CN110977170A - 一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法，属于集气罩焊接技术领域，包括以下步骤：步骤1，焊接结构设计；步骤2，集气罩1单件加工；步骤3，集气罩1焊接；步骤2.6所述集气罩热定型工装包括型胎5、压环6、销钉7、楔块8、吊挂9，所述型胎5内表面焊接有吊挂9，所述型胎5顶部安装有压环6，压环6顶部沿周向均匀设置有楔块8，且楔块8与压环6的通孔一一对应，所述销钉7依次穿过楔块8、压环6将压环6与型胎5固定。本发明通过对焊接结构的设计、集气罩热定型工装的设计及工艺改进、焊接工艺改进，降低了焊接残余应力、减少焊接变形，提高零件质量。
Description
技术领域
本发明属于集气罩焊接技术领域，具体涉及一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法。
背景技术
薄壁机匣由内环、外环、支板、集气罩、安装座等零件经过焊接而成，焊缝数量多，变形大，尤其是集气罩部位，集气罩与外环通过两条环焊缝焊接而成，两条环焊缝的长度分别为2.934m、3.045m，现有通常采用氩弧焊进行焊接，对于钛合金大型薄壁机匣结构零件，采用氩弧焊焊接，焊缝长度长，变形非常大，尺寸超差严重，残余应力大，焊接保护效果不好，严重影响零件的质量。
发明内容
本发明通过对集气罩与外环焊接结构设计、集气罩单件工艺改进、焊接工艺方法改进，实现了薄壁机匣集气罩的电子束焊接，充分发挥了电子束焊接功率密度高，焊件热输入低，焊件变形小的特点，同时由于在真空条件下焊接，纯洁度高，可以有效避免由于焊缝氧化而造成的质量问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，焊接结构设计：电子束焊接间隙要求不大于0.1mm，焊前错位要求不大于0.1mm，且需同时兼顾前期外环与支板焊接产生的变形量，将原来的氩弧焊带破口的接头形式，改为对接接头形式，同时预留一定的焊接变形量；原来氩弧焊结构开60°V形坡口，装配间隙0.5mm，现在改成不开坡口，并在原径向增加余量，在支板与外环、内环焊接完成后进行组合加工；
步骤2，集气罩单件加工：
步骤2.1，采用平面激光设备，将板材按草图下料，首件按草图检查尺寸，若首件检查合格，激光切割其余的零件；若首件检查不合格，通过修正激光切割程序，直至合格；
步骤2.2，去除重熔层，余量不小于0.1mm，去掉条料周边毛刺；
步骤2.3，按草图尺寸在三轴滚床上滚弯；
步骤2.4，将切割后的零件放到酸洗槽液中进行酸洗，以去除氧化皮及附着物，酸洗后的零件采用压缩空气吹干，并在120小时以内完成焊接，超期未焊接的重新放入酸洗槽内进行酸洗或采用机械方法进行清理，机械方法为采用刷子刷零件表面或用刮刀刮零件表面；
步骤2.5，焊前用酒精擦净待焊处和焊丝，按草图进行自动氩弧焊焊接；焊接时采用正反面氩气保护，允许不添加焊料；
步骤2.6，将零件装到集气罩热定型工装夹具上，用丙酮将零件及夹具暴露的表面清理干净，晾干或者吹干后放入真空炉，严禁赤手触摸；加热前及加热过程中真空炉的真空室内压强应不大于0.067Pa；将真空炉加热至750±10℃，保温处理，随炉冷却至500℃，然后充0.2-0.4Mpa的氩气冷却至80℃以下出炉；
步骤2.7，集气罩热定型后进行车端面工序，胎具与压环在
处定位，先车加工至小端直径，在车大端至轴向高度；
步骤2.8，按图所示位置镗孔，保证尺寸；
步骤2.9，按着草图角度尺寸示意的刻线位置线切割零件，加工前将钼丝与刻线对其并目视检查，每个整环切割4个扇段；
