CN115846842A

CN115846842A - 一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备及焊接方法

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Publication number: CN115846842A
Application number: CN202310192992.1A
Authority: CN
Inventors: 徐�明; 付鹏飞; 李立航; 毛智勇; 唐振云; 赵桐; 耿康
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2023-03-03
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2043-03-03
Also published as: CN115846842B

Abstract

本发明涉及电子束焊接技术领域，特别是涉及一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备及焊接方法。真空室的腔体底部沿X方向设置有所述运动平台，靠近所述运动平台两端的所述真空室上分别设置有所述密封门，所述第一电子枪设置在所述真空室的腔体顶部，并通过所述第一运动系统使所述第一电子枪沿Y方向移动，且所述第一电子枪的行程为所述真空室Y方向的上半段。通过仅容纳门形框结构尺寸及装配空间的真空室设计，提高真空室的容腔利用率，有利于成本降低和抽真空效率提升，同时对电子枪的排布进行设计，不仅满足了门形框的焊接，而且提高焊接位置横向设计裕度，有利于真空室刚性与强度设计及焊接长度的扩展。

Description

一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备及焊接方法

技术领域

本发明涉及电子束焊接技术领域，特别是涉及一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备及焊接方法。

背景技术

目前，在航空、航天等领域，由于对于超大型钛合金门形框结构的焊接研制需求，室外动枪真空电子束焊接新方法应运而生。

随着大型飞机结构设计制造逐渐趋于整体化、轻量化，超大型结构的焊接需求日趋增加。其中超大型钛合金门形框结构较为典型，其具有结构尺寸大、焊缝长、焊接厚度大等特点，无法整体制造，按照传统方案需要采用巨型的高压定枪真空电子束焊接设备，电子枪固定在真空室外部的中心位置，开启设备焊接束流，通过真空室内部的平台移动实现焊接轨迹的运动，完成焊缝的焊接。

根据电子枪的位置，在容纳超大型门型框的基础上，通过增加焊接运动所需的空间尺寸来完成设备真空室尺寸设计，包括焊接长度运动空间、多焊接位置横向运动调整空间等。由于真空室尺寸大，配套的真空系统复杂、功率高，成本高、能耗高，抽真空时间长，除了主运动X向平台外，还需要设计Y向平台等，电子枪位置固定，结构拆分与焊接位置设计受真空室尺寸、室内平台运动空间范围限制，不利于结构尺寸扩展和优化。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备及焊接方法，解决现有焊接设备需X、Y双向运动台，真空室尺寸大，抽真空耗能高、效率低的技术问题。

（2）技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，包括：真空室、运动平台、密封门、第一电子枪以及第一运动系统，所述真空室的腔体底部沿X方向设置有所述运动平台，靠近所述运动平台两端的所述真空室上分别设置有所述密封门，所述第一电子枪设置在所述真空室的腔体顶部，并通过所述第一运动系统使所述第一电子枪沿Y方向移动，且所述第一电子枪的行程为所述真空室Y方向的上半段。

进一步地，还包括第二电子枪，所述第二电子枪的位置为所述第一电子枪的位置以所述真空室中心旋转180°得到。

进一步地，还包括第二运动系统使所述第二电子枪沿Y方向移动，且所述第二电子枪的行程为所述真空室Y方向的下半段。

进一步地，所述第一电子枪位于靠近所述真空室一端，且距离为沿所述真空室的长度方向三分之一长度的位置。

进一步地，所述真空室的腔体内空间尺寸为容纳最大门形框的外轮廓尺寸。

第二方面，提供了一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，所述方法包括：

将门形框装配在运动平台上，门形框通过运动平台转运至真空室的腔体内；

通过运动平台X方向移动，使门形框的第一焊接位置与第一电子枪的位置进行对中；

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

开启第一电子枪，第一电子枪通过第一运动系统沿Y的正方向进行焊接；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室；

左右翻转门形框重新装配在运动平台上，门形框通过运动平台转运至真空室的腔体内；

通过运动平台X方向移动，使门形框的第二焊接位置与第一电子枪的位置进行对中；

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

开启第一电子枪，第一电子枪通过第一运动系统沿Y的负方向进行焊接；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室。

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室；

前后翻转门形框重新装配在运动平台上，门形框通过运动平台转运至真空室的腔体内；

通过运动平台X方向移动，使门形框的第二焊接位置与第二电子枪的位置进行对中；

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

开启第二电子枪，第二电子枪通过第二运动系统沿Y的正方向进行焊接；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室。

