大厚度結構待焊工件及其焊接方法
2023-06-04 15:29:21
大厚度結構待焊工件及其焊接方法
【專利摘要】本發明提供了一種大厚度結構待焊工件及其焊接方法，其中，該待焊工件的引入端和引出端被設置為榫頭形結構，該焊接方法包括：將待焊工件的引入端和引出端設置成榫頭形結構；獲取與所述榫頭形結構的引入端相匹配的榫槽形結構的引入塊，製造與所述榫頭形結構的引出端相匹配的榫槽形結構的引出塊；將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端；在真空環境下，對裝配完的待焊工件進行焊接，得到帶有焊縫的工件。本發明實施例有利於實現焊接應力和變形的調控，提高了工藝的穩定性，使得焊接效果和焊縫質量更好。
【專利說明】大厚度結構待焊工件及其焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及大厚度結構的焊接方法【技術領域】，特別涉及一種大厚度結構待焊工件及其焊接方法。
【背景技術】
[0002]在大多數工程實踐的過程中，對於大厚度材料結構一般都需要通過整體化焊接的方式製造，一般焊接的厚度在30?150_，主要採用自動氬弧焊、潛弧焊、電子束焊接的方法進行焊接。對於大厚度材料結構，為了獲得更好的焊接質量，一般選用電子束焊接方法，為了保證縫成形和內部質量，一般在焊縫的起束流端和收束流端裝配同厚度同材質的引入塊(引弧塊)和引出塊(收弧塊)，並利用不鏽鋼夾具固定和氬弧焊點焊的方法將其固定到工件的兩端，具體的焊接方法和工裝形式如圖1和2所示。採用電子束點焊、封焊、焊接等完成大厚度材料結構的焊接，通過機加的方法將引入塊和引出塊去除，排除電流上升(起束流端)和下降(收束流端)階段的參數波動的影響。這種工藝方法廣泛應用於航空、航天、船舶、海洋探測、電力系統等領域基體承力構件和大型燃機組件的焊接製造。
[0003]然而，上述方法中夾具材料物理特性與焊接材料存在差異，固定約束較弱；另外，常規電子束焊接熱輸入大，存在形狀不均勻的釘形焊縫特徵，因此，導致焊接應力變形較大，易造成外形尺寸超差等問題，使得批量化生產的穩定性比較差，生產效率低，零件成本聞。
【發明內容】
[0004]本發明實施例提供了一種大厚度結構待焊工件，以達到提供工藝穩定性和降低成本的目的，該待焊工件的引入端和引出端被設置為榫頭形結構。
[0005]在一個實施例中，引入端和引出端的榫頭角度為30度到80度，榫頭寬度為1mm至Ij 15mm,禪頭長度為5mm到20mm。
[0006]本發明實施例提供了一種大厚度結構待焊工件的焊接方法，以達到提供工藝穩定性和降低成本的目的，該方法包括:
[0007]將待焊工件的引入端和引出端設置成榫頭形結構；
[0008]獲取與所述榫頭形結構的引入端相匹配的榫槽形結構的引入塊，製造與所述榫頭形結構的引出端相匹配的榫槽形結構的引出塊；
[0009]將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端；
[0010]在真空環境下，對裝配完的待焊工件進行焊接，得到帶有焊縫的工件。
[0011]在一個實施例中，所述引入端和引出端的榫頭角度為30度到80度，榫頭寬度為10mm到15mm,禪頭長度為5mm到20mm。
[0012]在一個實施例中，在真空環境下，對裝配完的待焊工件進行焊接，包括:
[0013]將裝配完的待焊工件置入真空環境中；
[0014]採用電子束掃描攪拌焊接方法，對準待焊工件的焊縫位置進行焊接。
[0015]在一個實施例中，對準待焊工件的焊縫位置進行焊接，包括:
[0016]將焊縫位置分為N段，其中，N為正整數；
[0017]對分為N段的焊縫，採用先焊兩端再焊中間、先焊冷端再焊熱端的方式進行分段定位焊接。
[0018]在一個實施例中，N大於等於5。
[0019]在一個實施例中，在將榫槽形結構的弓I入塊裝配到所述待焊工件的弓I入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端之前，上述方法還包括:
