体如下：
工装：结合图1～图5说明工装的实施方式，T型接头镜像激光焊接的焊接工装主要由长桁卡板1、蒙皮半自由固定的主工装2以及蒙皮下压板3三部分组成，具体各部分由夹持板卡槽4、位置调节旋钮5、夹紧螺栓6、长桁卡板固定孔7、工装支座8、零件随型面9、蒙皮定位销10、蒙皮压板定位螺栓11、长桁卡板定位座12、长圆孔13、中空铜制阶梯顶块14、循环水进出管15、传动套筒16、丝杠螺纹套筒17、圆柱滑轨18、丝杠19、连轴器20、电机21、工装支撑梁22、控制箱23、铜制顶块上层长圆形壳体24、铜制顶块下层长方形壳体25、铜制顶块底板26，高度传感器27，蒙皮下压板3通过蒙皮压板定位螺栓与零件随型面固定，铜制顶块14分为两层阶梯外形，其中上层为长圆形壳体24，下层为长方形壳体25，底部还有一块与长方形壳体外廓尺寸相当的长方形底板26，长方形底板的两端钻制有螺纹孔连接有两根胶皮软管15，长圆形壳体的顶部上表面长度相比于待焊筋条的长度增加不小于20mm，顶部上表面宽度相较于待焊筋条宽度增加2～4mm，两个传动套筒16以及丝杠螺纹套筒17连接在铜制顶块底板25下表面，丝杠19一端与丝杠螺纹套筒17连接另一端通过连轴器20与电机21相连，两个圆柱滑轨18顶部插入到传动套筒16中，另一端固定在主体工装底部支撑梁22上表面，电机20也安装在主体工装底部横梁22上表面，高度传感器27安装在铜顶块上方形壳体24上表面，电机20与高度传感器通过数据线与控制箱连接；
方法：薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制是通过以下步骤实现的：
步骤一：采用仿真技术对用拟定焊接参数计算接头完成焊接后的长桁两侧蒙皮变形角度θ1与θ2，并计算扭力T与顶夹装置顶出量H；
步骤二：将蒙皮以蒙皮定位孔为基准安装到蒙皮定位销10上，并将蒙皮压板3以蒙皮压板定位螺栓11为基准置于蒙皮上方，将顶夹装置顶出量H输入到控制箱23中，并启动电机21带动丝杆19在传动套筒16与圆柱滑轨的引导下通过丝杠螺纹筒带动阶梯顶块14向上称动到所需顶出量H，固定蒙皮压板11；
步骤三：将长桁安装到长桁卡板1上，调节夹紧螺栓6预夹紧长桁，之后长桁卡板1以长桁卡板固定孔7为基准安装到长桁卡板定位座12上，通过螺栓夹紧，用扭力板调节高度旋钮，使长桁向蒙皮侧下降，并同时观察扭力板的扭力值以及高度旋钮上的刻度，只要有扭力值T或者过盈量h满足公式(2)或者(3)停止调节高度旋钮；
步骤四：焊接：开启循环水装置，并焊接设备完成焊接。
Claims (2)
1.薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：采用仿真技术对用拟定焊接参数计算接头完成焊接后的长桁两侧蒙皮变形角度θ1与θ2，并计算扭力T与顶夹装置顶出量H；
步骤二：将蒙皮以蒙皮定位孔为基准安装到蒙皮定位销(10)上，并将蒙皮下压板(3)以蒙皮压板(11)的定位螺栓为基准置于蒙皮上方，将顶夹装置顶出量H输入到控制箱(23)中，并启动电机(21)带动丝杠(19)在传动套筒(16)与圆柱滑轨的引导下通过丝杠螺纹筒带动中空铜制阶梯顶块(14)向上称动到所需顶出量H，固定蒙皮压板(11)；
步骤三：将长桁安装到长桁卡板(1)上，调节夹紧螺栓(6)预夹紧长桁，之后长桁卡板(1)以长桁卡板固定孔(7)为基准安装到长桁卡板定位座(12)上，通过螺栓夹紧，用扭力板调节高度旋钮，使长桁向蒙皮侧下降，并同时观察扭力板的扭力值以及高度旋钮上的刻度，只要有扭力值T或者过盈量h满足公式(2)或者(3)停止调节高度旋钮；
T<kD×ab×σb(2)
式中：T为扭力，k为扭力系数(0.13～0.21)，D为螺纹的公称直径，a为长桁底部长度，b为长桁底部宽度，σb为蒙皮材料的屈服强度，
0.1<h<c (3)；
式中：h为长桁与蒙皮贴合成过盈配合时的过盈量，c为蒙皮外侧设计文件需要的贴胎度；
步骤四：焊接：开启循环水装置，并焊接设备完成焊接。
2.如权利要求1所述的薄壁蒙皮内置加强筋镜像激光焊接变形抑制方法采用的工装，其特征在于，包括长桁卡板(1)、蒙皮半自由固定的主工装(2)以及蒙皮下压板(3)；
所述的蒙皮下压板(3)通过蒙皮压板定位螺栓与零件随型面固定，铜制顶块(14)分为两层阶梯外形，其中上层为长圆形壳体(24)，下层为长方形壳体(25)，底部还有一块与长方形壳体外廓尺寸相当的长方形底板(26)，长方形底板的两端钻制有螺纹孔连接有两根胶皮软管(15)，长圆形壳体的顶部上表面长度相比于待焊筋条的长度增加不小于20mm，顶部上表面宽度相较于待焊筋条宽度增加2～4mm，两个传动套筒(16)以及丝杠螺纹套筒(17)连接在铜制顶块下层长方形壳体(25)下表面，丝杠(19)一端与丝杠螺纹套筒(17)连接另一端通过连轴器(20)与电机(21)相连，两个圆柱滑轨(18)顶部插入到传动套筒(16)中，另一端固定在工装支撑梁(22)上表面，电机(21)也安装在工装支撑梁(22)上表面，高度传感器(27)安装在铜制顶块上层长圆形壳体(24)上表面，电机(21)与高度传感器通过数据线与控制箱连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN105921895A (zh) * | 2016-05-31 | 2016-09-07 | 哈尔滨工业大学 | 一种减小t型结构件焊接挠曲变形的预拉伸装置及方法 |
| CN111940978A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-11-17 | 沈阳飞机工业（集团）有限公司 | 抑制薄壁曲面铝合金γ型零件焊接变形的工装及方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US11286005B2 (en) * | 2019-09-03 | 2022-03-29 | Honda Motor Co., Ltd. | Hood frame reinforcement for deflection mitigation |
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2022
- 2022-06-22 CN CN202210712191.9A patent/CN115008046B/zh active Active
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| 航空不锈钢蒙皮零件焊接变形控制及缺陷检测;柳日锋;;航空制造技术(第13期);119-123 * |
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