CN117283135A - 一种封闭壳体的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种封闭壳体的焊接方法，涉及焊接领域，包括以下步骤：步骤一、将多个壳体组件装配成封闭壳体，在封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均依次覆盖金属箔和胶带；步骤二、反复向封闭壳体内部抽真空和充入惰性气体，洗涤封闭壳体的内腔，降低封闭壳体的内腔中的空气含量；步骤三、持续向封闭壳体内部充入惰性气体，在正压环境下依次对所有待焊接头进行分段焊接。本发明提供的封闭壳体的焊接方法解决了长期困扰油箱类封闭壳体焊缝背面产生氧化物的问题，提高了燃油洁净度，达到了结构减重和组件简化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种封闭壳体的焊接方法。
背景技术
针对燃油系统的制造方法和材料，航空、航天和兵器行业提出采用高洁净度燃油、简化燃油系统组件数量两项措施。在新型飞行器中采用纯度更高的燃油，满足供油洁净的要求；同时取消燃油过滤装置，达到结构减重和组件简化的目标。
由于新机型采用了高洁净度的燃油和高效发动机，燃油系统输出到发动机中的燃油，由前期传统的航空7级提高航空4级。按照GJB420B-2006《航空工作液固体污染度分级》的等级划分，在光学显微镜下观察测试航空4级燃油，任意100mL燃油中Φ5.0μm（标准物质）固体污染的数量不得超过0.48万个。航空7级燃油的要求：在光学显微镜下观察，任意100mL固体污染Φ5.0μm（标准物质）固体污染的数量不得超过3.8万个。固体污染物数量从3.8万个降低到0.48万个，燃油洁净度有了大幅度提高，继续采用传统燃油系统的焊接方法，无法满足提高了三个等级的燃油洁净度要求。
仔细分析降低燃油洁净度的关键环节是油箱制造过程，燃油系统产生污染物主要来自油箱焊接过程。焊接封闭壳体状的油箱时，在焊缝背面，也就是油箱内壁，会产生大量氧化物。由于结构是封闭壳体，无法进入到内部清理焊缝反面，焊后形成的氧化物脱落进入燃油，降低了燃油的洁净度。
油箱是采用焊接方法拼合而成的封闭壳体，焊接过程中金属熔化并重新凝固，在焊缝背面（油箱内壁）形成氧化物。由于油箱是封闭结构，无法进入到内部清理油箱内壁（焊缝背面）的氧化物，只能残留在油箱内部。传统清理方法是采用液体震荡洗涤，可以清除一部分附着不强的氧化物。但是继续残留的氧化物在不确定时间内脱落后进入燃油，形成固体污染，极大地降低了燃油洁净度，严重时阻塞了油路，阻断燃油供给，导致发动机间歇停车，甚至造成飞行事故。
具体清理方法是使用高纯度燃油灌入油箱内部，重复震荡洗涤油箱，测量燃油中固体污染数量，继续更换新的燃油继续洗涤。不断重复上述过程，直到燃油洁净度达到航空7级（固体污染Φ5.0μm的数量不得超过3.8万个）。同时在燃油系统中增加多层过滤装置，防止残存的氧化物进入发动机油路，造成阻塞。重复洗涤不仅需要长时间制造周期，降低了生产效率，也无法彻底清除，只有增加多重过滤装置。采用多重过滤装置，增加了结构重量和复杂程度，也减少飞行器有效载荷。显然采用传统的清洗和过滤方法，无法满足航空4级燃油的要求。
针对航空4级（固体污染Φ5.0μm的数量不得超过0.48万个）燃油和结构减重，如何消除焊接过程中油箱内壁焊接氧化物、提高燃油洁净度、简化结构，成为制造新型飞行器油箱急需解决的问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种封闭壳体的焊接方法，解决了长期困扰油箱类封闭壳体焊缝背面产生氧化物的问题，提高了燃油洁净度，达到了结构减重和组件简化的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种封闭壳体的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、将多个壳体组件装配成封闭壳体，在所述封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均依次覆盖金属箔和胶带；
步骤二、反复向所述封闭壳体内部抽真空和充入惰性气体，洗涤所述封闭壳体的内腔，降低所述封闭壳体的内腔中的空气含量；
