CN115647723A - 一种波纹管组件环缝焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种波纹管组件环缝焊接装置及其焊接方法，包括、旋转变位装置、焊枪支架、滑动平台、锁紧块及顶尖。旋转变位装置夹持工件旋转及变位。焊枪支架横杆与立杆设有齿轮齿条结构，保证焊枪X‑Y双向位置可调。根据波纹管长度调整滑动平台位置，由锁紧块定位滑动平台。滑动平台定位后，波纹管与法兰的装配预紧力由顶尖微调。根据波纹管接口及壁厚，设计相应的焊接接头结构及焊接参数。结合焊接接头结构、焊接参数及环缝焊接装置，可实现不同接口形式的波纹管组件焊接。本发明的有益效果为：波纹管环缝焊接装置除可进行旋转运动及夹持工件外，还具备变位功能。针对不同的波纹管接口及相应的参数，结合环缝焊接装置实现不同接口形式的波纹管组件的焊接。

Description

一种波纹管组件环缝焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及波纹管环缝焊接技术领域，具体的说一种波纹管组件环缝焊接装置及其焊接方法。

背景技术

航天及核级精密金属波纹管组件出厂前，需要完成波纹管与法兰的环缝焊接。一般耐压等级高的波纹管是由薄壁多层管坯成形制造。限于制造工艺的限制，波纹管端部车口后，层间存有微小间隙。如果焊接方法不当，波纹管在焊接过程会出现分层，引起焊接缺陷。而航天及核级波纹管组件对焊缝质量要求严格，每道焊缝出厂前必须经过射线无损检测。而目前针对航天及核级波纹管组件产品暂无公开环焊缝焊接方法。

另外根据使用场合不同，波纹管端部接口形式分为直壁、扩口及扁波结构。不同结构焊接时焊枪和工件的位置是不同的。常规环缝焊接装置往往无法覆盖全部波纹管接口形式。如专利号为：ZL201920035872.X，专利名称为“波纹管外缘焊接机”公开的焊接装置不具备变位能力，无法实现直壁及扩口接口产品的焊接。同时没有公开具体的焊接方法。专利申请号为：202011484184.5，专利名称为“一种波纹管外圈焊接设备及其使用方法”公开的焊接装置也不具备变位能力，同时驱动装置采用伺服电机，焊接装置成本高，控制系统复杂，设备维修难度高。公开的使用方法着重强调外圈焊接设备的使用，并未提出产品焊接的通用方法。专利号为：ZL202122278902.X,专利名称为“一种波纹管法兰自动焊接机”公开的焊机只适合波纹管接口为直壁及扩口结构，同时未公开相应的焊接方法。

基于以上背景，本发明提出了一种波纹管组件环缝焊接装置及其焊接方法，重点解决应用现有技术，无法实现单一焊接装置焊接各种波纹管接口形式的需求。为了满足航天及核级波纹管组件的焊缝质量，结合环缝焊接装置的基础上公开了一种多层薄壁波纹管组件焊接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波纹管组件环缝焊接装置及其焊接方法，运用该焊接装置能够实现不同波纹管端部接口的环焊缝焊接。为了保证航天及核级波纹管的焊接质量，公开了应用该焊接装置焊接波纹管环焊缝的焊接方法。

本发明目的是通过如下技术方案来实现的：一种波纹管组件环缝焊接装置，它包括有工作台，带有焊枪支架的滑动平台，其特征在于：在工作台上的一侧设置有旋转变位装置，在工作台上的另一侧还设置有用于支撑滑动平台的光轴直线导轨机构；所述旋转变位装置包括：箱体及左右两侧对应设置的支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ，该支撑板Ⅰ、Ⅱ下端固连在工作台上，其上部依次通过连接轴、轴承与悬置在工作台上方的箱体侧壁活连接；以连接轴轴心为圆心在支撑板Ⅰ或支撑板Ⅱ上平面上还设有圆弧沟槽，与该连接轴轴心同一水平线的支撑板上的圆弧沟槽内所对应的箱体侧板上还设置有一箱体侧板螺纹孔，在该箱体侧板螺纹孔内还连接有一锁紧螺杆；在箱体内侧依次设置有电机、减速机、齿轮机构、传动轴、轴承组件，该传动轴另一端伸出箱体外侧并与卡盘法兰及卡盘相连接；所述光轴直线导轨机构包括设置在工作台上的光轴，该光轴端部的光轴支座以及载有滑动平台的滑块所组成，沿滑动平台运行轨迹的工作台上还固定设置有滑动平台锁紧块；在滑动平台上还装有与卡盘对应设置的顶尖。