步骤2.10，去除零件表面线切割重熔层；零件表面无磕碰、划、压伤，打磨的焊缝保证内外表面平齐，所有切口与焊缝型孔不得重合；集气罩加工完成；
步骤3，集气罩焊接：
步骤3.1，用白棉布蘸取丙酮仔细擦拭集气罩、外环及参数验证试片焊缝接头处，使其表面无油污、粉尘、赃物、油脂或其他异物；对夹具进行清理，使其表面无油污、油漆、锈斑、易熔金属的污染物质；
步骤3.2，集气罩与外环通过氩弧焊进行定位焊，保证装配间隙不大于0.1mm，错位不大于0.1mm；
步骤3.3，将参数验证试片固定在支架上，调整支架高度，保证参数验证试片高度和集气罩与外环焊缝处高度一致，抽真空处理，抽至压强低于4.0×10-4mbar，调整参数验证试片位置，使焦点对准焊缝，对焊缝进行对中扫描，确认无误后，调整焊接程序，按集气罩电子束焊工艺参数进行焊接参数验证试验；如参数验证不合格，通过排除人为干扰因素和设备干扰因素重新对集气罩电子束焊工艺参数进行验证，直至合格；
步骤3.4，将焊接工装安装到KIP620C转盘上，并调整固定；将集气罩与外环组合件安装到工装上，调整并压紧固定，使两者接触面间间隙不超过0.1mm，将B轴调整至90°，送入真空室；
步骤3.5，再次抽真空处理，抽至压强低于4.0×10-4mbar，调整集气罩与外环组合件位置，使焦点对准焊缝，按表格中验证合格的参数进行焊接，焊接完成后，保持真空至少5min，再向真空室充气；
步骤3.6，取出进气机匣零件，按标准对焊缝进行表面质量检查，a：焊缝表面应光洁，并圆滑过渡到母材上，不应有裂纹、未熔合、烧伤、烧穿、切口焊缝的缺陷；b：焊缝表面颜色应为银白色或淡黄色，试片表面熏镀的颜色允许存在，表面气孔直径不大于0.30mm，气孔深度不大于0.4mm，气孔间距离不小于最大气孔直径的3倍，在100mm长焊缝上，累计长度不大于1.6mm，半径不大于1.5mm、深度不大于0.12mm的咬边允许存在，凹坑深度不大于0.12mm，在100mm长度焊缝上，单个凹坑累计长度不大于15.0mm，表面应圆滑过渡，塌陷深度不大于0.12mm，表面应和母材圆滑过渡；焊缝正面宽度不小于2.0mm，焊缝正面余高不大于0.30mm，焊后错位小于0.12mm；焊后零件经过目视及着色检查，未发现超标缺陷，满足设计图纸要求。
步骤2.6所述集气罩热定型工装包括型胎、压环、销钉、楔块、吊挂，所述型胎内表面焊接有吊挂，所述型胎顶部安装有压环，压环顶部沿周向均匀设置有楔块，且楔块与压环的通孔一一对应，所述销钉依次穿过楔块、压环将压环与型胎固定。
本发明的有益效果为：
本发明通过对焊接结构的设计、集气罩热定型工装的设计及工艺改进、焊接工艺改进，降低了焊接残余应力、减少焊接变形，提高零件质量。
本发明已应用于薄壁机匣集气罩零件的焊接，焊接后的零件有效减少焊接变形，提高薄壁机匣的制造符合性，此种焊接结构和方法可以推广到类似结构零件的生产，具有非常广阔的应用推广价值。
采用本发明对薄壁机匣集气罩的电子束焊接，有效地减少了焊接变形，降低大修发动机换件率，每年可节省制造费用达850万元，对于其它在研型号，可减少研制周期和费用投入，预估整个研制到设计定型周期内节省研制费用可达千万以上。
附图说明
图1为薄壁机匣结构示意图；
图2为薄壁机匣集气罩与外环配合结构示意图；
图3为图2薄壁机匣集气罩与外环配合结构T1处放大示意图；
图4为图2薄壁机匣集气罩与外环配合结构T2处放大示意图；
图5为薄壁机匣组合加工前余量图；
图6为集气罩热定型工装示意图；
图7为激光下料图；
图8为条料示意图；
图9为条料滚弯后示意图；
图10为自动氩弧焊焊接示意图；