步骤三、持续向所述封闭壳体内部充入惰性气体，在正压环境下依次对所有所述待焊接头进行分段焊接。
可选地，在步骤一中，采用丙酮或者酒精清洗所有所述壳体组件，按照要求装配多个所述壳体组件，确保所述待焊接头间隙小于0.3mm，采用丙酮或者酒精再次清洗所述待焊接头外表面的两侧；采用丙酮或者酒精清洗多个所述金属箔的正反面，在所述封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均覆盖所述金属箔；采用丙酮或者酒精清擦拭所述封闭壳体外表面用于覆盖胶带的区域，使用所述胶带覆盖于所述金属箔的外表面并胶接于所述封闭壳体的外表面，将所述金属箔和所述封闭壳体的外表面胶接在一起。
可选地，在步骤一中，采用丙酮或者酒精再次清洗所述待焊接头外表面的两侧各30mm的区域，所述金属箔的宽度为20mm且厚度为0.1mm~0.2mm，所述胶带的宽度为40mm。
可选地，在步骤二中，使用真空泵抽出所述封闭壳体内的空气，当所述封闭壳体内部的真空度降至10Pa时，停止抽真空，静置5分钟；向所述封闭壳体内部充入惰性气体，惰性气体压力达到1.00Х105Pa时停止充气，并静置5分钟；重复上述抽真空和充惰性气体洗涤过程3次~5次，测量所述封闭壳体内部气体露点，确保不得大于-35℃，否则继续重复上述洗涤过程。
可选地，在步骤二中，在所述封闭壳体的注油嘴处安装用于连接所述真空泵的真空阀，在所述封闭壳体的溢气孔处安装用于注入惰性气体的气体阀。
可选地，在步骤三中，拆除所述真空阀，持续向所述封闭壳体内部注入惰性气体，保证惰性气体压力在1.01Х105Pa~1.03Х105Pa之间；保证所述封闭壳体内部形成正压，打开所述通气孔，防止所述封闭壳体内部压力过高撕裂所述胶带；按照前期制定好的焊接次序，每次移除一条所述待焊接头上的所述胶带和所述金属箔，并采用确认的焊接参数，依次焊接所有的待焊接头。
可选地，在步骤三中，所述封闭壳体上设置有多个所述通气孔，保证所述封闭壳体内部形成正压，打开任何一个所述通气孔，防止所述封闭壳体内部压力过高撕裂所述胶带；当焊接最后一条所述待焊接头时，打开多个所述通气孔。
可选地，所述惰性气体为氩气、氮气或氦气，所述封闭壳体为钛合金壳体，所述金属箔为钛箔，所述胶带为纸胶带。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的封闭壳体的焊接方法采取密封待焊接头、充惰性气体洗涤内腔和正压分段焊接相结合的技术，在封闭壳体内部充满惰性气体，建立稳定持续的保护气氛环境，确保焊缝背面不被氧化，消除出现焊缝污染因素。采用此方法可以从根本上消除焊缝背面（封闭壳体内部）产生氧化物的因素，解决了长期困扰油箱类封闭壳体焊缝背面产生氧化物的问题，进而避免焊缝背面的氧化物污染燃油，提高了燃油洁净度，相较于现有技术中的清理方法，简化了制造流程，提高了工作效率，无需设置燃油过滤装置，达到了结构减重和组件简化的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明提供封闭壳体的焊接方法中封闭壳体的爆炸图；
图2为本发明提供封闭壳体的焊接方法中封闭壳体装配后的结构示意图；
图3为本发明提供封闭壳体的焊接方法中金属箔的设置示意图；
图4为本发明提供封闭壳体的焊接方法中金属箔的设置剖视图；
图5为本发明提供封闭壳体的焊接方法中胶带的设置示意图；
图6为本发明提供封闭壳体的焊接方法中金属箔和胶带的设置剖视图；
图7为本发明提供封闭壳体的焊接方法中正压焊接过程示意图；
图8为本发明提供封闭壳体的焊接方法中焊接完成后的示意图。
附图标记说明：1、顶盖；2、带孔上壳体；3、无孔上壳体；4、无窗下壳体；5、带窗下壳体；6、底盖；7、端盖环焊缝；8、壳体环焊缝；9、底盖环焊缝；10、上壳体近纵缝；11、下壳体右纵缝；12、下壳体左纵缝；13、溢气孔；14、注油嘴；15、端盖环焊缝支撑钛箔；16、壳体环焊缝支撑钛箔；17、底盖环焊缝支撑钛箔；18、上壳体远纵缝支撑钛箔；19、下壳体左纵缝支撑钛箔；20、胶带；21、气体阀；22、真空阀；23、焊缝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种封闭壳体的焊接方法，解决