本发明包括：在支撑板Ⅰ或支撑板Ⅱ上还设置有封闭连接轴的盖板，该盖板与轴承的接触面为凹槽结构。

进一步的，本发明所述的圆弧沟槽为1/4圆弧条形孔。

进一步的，本发明所述锁紧螺杆是穿过支撑板上的圆弧沟槽与箱体侧板上的箱体侧板螺纹孔进行螺纹连接的。

进一步的，本发明所述传动轴与卡盘法兰连接端部设有螺纹盲孔，并与卡盘法兰连接处设有止口。

进一步的，本发明所述连接轴及传动轴均为设有台肩的阶梯轴。

进一步的，本发明所述焊枪支架由立杆和横杆组成，横杆和立杆均设有齿轮齿条机构。

进一步的，本发明所述滑动平台与光轴直线导轨机构的滑块进行螺钉连接，滑动平台与锁紧块对应端面设有侧板；锁紧块侧板上设有螺纹孔，螺钉穿过锁紧块上的螺纹孔与滑动平台侧板接触并限位位。

本发明所述的旋转变位装置，其转速范围为0~15转/分钟。

为了保证航天及核级波纹管焊接质量，配合波纹管环缝焊接装置本发明公开了一种波纹管组件环缝焊接装置的焊接方法，具体包括以下步骤：

（1）取液压成形后的待焊接波纹管运用车床车口，车口后波纹管接口形式为扁波结构、扩口结构或直壁结构；

（2）当波纹管接口形式为扁波时，运用车床车削法兰焊接面；法兰焊接坡口外径与波纹管扁波接口外径值不应相差1mm以上；优选的，法兰焊接坡口外径大于波纹管扁波接口外径0.3~0.5mm；

进一步的，法兰焊接坡口端面厚度应为待焊接波纹管壁厚的1~1.2倍，焊接端面为锐边，焊接坡口采用60度V形坡口，坡口深度为待焊接波纹管壁厚的1~1.5倍；

（3）运用浸沾酒精的清洁布擦拭待焊接波纹管及法兰焊接部位；

（4）释放锁紧螺杆，调整旋转变位装置传动轴处于水平状态，然后对锁紧螺杆锁紧，运用卡盘夹持法兰；

（5）运用黄铜制作的焊接夹具夹持波纹管端波，焊接夹具为分半结构，焊接夹具端面厚度为波纹管波谷宽度的1~1.1倍；焊接夹具与波纹管波谷接触处内径不小于成形模具内径，具体地说焊接夹具与波纹管波谷接触处内径大于成形模具内径0.2~0.5mm；