[0020]對所述待焊工件、引入塊和引出塊進行化學清洗或機械打磨，去除表面的氧化膜。[0021 ] 在一個實施例中，在將榫槽形結構的弓I入塊裝配到所述待焊工件的弓I入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端的過程中，保證引入塊與引出端、引出塊與引出端之間的配合間隙小於等於0.1_，階差小於0.2mm。
[0022]在一個實施例中，在對裝配完的待焊工件進行焊接，得到焊接工件之後，上述方法還包括:採用機加的方法去除工件兩端的引入端、引入塊、引出端和引出塊。
[0023]在本發明實施例中，將待焊工件的引入端和引出端都設置成了榫頭形結構，然後通過將與榫頭形結構相匹配的榫槽形結構與之配合，基於榫頭與榫槽的自鎖原理，使得工件可以自動實現鎖緊定位裝配，而無需採用現有技術中的工裝夾具進行定位裝配，減小了夾具約束力弱或者是過約束及變形的影響，本發明的方式有利於實現焊接應力和變形的調控，提高了工藝的穩定性，使得焊接效果和焊縫質量更好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明的限定。在附圖中:
[0025]圖1是現有技術中大厚度結構待焊工件的定位裝配示意圖；
[0026]圖2是現有技術中大厚度結構待焊工件的焊接示意圖；
[0027]圖3是本發明實施例的大厚度結構待焊工件的立體結構示意圖；
[0028]圖4是本發明實施例的大厚度結構待焊工件的平面結構示意圖；
[0029]圖5是本發明實施例的對大厚度結構待焊工件進行焊接的方法流程圖；
[0030]圖6是本發明實施例的分段定位焊示意圖；
[0031]圖7是本發明實施例的榫槽立體結構示意圖；
[0032]圖8是本發明實施例的榫槽平面結構示意圖；
[0033]圖9是本發明實施例的待焊工件的裝配示意圖；
[0034]圖10是本發明實施例的電子束掃描攪拌電子流向示意圖；
[0035]圖11是本發明實施例的電子束掃描攪拌示意圖；
[0036]圖12是本發明實施例的榫頭結構及參數示意圖；
[0037]圖13是本發明實施例的榫槽結構及參數示意圖；
[0038]圖14是本發明實施例的焊縫剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0039]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施方式和附圖，對本發明做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施方式及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
[0040]在本例中，提供了一種大厚度結構待焊工件，所謂的大厚度結構就是焊接厚度大於等於30_的結構，如圖3和圖4所示，待焊工件的引入端和引出端設置是榫頭形結構，在圖3和圖4中，L3、L4、Θ等是表徵榫頭尺寸的物理量，分別表示榫頭寬度、榫頭長度和榫頭角度，這些參數可以根據焊縫長度L1、工件半寬L2確定，例如:L3可以選定為1mm?15mm，L4可以選定為5mm?20mm, Θ可以選定為30度?80度。
[0041]基於上述大厚度結構待焊工件，在本例中，還提供了一種對大厚度結構待焊工件進行焊接的方法，如圖5所示，包括以下步驟:
[0042]步驟501:將待焊工件的引入端和引出端設置成榫頭形結構；
[0043]步驟502:獲取與所述榫頭形結構的引入端相匹配的榫槽形結構的引入塊，製造與所述榫頭形結構的引出端相匹配的榫槽形結構的引出塊；
[0044]步驟503:將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端；
[0045]步驟504:在真空環境下，對裝配完的待焊工件進行焊接，得到帶有焊縫的工件。
