CN117583714A - 一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子束焊接技术领域，具体涉及一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接装置及方法，其包括步骤：基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区；分别在与装配区相匹配的真空舱室的装配端面、真空舱室的外表面焊接对接位置设置环形密封圈、直线密封圈，以形成两级叠加密封；沿焊接方向将工件焊接位置划分为有效焊接区、引束流区、收束流区及用于装配密封的密封区；采用动枪电子束沿焊接方向从引束流区起束流，然后焊接过渡到焊接有效区，再焊接到收束流区，完成焊接。该航空大型板形结构局部高真空电子束焊接装置及方法的目的是解决框梁板形结构局部高真空电子束焊静密封设计、工艺控制难度大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子束焊接技术领域，具体涉及一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接装置及方法。
背景技术
面对航空、航天等领域大型结构的焊接研制需求，受真空室尺寸限制影响，传统电子束焊接方式需不断扩建焊接设备，是一种高投入、高耗能、低通用的制造方案。
特别是航空大型板形结构单向尺寸长（宽度或长度）、焊缝长等特点，如长度4～8米、焊缝长度0.2～1.5米（宽度方向）的框梁结构，焊接位置在中部区域，无法采用常规尺寸的真空电子束焊接设备焊接。建造大型电子束焊接设备进行焊接研制，存在的缺点：设备真空室尺寸大，多位置易漏气，防真空泄漏难度大；真空系统复杂、功率大、耗能高，可达100～200kW；抽真空效率低，对于真空室体积80m3设备抽真空时间1～2h（焊接真空状态10-2Pa），上述板形结构真空室体积200m3抽真空时间更长；设备平台/转台、辅助装配结构大、重量大，需吊车等大型机械辅助装配，工艺试验灵活性差；受抽真空、装配等影响，焊接效率低，焊接循环次数不超过5次/日；建设成本高、维护成本高，大型化结构适应性差。
因此，发明人提供了一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接装置及方法。
发明内容
（1）要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接装置及方法，解决了框梁板形结构局部高真空电子束焊静密封设计、工艺控制难度大的技术问题。
（2）技术方案
本发明的第一方面提供了一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区；
分别在与所述装配区相匹配的真空舱室的装配端面、所述真空舱室的外表面焊接对接位置设置环形密封圈、直线密封圈，以形成两级叠加密封；
沿焊接方向将工件焊接位置划分为有效焊接区、引束流区、收束流区及用于装配密封的密封区；
采用动枪电子束沿所述焊接方向从所述引束流区起束流，然后焊接过渡到所述焊接有效区，再焊接到所述收束流区，完成焊接。
进一步地，与所述装配区相匹配的真空舱室，具体为：
当所述焊缝长度小于所述工件宽度时，将所述工件宽度作为所述真空舱室的宽度；或，
当所述焊缝长度等于所述工件宽度时，将所述工件宽度与设定值的和值作为所述真空舱室的宽度。
进一步地，所述基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区，具体为：
当所述焊缝长度小于所述工件宽度时，沿焊接长度方向在工件焊接位置的两端，对称预留第一工件余量区域，使焊接位置长度达到所述工件宽度；所述装配区的面积为所述工件宽度与所述真空舱室的长度的乘积。
进一步地，所述基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区，具体为：
当所述焊缝长度等于所述工件宽度时，沿焊接长度方向在工件焊接位置及其两侧设计装配所述真空舱室的区域，对称预留第二工件余量区域。
进一步地，所述分别在与所述装配区相匹配的真空舱室的装配端面、所述真空舱室的外表面焊接对接位置设置环形密封圈、直线密封圈，以形成两级叠加密封，具体为：
在所述真空舱室的装配端面开设第一密封槽，并在所述第一密封槽内布置所述环形密封圈进行静密封装配；
在所述真空舱室的外侧对应工件焊接位置的对接间隙位置开设与所述密封槽交叉的第二密封槽，并在所述第二密封槽内布置所述直线密封圈进行静密封装配。
进一步地，所述直线密封圈的长度大于工件厚度与两倍的密封槽高度之和。
进一步地，所述直线密封圈为O型密封圈或梯形密封圈。
进一步地，在所述引束流区的前端及所述收束流区的末端开设隔热通气槽。
进一步地，利用L型压板连接所述真空舱室的上真空舱室、下真空舱室，所述L型压板的水平部连接于所述上真空舱室的上端面，所述L型压板的竖直部连接于所述下真空舱室的侧端面。
本发明的第二方面提供了一种应用于上述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法的焊接装置，包括上真空舱室、下真空舱室和L型压板；所述上真空舱室及所述下真空舱室的装配端面均设有环形密封圈，所述上真空舱室及所述下真空舱室的外表面焊接对接位置均设有直线密封圈；所述L型压板的水平部连接于所述上真空舱室的上端面，所述L型压板的竖直部连接于所述下真空舱室的侧端面。
