CN116372472A - 金属薄壁周期结构及其成形夹具、方法及自动焊接装备 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料加工领域，并具体公开了一种金属薄壁周期结构及其成形夹具、方法及自动焊接装备，其包括支撑基板、定位基板和支撑杆；支撑基板用于放置待焊板材；定位基板与支撑基板垂直放置；定位基板正面设有压板引导槽，用于引导压板落位；压板引导槽上开设有定位孔，定位孔旁边设有与其连通的定位引导孔；定位基板背面设有旋转定位槽，其与定位引导孔连接；支撑杆包括支撑段和定位段，定位段位于支撑段一端，且设有凸起，该定位段从定位孔和定位引导孔插入，并旋转至旋转定位槽中，实现支撑杆的锁定；处于锁定状态时，支撑段与待焊板材紧密贴合，对待焊板材形成支撑。本发明可减少金属薄壁周期结构焊接过程中的变形，提高加工精度。

Description

金属薄壁周期结构及其成形夹具、方法及自动焊接装备

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，更具体地，涉及一种金属薄壁周期结构及其成形夹具、方法及自动焊接装备。

背景技术

近年来，蜂窝的结构给航天器设计师们很大启示，他们在研制重大装备时，先用金属制造成蜂窝，然后再用两块金属板把它夹起来就成了蜂窝结构。这种蜂窝结构具有高强度、高刚度、耐高温、自身质量轻、隔音、隔热、减震等优异性能，作为承重或门框类结构被广泛应用于轨道交通、航天和国防军事等领域。

当前制造金属蜂窝结构的方法主要有拉伸法和成型法，拉伸法是先在材料上涂胶条，然后将材料叠合胶接起来，最后再将叠合胶接起来材料拉伸成蜂窝，一般铝合金蜂窝的正六边形采用该方法制造。成型法是先将材料压成波纹状，然后将波纹状材料叠合胶接或焊接而成，一般用于厚度大或刚性大的材料，或特殊的非正六边形的蜂窝结构。然而，随着轻量化、强度和密封性等要求越来越高，铆接或胶接已无法满足要求。焊接相比铆接和胶接具有更好的强度和密封性，采用熔焊时，通常会因焊缝受热不均和钎料熔化导致变形大、缺陷多，无法形成良好的焊缝。搅拌摩擦焊作为一种固相连接的方法，虽具有焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小和焊缝强度高等优点。但是，在搅拌摩擦焊焊接时搅拌头轴肩存在较大的压力，焊接时会导致蜂窝板表面受压塌陷，这种现象对于低强度金属和薄板更加明显，同时，如果焊接时焊缝金属流动性不足也会导致钎料聚集而产生缺陷。相比之下，真空钎焊可较好的解决过薄的蜂窝壁在焊接过程中易发生溶蚀等缺陷，但是真空钎焊技术生产成本高且受到炉膛尺寸的制约，难以生产壁板、浆叶等大型蜂窝结构件。

近年来，3D打印技术的发展为金属蜂窝结构的成形提供了新办法，如一方面通过3D打印制备出高精度蜡模，再精密铸造获得蜂窝结构，其加工成本低、制造周期短，但对于薄壁结构，在精密铸造时极易发生充型不足等铸造缺陷。另一方面，采用3D打印技术也可直接成形金属蜂窝结构件，但因粉末制备难、生产效率低而使其成本居高不下。此外，高能束3D打印过程中大的热应力，极易引起薄壁件发生热变形而无法保证尺寸精度。

综上可见，采用上述技术进行金属薄壁周期结构成形，仍面临焊接面质量、变形、尺寸精度无法保障等系列难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属薄壁周期结构及其成形夹具、方法及自动焊接装备，其目的在于，减少金属薄壁周期结构焊接过程中的变形，提高加工精度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种金属薄壁周期结构的成形夹具，包括支撑基板、定位基板和支撑杆，其中：

所述支撑基板用于放置待焊板材；所述定位基板与所述支撑基板垂直放置；所述定位基板正面设有压板引导槽，用于引导压板落位，所述压板用于压紧所述待焊板材；所述压板引导槽上开设有定位孔，该定位孔旁边设有与其连通的定位引导孔；所述定位基板背面设有旋转定位槽，该旋转定位槽与所述定位引导孔连接；