（6）焊接夹具与待焊接波纹管波峰接触处内径应大于波纹管外径，具体地说焊接夹具与波纹管波峰接触处内径大于波纹管外径上公差为0.2mm~0.5mm；

（7）夹具端面外径小于波纹管扁波接口外径，具体地说夹具端面外径加二倍波纹管环缝熔深后与波纹管扁波接口外径数值相差范围为0.5mm~1.5mm；

（8）减小锁紧块螺钉锁紧力矩，根据波纹管长度粗调滑动平台位置后增加螺钉锁紧力矩固定滑动平台；

（9）调整好法兰、波纹管及顶尖的同轴度后，运用顶尖完成波纹管组件终紧，以目视波纹管端口管坯不分层确定锁紧力矩；

（10）调整焊枪支架保证焊枪与焊道处于合适的焊接位置，钨针与焊道距离为1-2mm；

（11）启动直流电机及氩弧焊接电源，根据熔池变化调整直流电机控制器微调焊接转速，焊接转速调整最大范围不应超过设定转速的20%；

（12）波纹管接口形式为扩口及直壁结构时，为避免焊接过程波纹管管坯分层，当焊接内法兰或外法兰时，制作相应的外环或内环与法兰配合组焊；

进一步的，制造的法兰外环与内环厚度等于波纹管壁厚，法兰外环与内环和波纹管扩口或直壁的间隙值为10%~30%的套管间隙；

（13）释放锁紧螺杆，调整旋转变位装置旋转90度，然后对锁紧螺杆锁紧，运用卡盘夹持波纹管；

（14）执行步骤（10）及步骤（11）完成波纹管环焊缝焊接，而实现本发明目的。

本发明有益之处在于：设计的波纹管环缝焊接装置不但能够完成波纹管扁波接口环焊缝焊接，通过调整旋转变位装置的角度同时可实现波纹管扩口及直壁接口环焊缝焊接。增设齿轮机构，缩小了直流控制器调节转速的范围，改善了直流电机控制器的控制精度。与采用伺服电机驱动卡盘焊接装置对比，直流电机及其控制器价格与伺服电机及其控制器对比价格相差悬殊，设计的焊接装置成本低。伺服电机及控制器结构复杂，当焊接装置出现故障时，设备维护对人员技术水平要求高，设备维护周期长、维护成本高。而且航天及核级波纹管使用工况为高温、高压环境，波纹管为薄壁多层结构，焊接难度高。为避免波纹管焊接过程分层，保证产品焊接质量，公开了波纹管扁波、扩口及直壁接口形式的焊接方法。应用上述环缝焊接装置配合相应的焊接方法能够保证产品质量的前提下，实现各种接口形式的波纹管环焊缝焊接。

附图说明：

图1是本发明的波纹管组件环缝焊接装置示意简图；

图2是图1中的旋转变位装置示意简图；

图3是图2的A向放大局剖示意简图；

图4是本发明的波纹管扁波结构焊接示意简图；

图5是图4中的B向放大示意简图；

图6是本发明的波纹管直壁或扩口结构内法兰焊接示意图；

图7是本发明的波纹管直壁或扩口结构外法兰焊接示意图。

附图中主要部件说明：工作台1；旋转变位装置2；焊枪支架3；滑动平台4；锁紧块5；顶尖6；支撑板Ⅰ7；锁紧螺杆8；盖板9；连接轴10；轴承11；传动轴12；卡盘13；卡盘法兰14；箱体15；支撑板Ⅱ16；直流电机17；减速机18；电机座19；齿轮机构20；圆弧条形孔21；焊接夹具22；波纹管23；外环24；滑块25；光轴26；光轴支座27；箱体侧板螺纹孔28；法兰Ⅰ29；法兰Ⅱ30；直壁法兰Ⅰ31；直壁法兰Ⅱ32；内环33。

本附图仅仅是本发明的一个实施案例的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可根据这一组附图获得其他的附图；下面结合附图对本发明具体实施方式作详细说明，以下说明仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。

具体实施方式

实施例

如图1-6所示，图中的1为工作台、2为旋转变位装置、3为焊枪支架、4为滑动平台、5为锁紧块、6为顶尖。工作台1设有光轴直线导轨机构，旋转变位装置2及锁紧块5与工作台1运用螺栓连接。光轴直线导轨机构由光轴26、光轴支座27及滑块25组成。旋转变位装置2由支撑板Ⅰ7、锁紧螺杆8、盖板9、连接轴10、轴承11、传动轴12、卡盘13、卡盘法兰14、箱体15、支撑板Ⅱ16、直流电机17、减速机18、电机座19、齿轮机构20、圆弧条形孔21等组成。根据焊接转速要求，初步设计直流电机17转速及减速机18的减速比。运用齿轮机构20精确设计环缝焊机最大转速范围。传动轴12两端设有轴承套，传动轴12设有台肩限制轴承套向中心滑动，箱体15两端设有盖板9限制轴承11向两侧滑动。为避免盖板9与轴承11内圈摩察，盖板9中心设有凹槽。传动轴12与卡盘法兰14连接处设有止口，传动轴12端部设有螺纹盲孔，卡盘法兰14与传动轴12运用螺钉锁紧，卡盘13与卡盘法兰14由螺钉连接。箱体15与支撑板Ⅰ7及支撑板Ⅱ16通过连接轴10连接。支撑板Ⅰ7与支撑板Ⅱ16设有通孔，通孔内置轴承11，运用连接轴10台肩与盖板9对轴承限位；连接轴10与箱体15运用螺钉连接；以支撑板Ⅰ7通孔为中心在支撑板Ⅰ7面板上设有1/4圆弧条形孔21。箱体15侧板与支撑板Ⅰ7对应平面上设有螺纹通孔。箱体侧板螺纹孔28与支撑板Ⅰ7通孔处于同一水平线。锁紧螺杆8穿过支撑板Ⅰ7面板上圆弧条形孔21与箱体侧板螺纹孔28连接。锁紧螺杆8设有台肩，当对锁紧螺杆8锁紧时锁紧螺杆8台肩与支撑板Ⅰ7产生摩察力可以固定旋转变位装置2。当旋转变位装置2需要变位时，减小锁紧螺杆8的锁紧力矩即可。焊枪支架3设有立杆和横杆，横杆与立杆设有齿轮齿条机构，横杆设有焊枪夹持架，运用齿轮齿条机构可实现焊枪在X-Y两个方向任意移动。滑动平台4与锁紧块5对应端面设有侧板，侧板通过螺钉与滑动平台4连接，锁紧块5设有螺纹通孔，螺钉穿过螺纹孔与滑动平台4端面侧板间隙接触。当滑动平台4带动顶尖6对工件进行粗定位，需要固定滑动平台4时，可以增加锁紧块5螺钉旋转力矩锁紧滑动平台4。滑动平台4与顶尖6采用螺栓固定，顶尖6具备伸缩与锁紧功能。当待焊接波纹管23与法兰Ⅱ30组对完成后，运用顶尖6对波纹管23与法兰Ⅱ30进行最终定位。