（3）有益效果
综上，本发明通过基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区，设计与装配区相匹配的上/下组合真空舱室，提高了结构刚性，抑制了真空压力变形，满足了装配面和密封面的连续性；利用环形密封结构、直线密封结构，实现真空舱室与工件平面、竖向焊接间隙位置的两级叠加密封，保证了密封的连续性，避免局部高真空漏气，提高结构的气密性。
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是航空领域典型的钛合金框梁板形结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种真空舱室的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种真空舱室中的上真空舱室的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种真空舱室的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种具有装配区的工件的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种真空舱室的密封结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种真空舱室的两级密封结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种焊接接头两端密封槽的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种带偏置放气槽的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种L型压板的结构主视图；
图12是本发明实施例提供的一种L型压板的结构左视图；
图13是本发明实施例提供的一种L型压板的装配结构示意图。
图中：
1-第一工件；101-止口；102-放气槽；2-第二工件；3-工件焊接位置；301-有效焊接区；302-引束流区；303-收束流区；304-密封区；305-隔热通气槽；306-第三密封槽；4-上真空舱室；5-下真空舱室；6-舱室装配面；7-电子枪；8-抽真空系统；9-工件装配区；10-第一密封槽；11-第二密封槽；12-环形密封圈；13-直线密封圈；14-L型压板；1401-第一连接孔；1402-第二连接孔。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图2是本发明实施例提供的一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
S100、基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区。
具体地，装配区的设计分为以下两种情况：
1）当焊缝（焊接位置）长度L1小于工件结构宽度B0，采用B0作为真空舱室宽度。考虑热传导影响，与工件长度对应的真空室长度L2设计为500～600mm。为了简化装配和密封，设计尺寸基本相同的上真空舱室4、下真空舱室5组合真空舱室，分别与第一工件1、第一工件2的上下表面装配，即采用上、下舱室方形壁厚截面作为装配面6与工件平面装配，提高结构装配气密性。电子枪7和抽真空系统8均装配在上真空舱室4。如图3、4所示。为了提高结构的刚性和抑制真空压力变形，上真空舱室4、下真空舱室5的壁厚不小于50mm。射线泄漏采用在外部装配铅皮和放置铅皮屏风，不计入真空室壁厚设计。为了满足装配面和密封面的连续性，沿焊接长度方向在工件焊接位置3的两端，对称补充预留焊接长度余量，使焊接位置长度达到工件宽度B0，余量部分作为密封和起束流段使用。以工件焊接位置3为中心，将试板上L2×B0区域作为装配区。
2）当焊缝（焊接位置）长度L1等于工件结构宽度B0，采用B0+200mm尺寸作为真空舱室宽度，而真空室长度L2仍设计为500～600mm；整体上仍采用上真空舱室4、下真空舱室5设计，以及舱室方形壁厚截面与工件平面装配设计。为了满足装配面和密封面的连续性，沿焊接长度方向在工件焊接位置3及其两侧设计装配真空舱室的区域，对称补充预留工件余量区域，即工件装配区9的尺寸不小于（B0+200）×（500～600）mm，包括密封、焊接区和起束流段使用，如图5、6所示。
S200、分别在与装配区相匹配的真空舱室的装配端面、真空舱室的外表面焊接对接位置设置环形密封圈、直线密封圈，以形成两级叠加密封。
具体地，在上、下舱室方形装配面6上设计第一密封槽10，如图7所示，并设计大断面密封的封闭O型密封圈或封闭梯形密封圈（即环形密封圈12）进行静密封装配，工件上下表面保持配合的平整度。考虑第一工件1、第二工件2之间焊接位置的对接间隙，在上真空舱室4、下真空舱室5外侧宽度中央对应焊接间隙位置，设计了与第一密封槽10垂直交叉的第二密封槽11两个（每侧1个），采用直线段的O型密封圈或梯形密封圈（即直线密封圈13）进行静密封装配。第一密封槽10、第二密封槽11具体可以为矩形结构，交叉密封形式如图8所示。直线密封圈13的长度大于工件厚度与两倍的第一密封槽10高度之和，同时第二密封槽11的长度比直线密封圈13长10～20mm。