所述支撑杆包括支撑段和定位段，其中，所述定位段位于支撑段一端，且定位段上设有凸起，该定位段用于从所述定位孔和定位引导孔插入，并旋转至旋转定位槽中，以实现支撑杆的锁定；当支撑杆处于锁定状态时，所述支撑段与待焊板材紧密贴合，对待焊板材形成支撑。

作为进一步优选的，所述支撑基板上设有定位销，该定位销与待焊板材四周开设的定位通孔配合，以实现待焊板材定位。

作为进一步优选的，所述压板的底端设有带弹簧的顶针。

作为进一步优选的，所述支撑杆还包括夹持段，所述夹持段和定位段分别位于所述支撑段两端。

按照本发明的第二方面，提供了一种金属薄壁周期结构成形方法，包括如下步骤：

S1、将金属板材进行塑性变形，得到多个待焊板材；

S2、将底板固定在支撑基板上，将一个待焊板材置于底板上，通过支撑杆和压板将该待焊板材定位压紧，然后将该待焊板材与底板焊接为一体；

S3、再放置一个待焊板材，通过支撑杆和压板将该待焊板材定位压紧，然后将该待焊板材与上一个待焊板材焊接为一体；

S4、重复步骤S3，直至得到金属薄壁周期结构尺寸达到要求。

作为进一步优选的，所述焊接方法为高能束激光焊接。

作为进一步优选的，步骤S1还包括：对得到的多个待焊板材进行表面清洁处理。

作为进一步优选的，焊接得到金属薄壁周期结构后，对其进行退火热处理和/或喷丸表面处理。

按照本发明的第三方面，提供了一种金属薄壁周期结构，采用上述金属薄壁周期结构成形方法制备而成。

按照本发明的第四方面，提供了一种金属薄壁周期结构的自动焊接装备，包括上述成形夹具，以及焊接平台、装夹机械手、压紧机械手，其中：

所述成形夹具中的支撑基板固定在所述焊接平台上；所述焊接平台用于对待焊板材进行焊接；

所述装夹机械手、压紧机械手分别安装在所述焊接平台两侧，所述装夹机械手用于装夹待焊板材和调整成形夹具，所述压紧机械手用于安装压板，并通过压板压紧待焊板材。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明针对金属薄壁周期结构设计的成形夹具，通过定位基板上的孔槽设计，并与支撑杆配合，并在焊接过程中实现对待焊板材形成稳定支撑，确保板材各部位均匀受力，防止其在加工过程中的变形与移位，极大保障了加工精度。

2.本发明在支撑基板上设有定位销，可便于板材的快速定位与装夹；同时，将压板设计为底端带弹簧的顶针，使其可以适应不同曲率的曲形件，提高对不同曲率特征待焊板材的压紧效果。

3.采用本发明提供的成形方法，可彻底解决铆接或胶接法制造的蜂窝结构无法满足强度和密封性等要求；搅拌摩擦焊焊接时会导致蜂窝板表面受压塌陷；真空钎焊技术生产成本高且受到炉膛尺寸的制约；薄壁结构在精密铸造时极易发生充型不足等铸造缺陷；高能束3D打印过程中大的热应力极易引起薄壁件发生热变形而无法保证尺寸精度等难题，实现高质量金属薄壁周期结构的成形制造。

4.本发明通过板材塑性变形，再辅助高能束焊接，可用于任意材质、任意形状、任意厚度结构件的成形，适应范围广；且流程短，设备适应性强、能量消耗低，可实现全流程自动化生产。

5.采用本发明方法和装备成形薄壁、超薄壁蜂窝结构件时，避免现有方法带来了变形、开裂、尺寸精度、高成本等难题，对推动蜂窝结构件的大批量生产，进而推动海洋工程装备的高质量发展，具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例金属薄壁周期结构成形方法流程图；

图2为本发明实施例金属薄壁周期结构的自动焊接装备结构示意图；

图3为本发明实施例金属薄壁周期结构的成形夹具结构示意图；

图4中(a)、(b)为本发明实施例定位基板的正面、背面结构示意图；

图5中(a)、(b)为本发明实施例支撑杆结构示意图；

图6为本发明实施例压板结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-焊接平台，2-装夹机械手，3-压紧机械手，4-成形夹具，11-支撑基板，12-定位销，13-定位基板，14-支撑杆，21-压板引导槽，22-定位孔，23-定位引导孔，24-旋转定位槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种金属薄壁周期结构的成形夹具，如图3所示，包括支撑基板11、定位基板13和支撑杆14，其中：