当待焊接波纹管23为扁波接口结构时，首先需对待焊接波纹管23进行端部车口，波纹管23端部车口直径小于法兰焊接坡口外径0.5mm；法兰Ⅱ30焊接坡口为60度V型坡口，坡口深度为波纹管23壁厚的1.2倍；法兰焊接端面厚度为波纹管23壁厚，焊接端面为锐边；运用浸沾酒精的清洁布擦拭法兰Ⅱ30及波纹管23的焊接表面；减小锁紧螺杆8的锁紧力矩，调整旋转变位装置2，使得转动轴12与顶尖6保持水平。增加锁紧螺杆8的锁紧力矩，固定旋转变位装置2,然后对锁紧螺杆8锁紧，使用卡盘13固定法兰Ⅰ29；制作焊接夹具22，焊接夹具22采用黄铜制作，焊接夹具22整体加工后进行线切割分半，焊接夹具22与波纹管23波谷接触处的端面厚度为波谷宽度，焊接夹具22与波纹管23波谷接触的内径大于成形模具内径0.5mm，焊接夹具22与波纹管23波峰接触处的内径大于波纹管23外径0.3mm，焊接夹具22端面外径加2倍波纹管壁厚加0.5mm等于波纹管23扁波接口外径，将焊接夹具22安装在波纹管23端波波谷处；减小锁紧块5螺钉的锁紧力矩，释放滑动平台4，根据波纹管23的长度粗调顶尖6的位置；增加锁紧块5螺钉的锁紧力矩，固定滑动平台4；运用顶尖6精调波纹管23与法兰Ⅱ30的接触间隙及同轴度。要保证波纹管23焊接端口不发生肉眼可见的分层现象。通过焊枪支架3调整焊枪与焊道的间隙值为1~1.2mm，按波纹管组件焊接参数表要求设置焊接参数，当波纹管23壁厚为0.5mm时，选取焊接电流为26A，焊接速度为35cpm,氩气流量为15L/min。启动焊接装置直流电机17及氩弧焊接电源对波纹管23进行环缝焊接。

当波纹管23为直壁接口结构时，减小锁紧螺杆8的锁紧力矩，调整旋转变位装置2，使得传动轴12中心线与水平线垂直。当直壁法兰Ⅰ31与波纹管23为内配合结构时，制作与波纹管23壁厚相同的外环24装配在波纹管23直壁外侧。如图7所示，当直壁法兰Ⅱ32与波纹管23为外配合结构时，制作与波纹管23壁厚相同的内环33装配在波纹管23直壁内侧。参考波纹管扁波接口形式，调整焊枪与焊道距离、焊接参数等焊接工艺方法，再对波纹管直壁接口环焊缝焊接。波纹管扩口接口结构环焊缝焊接方法与直壁接口方案相同，故省略之。

该实施例中的波纹管组件焊接参数表如下所示：

Claims (9)

1.一种波纹管组件环缝焊接装置，它包括有工作台，带有焊枪支架的滑动平台，其特征在于：在工作台上的一侧设置有旋转变位装置，在工作台上的另一侧还设置有用于支撑滑动平台的光轴直线导轨机构；所述旋转变位装置包括：箱体及左右两侧对应设置的支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ，该支撑板Ⅰ、Ⅱ下端固连在工作台上，其上部依次通过连接轴、轴承与悬置在工作台上方的箱体侧壁活连接；以连接轴轴心为圆心在支撑板Ⅰ或支撑板Ⅱ上平面上还设有圆弧沟槽，与该连接轴轴心同一水平线的支撑板上的圆弧沟槽内所对应的箱体侧板上还设置有一箱体侧板螺纹孔，在该箱体侧板螺纹孔内还连接有一锁紧螺杆；在箱体内侧依次设置有电机、减速机、齿轮机构、传动轴、轴承组件，该传动轴另一端伸出箱体外侧并与卡盘法兰及卡盘相连接；所述光轴直线导轨机构包括设置在工作台上的光轴，该光轴端部的光轴支座以及载有滑动平台的滑块所组成，沿滑动平台运行轨迹的工作台上还固定设置有滑动平台锁紧块；在滑动平台上还装有与卡盘对应设置的顶尖。