在上真空舱室4、下真空舱室5装配面的第一密封槽10内布置封闭的环形密封圈12，在上真空舱室4、下真空舱室5的外表面焊接对接位置布置与环形密封圈12竖向交叉的直线密封圈13，通过在真空舱室与工件、焊接位置的两级叠加密封，保证了密封的连续性，避免局部高真空漏气，提高结构的气密性。
S300、沿焊接方向将工件焊接位置划分为有效焊接区、引束流区、收束流区及用于装配密封的密封区。
具体地，为了适应与上下真空舱室竖向直线密封、平面密封连续性，工件焊接位置3长度与上真空舱室4、下真空舱室5宽度一致，在焊接位置两侧端头设计凹槽作为第三密封槽306，与上真空舱室4、下真空舱室5的第二密封槽11贯通、连接为一体，用于装配直线密封圈，如图9所示。沿焊接长度方向划分为有效焊接区301、引束流区302、收束流区303、密封区304等四个区，分别用于焊缝长度L1焊接、引/收束流控制、装配密封，其中引束流区302、收束流区303在焊接的余量区。在引束流区302的前端及收束流区303的末端设计隔热通气槽305，既可降低和阻隔焊接热量向密封区的热传导，又可通过气槽散热，还提高了上下舱室的贯通性和真空状态一致性。第一工件1设计止口101替代焊接垫条，止口101设置在两个隔热通气槽305之间，止口101厚度δ1为工件焊接有效δ0的1/4～1/3，如图10所示，同时在止口101上设计偏置的放气槽102替代对中的放气槽，可实现结构排气和焊缝形状的调控。
S400、采用动枪电子束沿焊接方向从引束流区起束流，然后焊接过渡到焊接有效区，再焊接到收束流区，完成焊接。
具体地，对于工件的局部高真空焊接，实际的焊接装配是实现上真空舱室4、下真空舱室5与第一工件1、第二工件2的装配，还包括真空密封圈的装配。具体是将对接第一工件1、第二工件2装配在含第一密封圈10的下真空舱室5上，对中第一密封槽13进行工件位置调整，再通过密封槽13装配所述上真空舱室4。为了压紧上真空舱室4、下真空舱室5与工件间的密封圈，设计了两块L型压板14，如图11、12所示，其中，第一连接孔1401用于连接上真空舱室4；第二连接孔1402用于连接下真空舱室5。在真空舱室与工件装配的宽度两侧，通过L型压板14先螺栓连接与下真空舱室5的侧面，如图13所示，再连接上真空舱室4的顶部、随抽真空过程逐渐锁紧，不仅在竖直方向将真空舱室端面密封圈12压紧，而且可实现工件对接间隙位置侧面密封圈13的压紧装配，为两级密封提供压力装配条件，提高了平面密封、竖向直线密封的连续性。
本发明基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区，设计与装配区相匹配的上/下组合真空舱室，在真空舱室装配端面、工件焊接间隙位置分别设计方形环密封、竖向交叉直线密封等结构，实现真空舱室与工件平面、焊接间隙位置的两级叠加密封，提高了结构刚性，抑制了真空压力变形，满足了装配面和密封面的连续性，避免局部高真空漏气，提高结构的气密性；在焊接位置划分了有效焊接区、引束流区、收束流区、密封区等，在引束流区的前端、收束流区的末端设计了隔热通气槽，既降低焊接热量向密封区的热传导，又可通过气槽散热，还提高了上下舱室的贯通性和真空状态一致性，有利于焊接质量控制及结构的密封装配；设计了装配锁紧的L型压板14，依次与下真空舱室5、上真空舱室4锁紧连接，实现了竖直方向真空室与工件平面压紧密封装配以及焊接间隙侧面压紧密封装配，通过动枪电子束完成焊接。
图13是本发明实施例提供的一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接焊接装置的结构示意图，该焊接装置可以包括上真空舱室4、下真空舱室5和L型压板14；上真空舱室4及下真空舱室5的装配端面均设有环形密封圈12，上真空舱室4及下真空舱室5的外表面焊接对接位置均设有直线密封圈13。其中，L型压板14的水平部连接于上真空舱室4的上端面，L型压板14的竖直部连接于下真空舱室5的侧端面。
实施例1
以图1所示的钛合金板形工件结构为例，具体尺寸：长度L0为7m、宽度B0为300m，焊缝长度L1为300m、焊接厚度为160mm。
具体实施例如下：
（1）局部真空室设计：根据L1=B0，上、下真空方形舱室尺寸相同，宽度为500mm、长度为600mm、高度为200mm；
（2）工件余量设计：根据局部真空室尺寸设计，装配区尺寸设计为500mm×600mm。因此，在有效焊接区301的两端补充余量，余量区长度对称增加100mm至500mm，宽度对称增加300至600mm，形成装配凸台如图5、6所示。
（3）工件与真空舱室静密封设计：在上真空舱室4、下真空舱室5方形的装配面6上均设计第一密封槽10，如图7所示，采用O型环密封圈静密封装配，密封圈材质为硅橡胶、直径为20mm、周长为2040mm。在真空室外侧宽度中央对应焊接间隙位置，设计了直线段的O型密封圈，同样材质为硅橡胶、直径为20mm、长度220mm，对应密封槽长度230mm。