图11为镗孔示意图；
图12为焊接后零件表面质量图；
1-集气罩，2-外环，3-支架，4-内环，5-型胎，6-压环，7-销钉，8-楔块，9-吊挂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法，包括以下步骤：
步骤1，焊接结构设计：电子束焊接间隙为0.1mm，焊前错位为0.1mm，且需同时兼顾前期外环2与支板焊接产生的变形量，将原来的氩弧焊带破口的接头形式，改为对接接头形式，同时预留一定的焊接变形量；原来氩弧焊结构开60°V形坡口，装配间隙0.5mm，现在改成不开坡口，原径向增加1mm余量，在支板与外环2、内环4焊接完成后进行组合加工；薄壁机匣在外环2电子束焊、固定支板与内环4氩弧焊后，集气罩1装配机匣凸台发生变形，表现为凸台大端和小端直径减少，向内收缩，大端直径Dmin968.939mm(970±0.1)、小端直径Dmin932.958mm(934.4±0.1)，大端凸台向小端倾斜Lmin155.516mm(156.5)；因此，需进行组合加工保证装配间隙和错边量；根据变形数据，确定组合加工前余量大端凸台972±0.1mm，小端凸台936.4±0.1，如图1至图5所示；
步骤2，集气罩1单件加工：为满足电子束焊接结构，保证装配间隙，提高单件的加工精度，将集气罩1按下面工序进行加工；
步骤2.1，采用HYPECUT-3015平面激光设备，将板材按草图下料，如图7所示，首件按草图检查尺寸，若首件检查合格，激光切割其余的零件；若首件检查不合格，通过修正激光切割程序，直至合格；
步骤2.2，去除重熔层，余量为0.15mm，去掉条料周边毛刺，如图8所示；
步骤2.3，按草图尺寸在三轴滚床上滚弯，如图9所示；
步骤2.4，将切割后的零件放到酸洗槽液中进行酸洗，以去除氧化皮及附着物，酸洗后的零件采用压缩空气吹干，并在120小时以内完成焊接，超期未焊接的重新放入酸洗槽内进行酸洗或采用机械方法进行清理，机械方法为采用刷子刷零件表面或用刮刀刮零件表面；
步骤2.5，焊前用酒精擦净待焊处和焊丝，按草图进行自动氩弧焊焊接；焊接时采用正反面氩气保护，允许不添加焊料，如图10所示；
步骤2.6，将集气罩装到集气罩热定型工装夹具上，具体为首先将集气罩放置于集气罩热定型工装的型胎上，其次用压环压紧，最后通过销钉及楔块进行固定；用丙酮将零件及夹具暴露的表面清理干净，晾干或者吹干后放入真空炉，严禁赤手触摸；加热前及加热过程中真空炉的真空室内压强应为0.067Pa；将真空炉加热至760℃，保温2小时，随炉冷却至500℃，然后充0.3Mpa的氩气冷却至80℃出炉；原有的集气罩1采用滚弯直接成型，通过增加集气罩1热定型工装使其圆度满足电子束焊接要求；热定型后焊缝处定型效果仍较为明显，整体圆度较好；
步骤2.7，集气罩1热定型后进行车端面工序，胎具与压环6在
处定位，先车加工至小端直径，在车大端至轴向高度，确保集气罩1轴向高度沿大小端各增加1mm；间接保证大端直径，考虑到后期配合电子束焊接工艺，并适配现有车加工工装；
步骤2.8，按图11所示位置镗孔，保证尺寸；
步骤2.9，按着草图角度尺寸示意的刻线位置线切割零件，加工前将钼丝与刻线对其并目视检查，每个整环切割4个扇段；
步骤2.10，去除零件表面线切割重熔层；零件表面无磕碰、划、压伤，打磨的焊缝保证内外表面平齐，所有切口与焊缝型孔不得重合；集气罩1加工完成；
步骤3，集气罩1焊接：
步骤3.1，用白棉布蘸取丙酮仔细擦拭集气罩1、外环2及参数验证试片焊缝接头处，使其表面无油污、粉尘、赃物、油脂或其他异物；对夹具进行清理，使其表面无油污、油漆、锈斑、易熔金属的污染物质；