2.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：在支撑板Ⅰ或支撑板Ⅱ上还设置有封闭连接轴的盖板，该盖板与轴承的接触面为凹槽结构。

3.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：所述的圆弧沟槽为1/4圆弧条形孔。

4.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：所述锁紧螺杆是穿过支撑板上的圆弧沟槽与箱体侧板上的箱体侧板螺纹孔进行螺纹连接的。

5.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：所述传动轴与卡盘法兰连接端部设有螺纹盲孔，并与卡盘法兰连接处设有止口。

6.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：所述连接轴及传动轴均为设有台肩的阶梯轴。

7.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：所述焊枪支架由立杆和横杆组成，横杆和立杆均设有齿轮齿条机构。

8.根据权利要求1所述的波纹管组件环缝焊接装置，其特征在于：所述滑动平台与光轴直线导轨机构的滑块进行螺钉连接，滑动平台与锁紧块对应端面设有侧板；锁紧块侧板上设有螺纹孔，螺钉穿过锁紧块上的螺纹孔与滑动平台侧板接触并限位。

9.根据权利要求1所述一种波纹管组件环缝焊接装置的焊接方法，具体包括以下步骤：

（1）取液压成形后的待焊接波纹管运用车床车口，车口后波纹管接口形式为扁波结构、扩口结构或直壁结构；

（2）当波纹管接口形式为扁波时，运用车床车削法兰焊接面；法兰焊接坡口外径大于波纹管扁波接口的外径为0.3~0.6mm；

进一步的，法兰焊接坡口端面厚度应为待焊接波纹管壁厚的1~1.2倍，焊接端面为锐边，焊接坡口采用60度V形坡口，坡口深度为待焊接波纹管壁厚的1~1.5倍；

（3）运用浸沾酒精的清洁布擦拭待焊接波纹管及法兰焊接部位；

（4）释放锁紧螺杆，调整旋转变位装置传动轴处于水平状态，然后对锁紧螺杆锁紧，运用卡盘夹持法兰；

（5）运用黄铜制作的焊接夹具夹持波纹管端波，该焊接夹具为分半结构，焊接夹具端面厚度为波纹管波谷宽度的1~1.1倍；具体地说焊接夹具与波纹管波谷接触处内径大于成形模具的内径为0.2~0.5mm；所述的焊接夹具与波纹管波峰接触处内径大于波纹管外径上公差为0.2mm~0.5mm；

（6）夹具端面外径小于波纹管扁波接口外径，具体地说夹具端面外径加二倍波纹管环缝熔深后与波纹管扁波接口外径数值相差范围为0.5mm~1.5mm；

（7）减小锁紧块螺钉锁紧力矩，根据波纹管长度粗调滑动平台位置后增加螺钉锁紧力矩固定滑动平台；

（8）调整法兰使波纹管及顶尖的同轴度后，运用顶尖完成波纹管组件终紧，以目视波纹管端口管坯不分层确定锁紧力矩；

（9）调整焊枪支架保证焊枪与焊道处于合适的焊接位置，钨针与焊道距离为1-2mm；

（10）启动直流电机及氩弧焊接电源，根据熔池变化调整直流电机控制器微调焊接转速，焊接转速调整最大范围不应超过设定转速的20%；

（11）波纹管接口形式为扩口及直壁结构时，为避免焊接过程波纹管管坯分层，当焊接内法兰或外法兰时，制作相应的外环或内环与法兰配合组焊；

进一步的，制造的法兰外环与内环厚度等于波纹管壁厚，法兰外环与内环和波纹管扩口或直壁的间隙值为10%~30%的套管间隙；

（12）释放锁紧螺杆，调整旋转变位装置旋转90度，然后对锁紧螺杆锁紧，运用卡盘夹持波纹管；

（13）执行步骤（10）及步骤（11）从而完成波纹管环焊缝焊接，而实现本发明目的。

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