一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法。采用在钛合金直管内部进行辅助支撑和夹持，以及通过惰性气对焊接影响区域进行保护来保证钛合金直管的接缝焊接质量和精度。首先在通气管两端用密封胶带将铜套与钛合金直管配合处进行密封，通气管上有两排气孔使保护气通向焊缝处，并在通气管上用强力胶固连一个也有两排气孔的弧形铜块形成一个整体部件，对焊接区域进行辅助支撑；弧形铜块的弧度小于半圆弧，保证焊接完成后通气管和弧形铜块从钛合金直管内取出，钛合金直管外侧焊缝通过保护罩进行气体保护，卡环将焊枪固定在保护罩上，通过移动保护罩带动焊枪移动；为保证焊接的连续性，钛合金直管采用圆弧形卡具进行夹持。
【专利说明】一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械制造及加工工艺【技术领域】，具体地说，涉及一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法。
【背景技术】
[0002]钛合金具有优良的抗腐蚀性，而且具有比重小、强度高的特点。随着我国航空工业的不断发展，钛合金板料在飞机制造中的用量在不断增长；通常，在飞机零部件加工中，有大量的油气管路零件，特别是大型飞机中，这种油气管路的直径越来越大。因而，大直径管路的制造一般是通过板料冷弯成形，然后对成形后直管接缝处进行焊接得到钛合金管件。这种加工大直径管件的方法具有工艺简单，材料利用率高，成本低的优势。
[0003]由于钛合金在高温下对氧、氮、氢、碳气体具有极大的亲和力，这给焊接带来一定困难，不但焊缝熔池需要保护，焊接件内部也要保护。在专利CN201900394U中公开了一种小直径钛管焊接气体保护罩，这种筒状保护罩将待焊接管件密封，在密封区内通有保护气体，使焊接区域形成保护性气体氛围，从而有效地消除钛管焊接氧化危害；但不足之处在于无法克服焊缝和近缝区局部温度过高导致材料变软而出现焊缝处局部塌陷问题及热影响区的扩大引起焊接应力增加导致的波浪式翘曲变形问题，影响形状精度。钛合金的导热系数较低，焊缝和近缝区因在高温环境停留时间长，导致该区域材料变软，如果材料内侧没有辅助支撑，材料会因变软而塌陷；另外，由于热影响区的扩大，焊接应力增加引起失稳变形十分严重，如果材料外侧没有夹持会出现波浪式翘曲变形，焊接冷却后，钛合金硬度又很大，这种带局部塌陷及波浪式翘曲变形零件很难通过后续的校形工序变成合格零件，因而对形状精度要求高的钛合金管件焊接时，不但焊缝熔池、焊接件内部，焊缝及热影响区域需要进行惰性气体保护，而且需要在焊缝和近缝区材料易发生变软塌陷及焊接应力增加导致的波浪式翘曲变形的地方进行辅助支撑和夹持来克服焊接变形，故需要一种能保证钛合金直管的接缝焊接质量和形状精度的方法。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的焊缝和近缝区因在高温环境停留时间长，导致材料容易发生变软而引起的局部塌陷及热影响区的扩大引起焊接应力增加导致的波浪式翘曲变形问题，本发明提出一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法，目的是通过在钛合金管内部进行辅助支撑和夹持，以及采用惰性气体对焊接影响区域进行保护来保证钛合金直管的接缝焊接质量和精度。首先在第一通气管两端用密封胶带将铜套与钛合金直管配合处进行密封，第一通气管上有两排圆孔使保护气通向焊缝处；然后在第一通气管上用强力胶固连一个也有两排圆孔的弧形铜块形成一个整体部件，对焊接区进行辅助支撑；钛合金直管外侧焊缝通过保护罩进行气体保护，焊枪固定在保护罩上，通过移动保护罩带动焊枪移动，在钛合金直管上形成移动保护区，对未焊接的接缝处用密封胶带进行密封，随焊枪的移动，渐进撕下密封胶带；为保证焊接的连续性，钛合金直管采用圆弧形卡具进行夹持。