所述支撑基板11固定于焊接平台1上，支撑基板11上设有定位销12，使待焊板材上的定位通孔与定位销12紧密配合而实现定位；

所述定位基板13正面设有多条纵向的压板引导槽21，用于引导压紧机械手3的压板落位；如图4所示，定位基板13内设有多个定位孔22，定位孔22位于压板引导槽21处，以便于压板和支撑杆14位置对应；每个定位孔22内设有与其连通的定位引导孔23，用于支撑杆14的插入与定位；定位基板13背面设有旋转定位槽24，该旋转定位槽24不贯穿定位基板13，并与定位引导孔23连接，用于支撑杆14的旋转与定位；

所述支撑杆14依次包括夹持段、支撑段和定位段，夹持段便于外部机械夹持，定位段位于支撑段一端，且定位段上设有凸起，定位段可通过定位孔22和定位引导孔23，且旋转后凸起可进入旋转定位槽24中锁定；支撑段截面为类椭圆状，具体根据待焊板材形状确定，支撑杆14活动状态下外轮廓与待焊板材互不干涉，可自由插入待焊板材形成的结构内，锁紧状态下支撑段外轮廓与待焊板材完全贴合，即具有与待焊板材相同的曲率特征，如图5所示，形成简支梁结构为待焊板材焊接提供支撑力。

本发明实施例提供的一种金属薄壁周期结构的自动焊接装备，如图2所示，包括焊接平台1、装夹机械手2、压紧机械手3和上述成形夹具4，其中：

所述成形夹具4安装在焊接平台1上；

所述装夹机械手2安装于焊接平台1的一侧，用于装夹待焊板材和调整成形夹具；

所述压紧机械手3安装于焊接平台1的另一侧，压紧机械手上设有若干压板，用于压紧待焊板材，防止焊接时翘曲变形。

进一步的，所述焊接平台为高能束焊接平台，具体可选用机床式或机械手式。

进一步的，当待焊结构为曲形件时，压板底端设有多个带弹簧的顶针，如图6所示，即通过弹簧将顶针压在待焊板材上，从而压紧具有不同曲率特征的待焊板材。

上述自动焊接装备工作时，装夹机械手1夹持待焊板材，使待焊板材上的定位通孔与定位销12完全配合而完成上料动作；然后，装夹机械手1夹持支撑杆14的夹持段，将定位段沿定位引导孔23插入定位基板13上的定位孔22内，并沿旋转定位槽24旋至锁紧状态，此时支撑段对待焊板材形成支撑；紧接着，压紧机械手3上的压板从上方压紧待焊区域，高能束系统工作完成同一待焊板材上的所有焊接动作；待焊缝冷却后，装夹机械手2按相反顺序拆卸支撑杆14。如此往复循环工作，直至多个待焊板材焊接而成的结构达到目标产品要求。

本发明实施例提供的一种金属薄壁周期结构的成形方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、将金属板材按进行塑性变形，得到规定尺寸规格的异形板(即待焊板材)；对基体板材和异形板进行表面处理；

S2、将用于成形的底板定位固定于成形夹具的支撑基板上、限位；将第一个异形板(Y1)置于底板上，并通过成形夹具定位、压紧固定、精确限位；采用高能束激光，将异形板(Y1)与底板焊接为一体；

S3、再在异形板Y1上叠放第二个异形板(Y2)，并通过成形夹具定位、压紧固定、精确限位；采用高能束激光，将异形板Y2与异形板Y1焊接为一体；

S4、重复步骤S3，直至周期结构达到目标产品尺寸要求；

S5、将顶侧基板放置上述焊接的周期结构上，并通过成形夹具定位、压紧固定、精确限位，并通过高能束焊接为一体；

S6、待工件应力释放后，拆卸夹具，得到金属薄壁周期结构。

进一步的，焊接可选用激光焊接、电子束焊接或等离子束焊接等各种高能束焊接。

进一步的，所述异形板与基板、异形板与异形板之间的装配间隙不大于0.1mm，焊接后整体蜂窝结构精度不低于±0.1mm。

进一步的，步骤S1中，塑性变形处理可采用冷弯或热弯成形；表面处理可采用物理法和化学法，物理法可采用激光表面清洗、砂纸打磨后丙酮清洗或不锈钢刷抛光后丙酮清洗，化学法可选用酸洗或碱洗，或二者并用。