了长期困扰油箱类封闭壳体焊缝背面产生氧化物的问题，提高了燃油洁净度，达到了结构减重和组件简化的目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图8所示，本实施例提供一种封闭壳体的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、先将多个壳体组件装配成封闭壳体，在封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均依次覆盖金属箔和胶带20；采用金属箔形成硬质覆盖支撑，确保抽真空时待焊接头区域不会出现塌陷，发生漏真空现象，再将胶带20覆盖在金属箔上，固定金属箔和封闭壳体，形成软质覆盖层，抽真空时胶带20起到密封作用。
步骤二、反复向封闭壳体内部抽真空和充入惰性气体，洗涤封闭壳体的内腔，降低封闭壳体的内腔中的空气含量，构建高纯惰性气体环境，确保焊接过程不产生氧化物。
步骤三、持续向封闭壳体内部充入惰性气体，确保封闭壳体的内腔空气含量降低到临界要求，在正压环境下依次对所有待焊接头进行分段焊接，正压环境使得避免吸入空气污染内部高纯惰性气体环境，既保护焊缝背面不受氧化，也不会扰动外部保护气流。
本实施例中采取密封待焊接头、充惰性气体洗涤内腔和正压分段焊接相结合的技术，在封闭壳体内部充满惰性气体，建立稳定持续的保护气氛环境，确保焊缝背面不被氧化，消除出现焊缝污染因素。采用此方法可以从根本上消除焊缝背面（封闭壳体内部）产生氧化物的因素，解决长期困扰油箱类封闭壳体焊缝背面产生氧化物的问题，即杜绝了氧化物的产生，提高了封闭壳体内部的洁净度，进而避免焊缝背面的氧化物污染燃油，提高了燃油洁净度，相较于现有技术中的清理方法，省去了焊后长时间、高频次清理工序，简化了制造流程，提高了工作效率，无需设置燃油过滤装置，去除了燃油过滤装置的制造和安装流程，满足高效、经济等要求，达到了结构减重和组件简化的目的。
具体地，在步骤一中，采用丙酮或者酒精清洗所有壳体组件，按照要求装配多个壳体组件，确保待焊接头间隙小于0.3mm，采用丙酮或者酒精再次清洗待焊接头外表面的两侧；采用丙酮或者酒精清洗多个金属箔的正反面，在封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均覆盖金属箔，起到支撑后续胶带20的作用；本实施例中的金属箔居中覆盖于封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面。采用丙酮或者酒精清擦拭封闭壳体外表面用于覆盖胶带20的区域，丙酮或者酒精清挥发10分钟后，使用胶带20覆盖于金属箔的外表面并胶接于封闭壳体的外表面，将金属箔和封闭壳体的外表面胶接在一起，进而确保封闭壳体的待焊接头区域对外隔绝空气；采用相同的方法，通过胶带20阻断入口、出口和通气孔，确保整个封闭壳体对外隔绝空气。本实施例中胶带20居中覆盖于金属箔的外表面。
于本具体实施例中，在步骤一中，按照封闭壳体的工程要求，使用焊接装配夹具，将所有清洗后的壳体组件装配成最终状态，确保内部不存在任何多余物。
于本具体实施例中，在步骤一中，采用丙酮或者酒精再次清洗待焊接头外表面的两侧各30mm的区域，金属箔的宽度为20mm且厚度为0.1mm~0.2mm，胶带20的宽度为40mm。本实施例中将厚度为0.1mm~0.2mm金属箔片剪裁成宽度为20mm带状的金属箔。
具体地，在步骤二中，使用真空泵抽出封闭壳体内的空气，当封闭壳体内部的真空度降至10Pa时，停止抽真空，静置5分钟；向封闭壳体内部充入惰性气体，惰性气体压力达到1.00Х105Pa时停止充气，并静置5分钟；重复上述抽真空和充惰性气体洗涤过程3次~5次，测量封闭壳体内部气体露点，确保不得大于-35℃，否则继续重复上述洗涤过程。
于本具体实施例中，在封闭壳体的注油嘴14处安装用于连接真空泵的真空阀22，在封闭壳体的溢气孔13处安装用于注入惰性气体的气体阀21。
具体地，在步骤三中，拆除真空阀22，持续向封闭壳体内部注入惰性气体，保证惰性气体压力在1.01Х105Pa~1.03Х105Pa之间；保证封闭壳体内部形成正压，打开通气孔，防止封闭壳体内部压力过高撕裂胶带20；按照前期制定好的焊接次序，每次移除一条待焊接头上的胶带20和金属箔，并采用确认的焊接参数，依次焊接所有的待焊接头。