[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:钛合金直管的接缝焊接夹具包括通气嘴、封堵板、铜套、焊枪、保护罩、弧形铜块、第一通气管、圆弧形卡具，所述第一通气管为圆筒形，两端有外螺纹，第一通气管壁上沿轴向有两排等间距直径相同的圆孔，封堵板位于第一通气管内两端，封堵板外径与第一通气管内径相同，且为过盈配合，其中，一端的封堵板中心有通气嘴安装孔；所述弧形铜块上沿轴向有两排等间距直径为2mm的圆孔，弧形铜块的弧度小于半圆弧，弧形铜块固定在第一通气管上，弧形铜块内侧圆弧面与第一通气管外侧面采用强力胶贴合，弧形铜块上的两排圆孔与第一通气管上的两排圆孔尺寸相同，弧形铜块上的圆孔与第一通气管上的圆孔同轴一一对应；所述铜套为阶梯形圆筒结构，铜套内侧有螺纹，两铜套位于第一通气管两端，铜套与第一通气管通过螺纹连接；保护罩位于弧形铜块上面中间部位，钛合金直管安装在夹具上，钛合金直管内侧圆柱面与弧形铜块的外圆弧面贴合，钛合金直管的焊缝位于弧形铜块上的两排圆孔的轴向对称面上，圆弧形卡具将钛合金直管夹持住，圆弧形卡具的内侧圆弧面与钛合金直管的外侧圆弧面贴合；所述保护罩包括罩体、卡环、第二通气管、铜丝网、耐高温橡胶块，焊枪通过卡环固定在罩体上，罩体上部有螺孔安装通气嘴与第二通气管相连通，第二通气管上沿轴向有多个圆孔，铜丝网位于第二通气管与焊缝区之间，耐高温橡胶块采用强力胶固连在罩体底部两侧及后端面，且与钛合金直管接触配合。
[0006]一种采用所述钛合金直管的接缝焊接夹具进行钛合金直管的接缝焊接方法，其特征在于包括以下步骤:
[0007]步骤1，确定焊接夹具的弧形铜块的尺寸，根据待焊接钛合金直管的内径及长度尺寸确定弧形铜块的尺寸，弧形铜块与第一通气管组成的整体部件沿径向尺寸小于钛合金直管的内径，保证弧形铜块与第一通气管组成的整体部件从焊接后钛合金直管内取出；
[0008]步骤2，采用强力胶将弧形铜块固连在第一通气管上，且保证弧形铜块上的两排圆孔与第一通气管上的两排圆孔对中定位准确，将两封堵板安装在第一通气管上，弧形铜块与第一通气管整体放置在钛合金直管内，并将铜套从第一通气管两端分别旋入到预定位置，在铜套与钛合金直管接触端面用密封胶带进行密封，将钛合金直管用圆弧形卡具夹持住，在封堵板上安装通气嘴连接保护气，最后将焊枪安装在保护罩上的预定位置；
[0009]步骤3，对焊口区域及焊丝进行酸洗，去除其表面的氧化膜，直至显银白色金属光泽为止；酸洗后，洗净酸液并用白布擦干，用丙酮或酒精再擦拭焊口及焊丝；对焊枪移动方向上的未焊接区，采用密封胶带密封，并对第一通气管及保护罩进行通气，时间30s，排除第一通气管及保护罩内的空气；
[0010]步骤4，进行焊接操作，采用左焊法，焊枪喷嘴与被焊工件垂直，钨极伸出长度和喷嘴离焊件表面距离要小，以获得气体保护效果，随着保护罩的移动逐渐撕下焊枪前方钛合金直管接缝上的密封胶带；
[0011]步骤5，钛合金直管焊接后，自然冷却5min，卸下圆弧形卡具，旋出第一通气管两端的铜套，取出第一通气管与弧形铜块，卸下焊接管件；
[0012]步骤6，重复上述步骤I至步骤5，进行批量焊接。
[0013]有益效果
[0014]本发明提出的一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法，通过在钛合金直管的内侧采用第一通气管上开有的两排圆孔保证保护气通向焊缝处，并且在钛合金直管的外侧焊缝处通过保护罩进行气体保护，焊枪固定在保护罩上，消除在焊接过程中由于操作人员手部晃动对焊接质量的影响；通过移动保护罩带动焊枪移动，在钛合金直管上形成移动保护区。焊接过程中为节省保护气，对未焊接的接缝处用密封胶带进行密封，随着焊枪的移动，逐渐撕下密封胶带；接缝焊接夹具在焊缝熔池、焊接件内部、焊缝及热影响区域形成惰性气体保护区，使焊接区域形成保护性气体氛围，从而有效地消除钛管焊接氧化危害；另夕卜，在钛合金直管的内侧由第一通气管及弧形铜块组成辅助支撑部分，可在焊缝和近缝区材料易发生变软塌陷处进行辅助支撑，避免该区域因在高温环境停留时间长导致材料容易发生变软而引起的局部塌陷问题。在钛合金直管的外侧通过采用圆弧形卡具进行夹持，避免热影响区的扩大引起焊接应力增加导致的波浪式翘曲变形问题；同时，由于弧形铜块弧度小于半圆弧，使第一通气管和弧形铜块组成的整体部件沿径向尺寸小于钛合金直管的内径，可保证第一通气管和弧形铜块构成的整体部件顺利地从焊接好的钛合金直管内取出，圆弧形卡具内圆弧尺寸与钛合金直管外圆尺寸相同，保证圆弧形卡具与钛合金直管的紧密贴合。本发明焊接夹具及接缝焊接方法可有效地克服焊接变形及焊接氧化问题，并能较好的保证接缝焊接质量和钛合金直管的形状精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和实施方式对本发明一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法作进一步的详细说明。