步骤3.2，集气罩1与外环2通过氩弧焊进行定位焊，保证装配间隙为0.1mm，错位为0.1mm；
步骤3.3，将参数验证试片固定在支架3上，调整支架3高度，保证参数验证试片高度和集气罩1与外环2焊缝处高度一致，抽真空处理，抽至压强为4.0×10-4mbar，调整参数验证试片位置，使焦点对准焊缝，对焊缝进行对中扫描，确认无误后，调整焊接程序，按表1中的参数进行焊接参数验证试验；如参数验证不合格，通过排除人为干扰因素和设备干扰因素重新对表1中的参数进行验证，直至合格；
表1集气罩电子束焊工艺参数
步骤3.4，将焊接工装安装到KIP620C转盘上，并调整固定；将集气罩1与外环2组合件安装到工装上，调整并压紧固定，使两者接触面间间隙为0.1mm，将B轴调整至90°，送入真空室；
步骤3.5，再次抽真空处理，抽至压强为4.0×10-4mbar，调整集气罩1与外环2组合件位置，使焦点对准焊缝，按表格中验证合格的参数进行焊接，焊接完成后，保持真空时间为5min，再向真空室充气；
步骤3.6，取出进气机匣零件，按标准对焊缝进行表面质量检查，a：焊缝表面应光洁，并圆滑过渡到母材上，不应有裂纹、未熔合、烧伤、烧穿、切口焊缝的缺陷；b：焊缝表面颜色应为银白色或淡黄色，试片表面熏镀的颜色允许存在，表面气孔直径不大于0.30mm，气孔深度不大于0.4mm，气孔间距离不小于最大气孔直径的3倍，在100mm长焊缝上，累计长度不大于1.6mm，半径不大于1.5mm、深度不大于0.12mm的咬边允许存在，凹坑深度不大于0.12mm，在100mm长度焊缝上，单个凹坑累计长度不大于15.0mm，表面应圆滑过渡，塌陷深度不大于0.12mm，表面应和母材圆滑过渡；焊缝正面宽度不小于2.0mm，焊缝正面余高不大于0.30mm，焊后错位小于0.12mm；焊后零件经过目视及着色检查，未发现超标缺陷，满足设计图纸要求；采用确定的焊接参数焊接零件，焊后焊缝表面成形良好，利用中压焊接工艺参数，背面飞溅得到有效控制，焊后零件表面质量如图12所示。
步骤2.6所述集气罩热定型工装包括型胎5、压环6、销钉7、楔块8、吊挂9，所述型胎5内表面焊接有吊挂9，所述型胎5顶部安装有压环6，压环6顶部沿周向均匀设置有楔块8，且楔块8与压环6的通孔一一对应，所述销钉7依次穿过楔块8、压环6将压环6与型胎5固定，如图6所示。
Claims (2)
1.一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，焊接结构设计：电子束焊接间隙要求不大于0.1mm，焊前错位要求不大于0.1mm，且需同时兼顾前期外环与支板焊接产生的变形量，将原来的氩弧焊带破口的接头形式，改为对接接头形式，同时预留一定的焊接变形量；原来氩弧焊结构开60°V形坡口，装配间隙0.5mm，现在改成不开坡口，并在原径向增加余量，在支板与外环、内环焊接完成后进行组合加工；
步骤2，集气罩单件加工：
步骤2.1，采用平面激光设备，将板材按草图下料，首件按草图检查尺寸，若首件检查合格，激光切割其余的零件；若首件检查不合格，通过修正激光切割程序，直至合格；
步骤2.2，去除重熔层，余量不小于0.1mm，去掉条料周边毛刺；
步骤2.3，按草图尺寸在三轴滚床上滚弯；
步骤2.4，将切割后的零件放到酸洗槽液中进行酸洗，以去除氧化皮及附着物，酸洗后的零件采用压缩空气吹干，并在120小时以内完成焊接，超期未焊接的重新放入酸洗槽内进行酸洗或采用机械方法进行清理，机械方法为采用刷子刷零件表面或用刮刀刮零件表面；