进一步地，对于焊缝长度超过真空室Y方向长度的一半，且小于真空室Y方向长度的门形框焊接，将门形框焊接位置分别划分为第一焊接位置上段、第一焊接位置下段、第二焊接位置上段、第二焊接位置下段，并通过第一电子枪和第二电子枪分别进行焊接，焊接顺序为第一电子枪焊接第一焊接位置上段，同时第二电子枪焊接第二焊接位置下段，前后翻转门形框，第一电子枪焊接第一焊接位置下段，同时第二电子枪焊接第二焊接位置上段。

进一步地，门形框的第一焊接位置和第二焊接位置采用对接等截面形式焊接，对于厚度60～100mm的焊接接头，在对接单侧50～200mm宽度范围区域内，采用等厚度截面接头，门形框的正面、背面预留的加工余量相等。

进一步地，门形框的第一焊接位置和第二焊接位置的焊接方式分为两次装配焊接，通过电子束先焊接第一焊接位置，再翻转门形框进行焊接第二焊接位置，两次焊接变形分别为△H1、△H2，两次变形方向相反。

（3）有益效果

综上，本发明包括如下优点：

通过仅容纳门形框结构尺寸及装配空间的真空室设计，提高真空室的容腔利用率，有利于成本降低和抽真空效率提升。

对电子枪的排布进行设计，不仅满足了门形框的焊接，而且提高焊接位置横向设计裕度，有利于真空室刚性与强度设计及焊接长度的扩展。

通过两次装配、两处接头正反面焊接及焊接方向相反等工艺方法，有利于焊接应力对称约束、相互抵消。

焊缝采用分段、分次、正反面焊接方法，多段焊接区域分次交叉、正反向焊接，将降低焊接应力变形，提高焊接成形质量及尺寸精度。

采用对称的正反面接头形式设计，既提高了焊接的通用性、互换性，又提高熔透深度、改善焊缝均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是门形框的结构示意图。

图2是传统室外定枪电子束焊接真空室布局示意图。

图3是本发明的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备的真空室布局示意图。

图4是本发明的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备的结构示意图。

图5是本发明的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备的俯视示意图。

图6是本发明的第一焊接位置正向装配焊接的结构示意图。

图7是本发明的第二焊接位置反向翻转装配焊接的结构示意图。

图8是本发明的第一焊接位置焊接的示意图。

图9是本发明的一些实施例中第二焊接位置焊接的示意图。

图10是本发明的另一些实施例中第二焊接位置焊接的示意图。

图11是超长焊缝分段焊接门形框的结构示意图。

图12是本发明的第一焊接位置上段和第二焊接位置下段焊接的示意图。

图13是本发明的第一焊接位置下段和第二焊接位置上段焊接的示意图。

图中：1、门形框；2、真空室；3、运动平台；4、密封门；5、第一电子枪；6、第一运动系统；7、第二电子枪；8、第二运动系统；9、固定式电子枪；10、第一焊接位置；11、第二焊接位置；101、第一焊接位置上段；102、第一焊接位置下段；110、第二焊接位置上段；111、第二焊接位置下段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1，以航空领域典型的超大型钛合金门形框1结构为例，外形尺寸长度L0为7～8m、宽度B0为2～3m，有效承载区厚度60mm以上。由于这种超大型结构无法整体锻造，通常采用分组件锻造和电子束焊接的方式。根据国内外锻造能力，将门形框1结构分为三个组件，焊接位置包括两处，焊接位置长度1200～1500mm（或更长）。由于焊接厚度大，通常采用高压定枪电子束焊接，如图2所示，传统的焊接设备真空室长度L1需11～12m、宽度B1需7～8m、高度至少2m，固定式电子枪9在真空室中央，通过工作台运动实现结构焊接。这种定枪电子束焊接的主要缺点是：

（1）真空室尺寸大，特别是平面尺寸需求大；

（2）需X、Y双向运动台，方可实现焊接位置对中、焊接轨迹运动，特别是两条以上焊缝；

（3）真空室体积近150立方米，抽真空泵组系统能力需求大、耗能高，抽真空时间长（一般需要1.5h）、效率低；

（4）只满足不大于上述外形尺寸的结构焊接，随着结构外形尺寸的扩展，设备通用性差；

（5）建造成本高、维护成本高，即焊接成本高。

请参考图3和图4，本发明的实施例提出了一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，包括：真空室2、运动平台3、密封门4、第一电子枪5以及第一运动系统6，所述真空室2外形长度L为8.5～9m、宽度B为3～4m、高度H为2m，所述真空室2的腔体底部沿X方向设置有所述运动平台3，靠近所述运动平台3两端的所述真空室2上分别设置有所述密封门4，方便超大型焊接结构的转入、转出，所述第一电子枪5设置在所述真空室2的腔体顶部，并通过所述第一运动系统6使所述第一电子枪5沿Y方向移动，且所述第一电子枪5的行程为所述真空室2的Y方向的上半段，可实现不少于1.5m长焊接运动。对电子枪的排布进行设计，不仅满足了门形框1的焊接，而且提高焊接位置横向设计裕度，有利于真空室2负压结构的刚性与强度设计及焊接长度的扩展。