[0046]在本例中，將待焊工件的引入端和引出端都設置成了榫頭形結構，然後通過將與榫頭形結構相匹配的榫槽形結構與之配合，基於榫頭與榫槽的自鎖原理，使得工件可以自動實現鎖緊定位裝配，而無需採用現有技術中的工裝夾具進行定位裝配，減小了夾具約束力弱或者是過約束及變形的影響，本發明的方式有利於實現焊接應力和變形的調控，提高了工藝的穩定性，使得焊接效果和焊縫質量更好。
[0047]具體實施時，上述引入端和引出端的榫頭角度可以選取為30度到80度，榫頭寬度可以選取為1mm到15mm，榫頭長度可以選取為5mm到20mm，然而值得注意的是，上述寬度、長度和角度等設定僅是為了更好地說明本發明，在實際運用中，還可以根據需要選定其它的寬度、長度和角度，本申請對此不做限定。
[0048]考慮到焊縫改善焊縫成形效果和成形質量，在本例中，選擇通過電子束掃描攪拌焊接方法進行焊接。
[0049]為了降低焊接變形，考慮減少焊接熱輸入，可以採用分段、對稱定位焊的方式來取代傳統的點焊和封焊，具體的，將焊縫位置分為N段，其中，N為正整數；對分為N段的焊縫，採用先焊兩端再焊中間、先焊冷端再焊熱端的方式進行分段定位焊接。如圖6所示，分段定位焊每段間隙長度為10到30mm，每段焊縫寬度為5到15mm，熔深為1/6H到1/2H，根據焊縫長短，確定分段的定位焊的段數，例如將其分為5段，採用先焊兩端再焊中間，先焊冷端再焊熱端的方式，可以有效避免由於後續焊接熱應力而導致的焊縫變形、撕裂的問題，從而降低了焊接變形的可能性，如圖6所示，就可以按照I — 2 — 3 — 4 — 5的順序進行焊接。
[0050]在實施的過程中，在將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端之前，還可以包括:對待焊工件、引入塊和引出塊進行化學清洗或機械打磨，去除表面的氧化膜，從而保證焊接的效果。在焊接完成後，就可以採用機加的方法去除工件兩端的引入端、引入塊、引出端和引出塊，從而得到所需的工件。
[0051]下面結合一個具體實施例進行說明，然而值得注意的是，該具體實施例僅是為了更好地說明本發明，並不構成對本發明的不當限定。
[0052]考慮到目前在航空、船舶、電力系統領域，大厚度構件主要採用傳統的引入/引出塊和夾具裝配定位及焊接方法製造，結構設計簡單，易於實現，然而受到零件結構形式的限制，在批量化生產的需求，傳統的方法還存在以下幾個問題:
[0053]I)設計製造輔助工藝塊(即，引入/引出塊)、焊接夾具及工件，配合位置的平行度、垂直度、間隙、階差等尺寸精度要求高，工作量大；
[0054]2)採用引入/引出塊、工件及夾具的配合面間組裝式裝配，僅採用夾具約束、結構無自約束，使得裝配調整的工作量大；
[0055]3)夾具與工件材料的熱物理參數存在差異，導致了對工件夾緊定位的約束力不強，不利於焊接變形及應力的控制；
[0056]4)這種多接觸面的組裝式定位裝配，易造成焊接間隙、階差等超差，影響工藝穩定性和焊接質量；
[0057]5)常規的電子束焊接的工序較多,熱輸入較大,焊接應力變形較大；
[0058]6)焊縫形貌以釘形為主，平行段較短，不利於缺陷及變形控制。
[0059]為了解決上述問題，在本例中提供了一種大厚度結構件的電子束焊接快速裝配及焊接方法，該例中的電子束焊接裝配是基於自鎖原理的，通過設計帶榫槽形式的引入/引出塊及帶榫頭形式的工件結構，將其鎖緊定位裝配，摒棄了傳統的工裝夾具、氬弧焊點焊等定位裝配，進一步的，基於降低焊接熱輸入的考慮，採取分段、對稱的定位焊取代傳統的點焊和封焊工序，採用掃描攪拌電子束焊接改善焊縫成形和質量。這種裝配方法結構設計新穎，減小了夾具拘束力弱、過渡約束及變形等影響，有利於焊接應力和變形的調控，保證了焊接間隙、階差等裝配精度，提高了工藝的穩定性。同時，簡化了焊接工藝，提高了焊接質量，有利於批量生產。具體包括:
[0060]步驟1:在工件焊接位置的引入/引出端，設計製造如圖3和圖4所示的榫頭形結構，其中L3、L4、Θ等是表徵榫頭尺寸的物理量，分別表示榫頭寬度、榫頭長度和榫頭角度，這些參數可以根據焊縫長度L1、工件半寬L2確定，例如:L3推薦選取10?15mm，L4推薦選取5?20mm，Θ推薦選取30?80度，H表示工件的厚度；