于本具体实施例中，在步骤三中，封闭壳体上设置有多个通气孔，保证封闭壳体内部形成正压，打开任何一个通气孔，防止封闭壳体内部压力过高撕裂胶带20；当焊接最后一条待焊接头时，为了保证内部气体溢出时不扰动外部保护气体，打开多个通气孔，具体地，可以再打开2~3个通气孔。
于本具体实施例中，惰性气体为氩气、氮气或氦气，封闭壳体为钛合金壳体，金属箔为钛箔，胶带20为纸胶带。本实施例中的氩气为高纯氩气（GB/T10624）。
于本具体实施例中，如图1所示，封闭壳体为油箱，按照组件装配要求，将各个组件组装到油箱骨架上。具体地，组装前使用丙酮或者酒精彻底擦拭油箱的各个组件，并按照顶盖1、带孔上壳体2、无孔上壳体3、无窗下壳体4、带窗下壳体5、底盖6的顺序安装，清理每个组件内外表面，清除多余物和残留物，确保油箱内部不残留任何外来物质和物品。随后，使用氩弧点焊方法定位焊接并组合，确保待焊接部位的间隙不大于0.3mm，形成整体后拆除组装夹具。
如图2所示，装配后的油箱包括3条环缝和4条纵缝。带孔上壳体2和无孔上壳体3组成上壳体，无窗下壳体4和带窗下壳体5组成下壳体，顶盖1上设置有溢气孔13和注油嘴14。顶盖1和上壳体之间形成端盖环焊缝7，上壳体和下壳体之间形成壳体环焊缝8，下壳体与底盖6之间形成底盖环焊缝9。按照距离顶盖1上溢气孔13的远近，将上壳体的焊缝23分为上壳体远纵缝和上壳体近纵缝10。将顶盖1朝向飞行器航向，并确保溢气孔13位于注油嘴14的上方位置，下壳体纵向焊缝划分为下壳体左纵缝12和下壳体右纵缝11。采用丙酮或者酒精再次清洗待焊接头正面两侧各30mm范围内的宽度，区域呈两侧对称分布。
如图3所示，使用宽度为20mm、厚度为0.1mm～0.2mm的钛箔覆盖在待焊接头区域，对称分布，各10mm。具体地，采用丙酮或者酒精清洗钛箔的正反面，确保钛箔的表面清洁无污染，居中覆盖所有待焊接头外表面，对称分布，起到支撑后续纸胶带的作用，形成支撑钛箔。支撑钛箔覆盖所有焊缝，包括端盖环焊缝支撑钛箔15、壳体环焊缝支撑钛箔16、底盖环焊缝支撑钛箔17、上壳体远纵缝支撑钛箔18、上壳体近纵缝支撑钛箔、下壳体右纵缝支撑钛箔和下壳体左纵缝支撑钛箔19。以带孔上壳体2和无窗下壳体4之间的待焊接头区域为例，壳体环焊缝支撑钛箔16横跨在带孔上壳体2和无窗下壳体4之间的壳体环焊缝8，呈对称分布。
如图5所示，使用纸胶带将组件和支撑钛箔胶接在一起。具体地，使用宽度为40mm的纸胶带覆盖壳体环焊缝支撑钛箔16，两侧延伸到带孔上壳体2和无窗下壳体4各20mm，将三者稳定连续的胶接密封。其它待焊接位置也类似处理，纸胶带呈对称布局，使用相同的方法密封所有内外联通位置。在注油嘴14处安装连接抽真空泵的真空阀22，在溢气孔13处安装可以注入惰性气体的气体阀21。
分别通过真空阀22和气体阀21的开闭多次洗涤油箱内部，逐渐降低油箱内部的空气含量，达到焊接时背面不产生氧化物的程度。首先，关闭气体阀21，并检查所有纸胶带，确保油箱处于封闭状态。其次，打开真空泵，通过真空阀22向油箱内部抽真空，真空度降至10Pa时关闭真空阀22，并静置5分钟。最后，打开气体阀21，向油箱内部充入高纯氩气（GB/T10624），氩气压力达到1.00Х105Pa时停止充氩并静置5分钟。重复上述洗涤过程稿3次~5次，测量油箱壳体内部气体露点，确保气体露点不大于-35℃。
去除待焊接头区域上的支撑钛箔和纸胶带，在正压环境下，激光焊接油箱。充氩洗涤油箱内部后，当空气含量减低到不产生氧化物时停止抽真空，按照氩气充入方向继续充入氩气，保证油箱内部氩气压力在1.01Х105Pa～1.03Х105Pa之间的正压环境，并拆除真空阀22。如图7所示，去除纸胶带和下壳体左纵缝支撑钛箔19，采用丙酮或者酒精清洗待焊接头区域，采用激光焊接方法焊接，形成焊缝23。
如图8所示，使用相同的方法，按照预先确定的焊接次序，依次完成各个待焊接头的焊接。去除其它待焊接头区域上的支撑钛箔和纸胶带，按照氩气充入方向继续充入氩气，始终保持油箱内部处于正压环境，完成油箱整体焊接。