进一步的，步骤S5后，根据产品性能需求，还可进行退火热处理炉，消除工件内的残余应力。

进一步的，步骤S5后，根据产品强度需求，还可进行喷丸表面处理，实现表面细晶强化，同时提高疲劳性能。

该方法适用于各类金属材质的蜂窝结构件成形，也适用于平面、曲面、异形面等各种周期结构件的成形，还适用于薄壁、厚壁各种尺寸规格的周期结构件成形。板材材料包括不锈钢、铝合金、钛合金等所有金属材料。

以下以壁厚1mm的弧形钛合金蜂窝结构件为例，具体说明本发明的成形方法。

该实施例中，首先对1mm钛合金薄板进行折弯处理，得到①号底侧基板、②～⑦号波纹板和⑧号顶侧基板；紧接着，对基体板材和波纹板进行表面处理，表面处理方式选用碱洗+酸洗+丙酮清洗；然后，将处理好的板材转运至机械手工作区，由全自动焊接装备实现分体式成形。最后，将蜂窝结构件置于热处理炉内去应力退火，并进行喷丸表面处理，得到高质量目标蜂窝结构件。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属薄壁周期结构的成形夹具，其特征在于，包括支撑基板(11)、定位基板(13)和支撑杆(14)，其中：

所述支撑基板(11)用于放置待焊板材；所述定位基板(13)与所述支撑基板(11)垂直放置；所述定位基板(13)正面设有压板引导槽(21)，用于引导压板落位，所述压板用于压紧所述待焊板材；所述压板引导槽(21)上开设有定位孔(22)，该定位孔(22)旁边设有与其连通的定位引导孔(23)；所述定位基板(13)背面设有旋转定位槽(24)，该旋转定位槽(24)与所述定位引导孔(23)连接；

所述支撑杆(14)包括支撑段和定位段，其中，所述定位段位于支撑段一端，且定位段上设有凸起，该定位段用于从所述定位孔(22)和定位引导孔(23)插入，并旋转至旋转定位槽(24)中，以实现支撑杆(14)的锁定；当支撑杆(14)处于锁定状态时，所述支撑段与待焊板材紧密贴合，对待焊板材形成支撑。

2.如权利要求1所述的金属薄壁周期结构的成形夹具，其特征在于，所述支撑基板(11)上设有定位销(12)，该定位销(12)与待焊板材四周开设的定位通孔配合，以实现待焊板材定位。

3.如权利要求1所述的金属薄壁周期结构的成形夹具，其特征在于，所述压板的底端设有带弹簧的顶针。

4.如权利要求1-3任一项所述的金属薄壁周期结构的成形夹具，其特征在于，所述支撑杆(14)还包括夹持段，所述夹持段和定位段分别位于所述支撑段两端。

5.一种基于如权利要求1-4任一项所述的成形夹具的金属薄壁周期结构成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将金属板材进行塑性变形，得到多个待焊板材；

S2、将底板固定在支撑基板上，将一个待焊板材置于底板上，通过支撑杆和压板将该待焊板材定位压紧，然后将该待焊板材与底板焊接为一体；

S3、再放置一个待焊板材，通过支撑杆和压板将该待焊板材定位压紧，然后将该待焊板材与上一个待焊板材焊接为一体；

S4、重复步骤S3，直至得到金属薄壁周期结构尺寸达到要求。

6.如权利要求5所述的金属薄壁周期结构成形方法，其特征在于，所述焊接方法为高能束激光焊接。

7.如权利要求5所述的金属薄壁周期结构成形方法，其特征在于，步骤S1还包括：对得到的多个待焊板材进行表面清洁处理。

8.如权利要求5所述的金属薄壁周期结构成形方法，其特征在于，焊接得到金属薄壁周期结构后，对其进行退火热处理和/或喷丸表面处理。

9.一种金属薄壁周期结构，其特征在于，采用如权利要求5-8任一项所述的金属薄壁周期结构成形方法制备而成。

10.一种金属薄壁周期结构的自动焊接装备，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的成形夹具，以及焊接平台、装夹机械手、压紧机械手，其中：

所述成形夹具中的支撑基板固定在所述焊接平台上；所述焊接平台用于对待焊板材进行焊接；

所述装夹机械手、压紧机械手分别安装在所述焊接平台两侧，所述装夹机械手用于装夹待焊板材和调整成形夹具，所述压紧机械手用于安装压板，并通过压板压紧待焊板材。

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