步骤2.5，焊前用酒精擦净待焊处和焊丝，按草图进行自动氩弧焊焊接；焊接时采用正反面氩气保护，允许不添加焊料；
步骤2.6，将零件装到集气罩热定型工装夹具上，用丙酮将零件及夹具暴露的表面清理干净，晾干或者吹干后放入真空炉，严禁赤手触摸；加热前及加热过程中真空炉的真空室内压强应不大于0.067Pa；将真空炉加热至750±10℃，保温处理，随炉冷却至500℃，然后充0.2-0.4Mpa的氩气冷却至80℃以下出炉；
步骤2.7，集气罩热定型后进行车端面工序，胎具与压环在
处定位，先车加工至小端直径，在车大端至轴向高度；
步骤2.8，按图所示位置镗孔，保证尺寸；
步骤2.9，按着草图角度尺寸示意的刻线位置线切割零件，加工前将钼丝与刻线对其并目视检查，每个整环切割4个扇段；
步骤2.10，去除零件表面线切割重熔层；零件表面无磕碰、划、压伤，打磨的焊缝保证内外表面平齐，所有切口与焊缝型孔不得重合；集气罩加工完成；
步骤3，集气罩焊接：
步骤3.1，用白棉布蘸取丙酮仔细擦拭集气罩、外环及参数验证试片焊缝接头处，使其表面无油污、粉尘、赃物、油脂或其他异物；对夹具进行清理，使其表面无油污、油漆、锈斑、易熔金属的污染物质；
步骤3.2，集气罩与外环通过氩弧焊进行定位焊，保证装配间隙不大于0.1mm，错位不大于0.1mm；
步骤3.3，将参数验证试片固定在支架上，调整支架高度，保证参数验证试片高度和集气罩与外环焊缝处高度一致，抽真空处理，抽至压强低于4.0×10-4mbar，调整参数验证试片位置，使焦点对准焊缝，对焊缝进行对中扫描，确认无误后，调整焊接程序，按集气罩电子束焊工艺参数进行焊接参数验证试验；如参数验证不合格，通过排除人为干扰因素和设备干扰因素重新对集气罩电子束焊工艺参数进行验证，直至合格；
步骤3.4，将焊接工装安装到KIP620C转盘上，并调整固定；将集气罩与外环组合件安装到工装上，调整并压紧固定，使两者接触面间间隙不超过0.1mm，将B轴调整至90°，送入真空室；
步骤3.5，再次抽真空处理，抽至压强低于4.0×10-4mbar，调整集气罩与外环组合件位置，使焦点对准焊缝，按表格中验证合格的参数进行焊接，焊接完成后，保持真空至少5min，再向真空室充气；
步骤3.6，取出进气机匣零件，按标准对焊缝进行表面质量检查，a：焊缝表面应光洁，并圆滑过渡到母材上，不应有裂纹、未熔合、烧伤、烧穿、切口焊缝的缺陷；b：焊缝表面颜色应为银白色或淡黄色，试片表面熏镀的颜色允许存在，表面气孔直径不大于0.30mm，气孔深度不大于0.4mm，气孔间距离不小于最大气孔直径的3倍，在100mm长焊缝上，累计长度不大于1.6mm，半径不大于1.5mm、深度不大于0.12mm的咬边允许存在，凹坑深度不大于0.12mm，在100mm长度焊缝上，单个凹坑累计长度不大于15.0mm，表面应圆滑过渡，塌陷深度不大于0.12mm，表面应和母材圆滑过渡；焊缝正面宽度不小于2.0mm，焊缝正面余高不大于0.30mm，焊后错位小于0.12mm；焊后零件经过目视及着色检查，未发现超标缺陷，满足设计图纸要求。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁机匣集气罩结构电子束焊接方法，其特征在于：步骤2.6所述集气罩热定型工装包括型胎、压环、销钉、楔块、吊挂，所述型胎内表面焊接有吊挂，所述型胎顶部安装有压环，压环顶部沿周向均匀设置有楔块，且楔块与压环的通孔一一对应，所述销钉依次穿过楔块、压环将压环与型胎固定。
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