采用本实施例中的方法制造油箱类封闭壳体时，不仅可以达到背面不产生氧化物和净化焊缝的目的，同时，从内部不断溢出的惰性气体始终保护着未焊接头免受空气氧化，提高了焊接质量和接头性能。本实施例中的方法不仅适用于封闭壳体的焊接，可以推广到飞机制造中其它钛合金导管类、法兰类零件的焊接中，从内部充入氩气保护，在外部使用激光焊接，简化了制造流程，提高了工作效率，降低了制造成本。同时，可以将保护气体更换为其它惰性气体，例如低温使用的氮气或者更高温度使用的氦气，进而能够使用不同的焊接方法，扩大了应用范围。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种封闭壳体的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将多个壳体组件装配成封闭壳体，在所述封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均依次覆盖金属箔和胶带；
步骤二、反复向所述封闭壳体内部抽真空和充入惰性气体，洗涤所述封闭壳体的内腔，降低所述封闭壳体的内腔中的空气含量；
步骤三、持续向所述封闭壳体内部充入惰性气体，在正压环境下依次对所有所述待焊接头进行分段焊接。
2.根据权利要求1所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，在步骤一中，采用丙酮或者酒精清洗所有所述壳体组件，按照要求装配多个所述壳体组件，确保所述待焊接头间隙小于0.3mm，采用丙酮或者酒精再次清洗所述待焊接头外表面的两侧；采用丙酮或者酒精清洗多个所述金属箔的正反面，在所述封闭壳体的入口、出口、通气孔和待焊接头的外表面均覆盖所述金属箔；采用丙酮或者酒精清擦拭所述封闭壳体外表面用于覆盖胶带的区域，使用所述胶带覆盖于所述金属箔的外表面并胶接于所述封闭壳体的外表面，将所述金属箔和所述封闭壳体的外表面胶接在一起。
3.根据权利要求2所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，在步骤一中，采用丙酮或者酒精再次清洗所述待焊接头外表面的两侧各30mm的区域，所述金属箔的宽度为20mm且厚度为0.1mm~0.2mm，所述胶带的宽度为40mm。
4.根据权利要求1所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，在步骤二中，使用真空泵抽出所述封闭壳体内的空气，当所述封闭壳体内部的真空度降至10Pa时，停止抽真空，静置5分钟；向所述封闭壳体内部充入惰性气体，惰性气体压力达到1.00Х105Pa时停止充气，并静置5分钟；重复上述抽真空和充惰性气体洗涤过程3次~5次，测量所述封闭壳体内部气体露点，确保不得大于-35℃，否则继续重复上述洗涤过程。
5.根据权利要求4所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，在步骤二中，在所述封闭壳体的注油嘴处安装用于连接所述真空泵的真空阀，在所述封闭壳体的溢气孔处安装用于注入惰性气体的气体阀。
6.根据权利要求5所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，在步骤三中，拆除所述真空阀，持续向所述封闭壳体内部注入惰性气体，保证惰性气体压力在1.01Х105Pa~1.03Х105Pa之间；保证所述封闭壳体内部形成正压，打开所述通气孔，防止所述封闭壳体内部压力过高撕裂所述胶带；按照前期制定好的焊接次序，每次移除一条所述待焊接头上的所述胶带和所述金属箔，并采用确认的焊接参数，依次焊接所有的待焊接头。
7.根据权利要求6所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，在步骤三中，所述封闭壳体上设置有多个所述通气孔，保证所述封闭壳体内部形成正压，打开任何一个所述通气孔，防止所述封闭壳体内部压力过高撕裂所述胶带；当焊接最后一条所述待焊接头时，打开多个所述通气孔。
8.根据权利要求1所述的封闭壳体的焊接方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氮气或氦气，所述封闭壳体为钛合金壳体，所述金属箔为钛箔，所述胶带为纸胶带。
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