请参考图5，在一些实施例中，还包括第二电子枪7，所述第二电子枪7的位置为所述第一电子枪5的位置以所述真空室2中心旋转180°得到。进一步地，还包括第二运动系统8使所述第二电子枪7沿Y方向移动，且所述第二电子枪7的行程为所述真空室2的Y方向的下半段。可实现1.5～3m超长焊缝采用分段、分次、正反面焊接方法，多段焊接区域分次交叉、正反向焊接，将降低焊接应力变形，提高焊接成形质量及尺寸精度。

在一些实施例中，所述第一电子枪5位于靠近所述真空室2一端，且距离为沿所述真空室2的长度方向三分之一长度的位置，其可设计距一端L0/3±（150mm～400mm）范围内，符合生产的各类门形框1结构的焊接，具有较高的设备通用性。

在一些实施例中，所述真空室2的腔体内空间尺寸为容纳最大门形框1的外轮廓尺寸，通过仅容纳门形框1结构尺寸及装配空间的真空室2设计，提高真空室2的容腔利用率，有利于成本降低和抽真空效率提升。

请参考图8和图9，提供了一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，所述方法包括：

将门形框1装配在运动平台3上，门形框1通过运动平台3转运至真空室2的腔体内；

通过运动平台3的X方向移动，使门形框1的第一焊接位置10与第一电子枪5的位置进行对中；

关闭密封门4，对真空室2内进行抽真空；

开启第一电子枪5，第一电子枪5通过第一运动系统6沿Y的正方向进行焊接；

焊接后对真空室2进行充气；

通过运动平台3将门形框1转移出真空室2；

左右翻转门形框1重新装配在运动平台3上，门形框1通过运动平台3转运至真空室2的腔体内；

通过运动平台3的X方向移动，使门形框1的第二焊接位置11与第一电子枪5的位置进行对中；

关闭密封门4，对真空室2内进行抽真空；

开启第一电子枪5，第一电子枪5通过第一运动系统6沿Y的负方向进行焊接；

焊接后对真空室2进行充气；

通过运动平台3将门形框1转移出真空室2。

请参考图8和图10，提供了一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，所述方法包括：

关闭密封门4，对真空室2内进行抽真空；

焊接后对真空室2进行充气；

通过运动平台3将门形框1转移出真空室2；

前后翻转门形框1重新装配在运动平台3上，门形框1通过运动平台3转运至真空室2的腔体内；

通过运动平台3的X方向移动，使门形框1的第二焊接位置11与第二电子枪7的位置进行对中；

关闭密封门4，对真空室2内进行抽真空；

开启第二电子枪7，第二电子枪7通过第二运动系统8沿Y的正方向进行焊接；

焊接后对真空室2进行充气；

通过运动平台3将门形框1转移出真空室2。

第一焊接位置10和第二焊接位置11的焊接方向分别由内及外、由外及内，方向相反，也有利于两侧焊接应力对称约束、相互抵消，进一步降低焊接变形。焊接面相反、焊接方向相反，焊接残余应力、焊接变形趋势方向相反，有利于焊接应力变形均匀化控制，将降低焊接应力变形。

请参考图11~图13，对于焊缝长度超过真空室2的Y方向长度的一半，且小于真空室2的Y方向长度的门形框1焊接，将门形框1焊接位置分别划分为第一焊接位置上段101、第一焊接位置下段102、第二焊接位置上段110、第二焊接位置下段111，并通过第一电子枪5和第二电子枪7分别进行焊接，焊接顺序为第一电子枪5焊接第一焊接位置上段101，同时第二电子枪7焊接第二焊接位置下段111，前后翻转门形框1，第一电子枪5焊接第一焊接位置下段102，同时第二电子枪7焊接第二焊接位置上段110。

请参考图6或图7，在一些实施例中，门形框1的第一焊接位置10和第二焊接位置11采用对接等截面形式焊接，对于厚度60～100mm的焊接接头，在对接单侧50～200mm宽度范围区域内，采用等厚度截面接头，门形框1的正面、背面预留的加工余量相等，提高结构接头正反面焊接的适用性、通用性。