（4）焊接接头设计：在焊接位置两侧端头设计凹槽作为第三密封槽306，与上真空舱室4、下真空舱室5上开设的第二密封槽11贯通、连接为一体，用于装配直线密封圈13，如图9所示。沿焊接方向划分为有效焊接区301、引束流区302、收束流区303、密封区304等，长度分别为300mm、50mm、50mm。设于在引束流区302、收束流区303端部的隔热通气槽305的尺寸为100×10×160mm。第一工件1的止口101的尺寸为宽40mm×厚40mm，放气槽102的尺寸为宽5mm×深1.5mm。
（5）工件装配及焊接：设计L型压板14为高H1=510mm、L3=150mm、B1=120mm，δ2=30mm，螺纹孔直径18mm，如图11、12所示。通过L型压板14先螺栓连接下真空舱室5的侧面，再连接上真空舱室4的顶部，通过两侧的L型压板14装配真空室与工件，压紧真空室平面密封圈和侧面竖直直线密封圈。在真空度达到10-2Pa的条件下，采用动枪电子束焊接方法，加速电压150kV、焊接束流320mA、焊接速度3mm/s，沿长度方向从引束流区302起束流，然后逐渐焊接过渡到焊接有效区301，然后焊接到另一侧的收束流区303，完成焊接。
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 (10)
1.一种航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区；
分别在与所述装配区相匹配的真空舱室的装配端面、所述真空舱室的外表面焊接对接位置设置环形密封圈、直线密封圈，以形成两级叠加密封；
沿焊接方向将工件焊接位置划分为有效焊接区、引束流区、收束流区及用于装配密封的密封区；
采用动枪电子束沿所述焊接方向从所述引束流区起束流，然后焊接过渡到所述焊接有效区，再焊接到所述收束流区，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，与所述装配区相匹配的真空舱室，具体为：
当所述焊缝长度小于所述工件宽度时，将所述工件宽度作为所述真空舱室的宽度；或，
当所述焊缝长度等于所述工件宽度时，将所述工件宽度与设定值的和值作为所述真空舱室的宽度。
3.根据权利要求2所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，所述基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区，具体为：
当所述焊缝长度小于所述工件宽度时，沿焊接长度方向在工件焊接位置的两端，对称预留第一工件余量区域，使焊接位置长度达到所述工件宽度；所述装配区的面积为所述工件宽度与所述真空舱室的长度的乘积。
4.根据权利要求2所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，所述基于焊缝长度与工件宽度的对应关系，设置预留焊接余量的装配区，具体为：
当所述焊缝长度等于所述工件宽度时，沿焊接长度方向在工件焊接位置及其两侧设计装配所述真空舱室的区域，对称预留第二工件余量区域。
5.根据权利要求1所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，所述分别在与所述装配区相匹配的真空舱室的装配端面、所述真空舱室的外表面焊接对接位置设置环形密封圈、直线密封圈，以形成两级叠加密封，具体为：
在所述真空舱室的装配端面开设第一密封槽，并在所述第一密封槽内布置所述环形密封圈进行静密封装配；
在所述真空舱室的外侧对应工件焊接位置的对接间隙位置开设与所述密封槽交叉的第二密封槽，并在所述第二密封槽内布置所述直线密封圈进行静密封装配。
6.根据权利要求1或5所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，所述直线密封圈的长度大于工件厚度与两倍的密封槽高度之和。
7.根据权利要求5所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，所述直线密封圈为O型密封圈或梯形密封圈。
8.根据权利要求1所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，在所述引束流区的前端及所述收束流区的末端开设隔热通气槽。
9.根据权利要求1所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法，其特征在于，利用L型压板连接所述真空舱室的上真空舱室、下真空舱室，所述L型压板的水平部连接于所述上真空舱室的上端面，所述L型压板的竖直部连接于所述下真空舱室的侧端面。
10.一种应用如权利要求1-9中任一项所述的航空大型板形结构局部高真空电子束焊接方法的焊接装置，其特征在于，包括上真空舱室、下真空舱室和L型压板；所述上真空舱室及所述下真空舱室的装配端面均设有环形密封圈，所述上真空舱室及所述下真空舱室的外表面焊接对接位置均设有直线密封圈；所述L型压板的水平部连接于所述上真空舱室的上端面，所述L型压板的竖直部连接于所述下真空舱室的侧端面。
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