[0061]步驟2:與工件榫頭結構相匹配，在引入/引出塊上如圖7和圖8所示的加工榫槽結構，其中，L5是L3的2倍。引入/引出塊與工件榫頭結構等厚，配合間隙彡0.1Omm,階差(0.2mm。L6為引入/引出塊長度，可以選取40?60mm，L7為引入/引出塊寬度，可以選取 40 ?60mm。
[0062]步驟3:對工件及引入/引出塊進行化學清洗或機械打磨等表面清理，去除表面氧化膜；
[0063]步驟4:通過榫頭和榫槽結構，如圖9的方式將引入/引出塊裝配到工件兩端，保證配合間隙< 0.10mm，階差< 0.2mm，然後將其放入真空室準備焊接；
[0064]步驟5:為了降低焊接變形的可能性，可以減少焊接熱輸入，在本例中採取分段、對稱定位焊方式進行焊接。如圖6所示，分段定位焊每段焊縫長度可以設定為10?30mm，每段焊縫寬度可以設定為5?15mm，熔深為1/6H?1/2H ;根據焊縫長短，確定分段定位焊的段數，一般選取至少5段以上，間隔20?50mm，如圖7所示，對稱定位焊的順序為I — 2 — 3 — 4 — 5，即:先焊兩端，再焊中間，先冷端再熱端。通過分段定位焊的方式不僅起到了定位作用，而且保證了足夠的強度，避免了由於後續焊接熱應力而導致的焊縫變形、撕裂，從而降低了焊接變形的問題。
[0065]步驟6:在本例中，採用電子束掃描攪拌焊接方法進行焊接，如圖10和11所示，在焊接過程中利用掃描線圈的磁場控制和磁力效應，實現電子束的高速、動態偏擺掃描運動，增加對熔池金屬的攪拌作用，提高了能量輸入的均勻性和穩定性，有利於改善焊縫的形貌，獲得平行焊縫。在圖10和11中，I表示線圈，2表示電子束，3表示偏擺運動，4表示掃描軌跡,5表示熔池,6表示匙孔,7表示熔池攪拌。具體的,選取的掃描參數可以是:掃描軌跡形式推薦採用圓形、橢圓形，幅值設定在0.1?3mm範圍內，頻率推薦選取100?100Hz ;在選取好掃描參數後就可以調整加速電壓、束流、聚焦電流及焊接速度等主工藝參數，啟動掃描參數，進行掃描攪拌焊接。
[0066]在本例中，引入了榫頭和榫槽形式的自鎖結構，加強了焊接位置的定位、裝配、約束，提高了焊接裝配的精度，降低了焊接間隙等誤差，通過自鎖結構裝配結構，減少了焊接工裝夾具，降低了成本和費用，便於實現無模、快速響應製造，進一步的，簡化了焊接工藝，降低了焊接熱輸入，降低了焊接應力，減小了變形的可能性，採用掃描攪拌焊接方法，提高了工藝的穩定性，提高了焊接質量，便於批量生產。
[0067]下面結合一個具體實施例進行說明，在本例中以大厚度鈦合金電子束平板對接作為實施例，具體實現過程包括:
[0068]步驟1:採用如圖12所示的50mm厚度的焊接試板加工榫頭形結構。
[0069]步驟2:與榫頭相匹配，在引入/引出塊上加工如圖13所示的榫槽。
[0070]步驟3:採用鋼絲刷機械打磨進行焊接位置表面清理。
[0071]步驟4:將引入/引出塊的榫槽與試板的榫頭定位裝配。
[0072]步驟5:將焊接結構放入真空室中，抽真空至5xlO_2Pa以下，對中焊縫。
[0073]步驟6:將加速電壓加至150kV，調整聚焦電流至2491mA，採用8mm/s焊速、30mA束流進行分段定位焊。每段焊縫長度25mm，焊縫寬度6mm，分5段焊接，焊接順序為如圖6所示的 I — 2 — 3 — 4 — 5。
[0074]步驟7:設置圓形掃描軌跡，幅值為0.4mm，頻率200Hz，調整束流至65mA，聚焦電流2471mA等主工藝參數，採用8mm/s焊速進行掃描攪拌焊接。
[0075]步驟8:完成焊接後，關閉高壓。真空室放氣，打開真空室，取出焊接工件。
[0076]步驟9:進行X光探傷檢查，焊縫質量滿足HB/Z 198-2011標準I級，無超標氣孔等缺陷；試板焊接變形小於0.5mmο切取焊接接頭試樣效果如圖14所示,焊縫熔深50mm,熔寬 7 mm η