请参考图6和图7，在一些实施例中，门形框1的第一焊接位置10和第二焊接位置11的焊接方式分为两次装配焊接，通过电子束先焊接第一焊接位置10，再翻转门形框1进行焊接第二焊接位置11，两次焊接变形分别为△H1、△H2，两次变形方向相反可有效降低焊接变形。

结合本发明的方法和附图，提供以下实施例：

以图1的大型飞机钛合金超大型门形框1结构为例，具体尺寸：长度L0为8m、宽度B0为3m、厚度为110mm，焊缝长度1.5m。具体实施例如下：

（1）真空室2设计：根据结构尺寸，如图3所示，真空室2外形长度L为8.7m、宽度B为4m、高度H为2m，仅设计X向运动平台3。

（2）室外电子枪运动系统及安装位置设计：如图4、5所示，设计电子枪运动系统的主运动焊接行程为1.5m，垂直主运动方向微调行程100mm，可实现焊接对中调整及横向焊接。在真空室2顶部，距离两端各2.9m位置设计两处电子枪安装位置，提高焊接位置设计裕度±300mm范围内。

（3）焊接接头位置设计：如图6所示，采用等厚度截面接头设计，正面、背面均预留相等的5mm加工余量δ′，对接区域B01=100mm。

（4）电子束焊接：将结构件分两次装配，如图7所示，通过电子束先焊接第一焊接位置10，再反向翻转进行焊接第二焊接位置11。具体焊接顺序方案如图8所示，装配对中后从正面由内向外焊接第一焊接位置10。采用左右翻转，装配对中后从背面由外向内焊接第二焊接位置11。

（5）焊接质量检测：焊缝焊接后，观察焊缝外观成形，检测焊缝内部质量，满足航标Ⅰ级标准要求。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims

1.一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，其特征在于，包括：真空室、运动平台、密封门、第一电子枪以及第一运动系统，所述真空室的腔体底部沿X方向设置有所述运动平台，靠近所述运动平台两端的所述真空室上分别设置有所述密封门，所述第一电子枪设置在所述真空室的腔体顶部，并通过所述第一运动系统使所述第一电子枪沿Y方向移动，且所述第一电子枪的行程为所述真空室Y方向的上半段。

2.根据权利要求1所述一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，其特征在于，还包括第二电子枪，所述第二电子枪的位置为所述第一电子枪的位置以所述真空室中心旋转180°得到。

3.根据权利要求2所述一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，其特征在于，还包括第二运动系统使所述第二电子枪沿Y方向移动，且所述第二电子枪的行程为所述真空室Y方向的下半段。

4.根据权利要求1所述的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，其特征在于，所述第一电子枪位于靠近所述真空室一端，且距离为沿所述真空室的长度方向三分之一长度的位置。

5.根据权利要求1所述的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，其特征在于，所述真空室的腔体内空间尺寸为容纳最大门形框的外轮廓尺寸。

6.一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，所述方法包括：

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室；

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室。

7.一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的一种超大型门形框结构的真空电子束焊接设备，所述方法包括：

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室；

关闭密封门，对真空室内进行抽真空；

焊接后对真空室进行充气；

通过运动平台将门形框转移出真空室。

8.根据权利要求7所述一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，其特征在于，对于焊缝长度超过真空室Y方向长度的一半，且小于真空室Y方向长度的门形框焊接，将门形框焊接位置分别划分为第一焊接位置上段、第一焊接位置下段、第二焊接位置上段、第二焊接位置下段，并通过第一电子枪和第二电子枪分别进行焊接，焊接顺序为第一电子枪焊接第一焊接位置上段，同时第二电子枪焊接第二焊接位置下段，前后翻转门形框，第一电子枪焊接第一焊接位置下段，同时第二电子枪焊接第二焊接位置上段。

9.根据权利要求8所述一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，其特征在于，门形框的第一焊接位置和第二焊接位置采用对接等截面形式焊接，对于厚度60～100mm的焊接接头，在对接单侧50～200mm宽度范围区域内，采用等厚度截面接头，门形框的正面、背面预留的加工余量相等。

10.根据权利要求9所述一种超大型门形框结构的真空电子束焊接方法，其特征在于，门形框的第一焊接位置和第二焊接位置的焊接方式分为两次装配焊接，通过电子束先焊接第一焊接位置，再翻转门形框进行焊接第二焊接位置，两次焊接变形分别为△H1、△H2，两次变形方向相反。