[0077]從以上的描述中，可以看出，本發明實施例實現了如下技術效果:將待焊工件的引入端和引出端都設置成了榫頭形結構，然後通過將與榫頭形結構相匹配的榫槽形結構與之配合，基於榫頭與榫槽的自鎖原理，使得工件可以自動實現鎖緊定位裝配，而無需採用現有技術中的工裝夾具進行定位裝配，減小了夾具約束力弱或者是過約束及變形的影響，本發明的方式有利於實現焊接應力和變形的調控，提高了工藝的穩定性，使得焊接效果和焊縫質量更好。
[0078]顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明實施例的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，並且在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明實施例不限制於任何特定的硬體和軟體結合。
[0079]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明實施例可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種大厚度結構待焊工件，其特徵在於:待焊工件的引入端和引出端被設置為榫頭形結構。
2.如權利要求1所述的大厚度結構待焊工件，其特徵在於，所述引入端和引出端的榫頭角度為30度到80度，榫頭寬度為1mm到15臟，榫頭長度為5mm到20mm。
3.一種對大厚度結構待焊工件進行焊接的方法，其特徵在於，包括: 將待焊工件的引入端和引出端設置成榫頭形結構； 獲取與所述榫頭形結構的引入端相匹配的榫槽形結構的引入塊，製造與所述榫頭形結構的引出端相匹配的榫槽形結構的引出塊； 將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端； 在真空環境下，對裝配完的待焊工件進行焊接，得到帶有焊縫的工件。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述引入端和引出端的榫頭角度為30度到80度，禪頭寬度為1mm到15mm,禪頭長度為5mm到20mm。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在真空環境下，對裝配完的待焊工件進行焊接，包括: 將裝配完的待焊工件置入真空環境中； 採用電子束掃描攪拌焊接方法，對準待焊工件的焊縫位置進行焊接。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，對準待焊工件的焊縫位置進行焊接，包括: 將焊縫位置分為N段，其中，N為正整數； 對分為N段的焊縫，採用先焊兩端再焊中間、先焊冷端再焊熱端的方式進行分段定位焊接。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，N大於等於5。
8.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端之前，所述方法還包括: 對所述待焊工件、引入塊和引出塊進行化學清洗或機械打磨，去除表面的氧化膜。
9.如權利要求3至8中任一項所述的方法，其特徵在於，在將榫槽形結構的引入塊裝配到所述待焊工件的引入端，將榫槽形結構的引出塊裝配到所述待焊工件的引出端的過程中，保證引入塊與引出端、引出塊與引出端之間的配合間隙小於等於0.1mm，階差小於0.2mmο
10.如權利要求3至8中任一項所述的方法，其特徵在於，在對裝配完的待焊工件進行焊接，得到焊接工件之後，所述方法還包括: 採用機加的方法去除工件兩端的引入端、引入塊、引出端和引出塊。
【文檔編號】B23K33/00GK104289822SQ201410514029
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月29日 優先權日:2014年9月29日
【發明者】毛智勇, 付鵬飛, 唐振雲, 王西昌, 劉昕, 吳冰 申請人:中國航空工業集團公司北京航空製造工程研究所