[0016]图1为钛合金直管接缝焊接时的缺陷形式图，图中I表示焊缝区。
[0017]图2为本发明钛合金直管的接缝焊接夹具结构示意图。
[0018]图3为本发明钛合金直管接缝焊接夹具的辅助支撑部分结构剖视图。
[0019]图4为本发明的弧形铜块与第一通气管胶连的结构示意图。
[0020]图5为本发明钛合金直管接缝焊接夹具的弧形铜块示意图。
[0021]图6为本发明钛合金直管接缝焊接夹具的保护罩结构示意图。
[0022]图7为本发明钛合金直管接缝焊接夹具的保护罩剖视图。
[0023]图中:
[0024]1.通气嘴2.封堵板3.铜套4.焊枪5.保护罩6.弧形铜块7.第一通气管
8.圆弧形卡具9.卡环10.罩体11.第二通气管12.耐高温橡胶块13.铜丝网
【具体实施方式】
[0025]本实施例是一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法。
[0026]参阅图1?图5，本实施例钛合金直管的接缝焊接夹具由通气嘴1，封堵板2，铜套3，焊枪4，保护罩5，弧形铜块6，第一通气管7，圆弧形卡具8组成。第一通气管7为圆筒形结构，两端有外螺纹，第一通气管7管壁上沿轴向有两排等间距直径相同的圆孔，封堵板2安装在第一通气管7内的两端,封堵板2外径与第一通气管7内径相同,封堵板2与第一通气管7为过盈配合，并采用密封胶密封端面，其中，一端的封堵板2中心有通气嘴I安装孔。弧形铜块6上沿轴向有两排等间距直径为2mm的圆孔，弧形铜块6的弧度小于半圆弧，弧形铜块6固定在第一通气管7上，弧形铜块6内侧圆弧面与第一通气管7外侧面采用强力胶贴合，弧形铜块6上的两排圆孔与第一通气管7上的两排圆孔尺寸相同，而且弧形铜块6上的两排圆孔与第一通气管7上的两排圆孔同轴一一对应，并起到定位作用。铜套3为阶梯形圆筒结构，铜套3内侧壁有螺纹，两个铜套3安装在第一通气管7的两端，铜套3与第一通气管7通过螺纹连接；铜套3的尺寸根据待焊接钛合金直管的内外径尺寸及对夹刚度的要求确定，铜套3采用黄铜材料。保护罩5安装在弧形铜块6上面中间部位，保护罩5的轴对称面与第一通气管7上的两排圆孔的轴向对称面重合，钛合金直管安装在保护罩5和弧形铜块6之间，钛合金直管内侧圆柱面与弧形铜块6的外圆弧面贴合，钛合金直管的焊缝位于第一通气管7上的两排圆孔的中心对称面上，圆弧形卡具8将钛合金直管夹持住，圆弧形卡具8的内侧圆弧面与钛合金直管的外侧圆弧面贴合。
[0027]如图6、图7所示，焊接夹具的保护罩5包括罩体10、卡环9、第二通气管11、铜丝网13、耐高温橡胶块12，焊枪4通过卡环9固定安装在罩体10上，罩体10上部有通气孔与第二通气管11相连通，第二通气管11上沿轴向有多个圆孔，铜丝网13安装在第二通气管11与焊缝区之间，耐高温橡胶块12采用强力胶固连在罩体10底部两侧及后端面。由于耐高温橡胶块12具有柔性，保证与钛合金直管接触配合充分，使移动的保护罩5内具有足够的惰性气体保护区，同时起到省气的作用。
[0028]本实施例中焊接夹具的弧形铜块6的尺寸由待焊接钛合金直管的内径及长度尺寸确定，圆弧段的圆心角为120°，弧形铜块弧度小于半圆弧，保证焊接结束后第一通气管7和弧形铜块3顺利地从钛合金直管内取出。第一通气管7及封堵板2的尺寸由弧形铜块6和铜套3的尺寸确定，第一通气管7材料为45钢，在本实施例中第一通气管7的内径为20mm ;圆弧形卡具8的内径为60mm,圆心角为135°。
[0029]基于上述钛合金直管的接缝焊接夹具，本发明还提出了一种钛合金直管的接缝焊接方法，包括以下步骤:
[0030]步骤1，确定焊接夹具的弧形铜块的尺寸，根据待焊接钛合金管的内径及长度尺寸确定弧形铜块的尺寸，弧形铜块与第一通气管组成的整体部件沿径向尺寸小于钛合金直管的内径，保证弧形铜块与第一通气管组成的整体部件从焊接后钛合金直管内取出；
[0031]步骤2，采用强力胶将弧形铜块固连在第一通气管上，且保证弧形铜块的两排圆孔与第一通气管的两排圆孔对中定位准确，将两封堵板安装在第一通气管上，弧形铜块与第一通气管整体放置在钛合金直管内，并将铜套从第一通气管两端分别旋入到预定位置，在铜套与钛合金直管接触端面用密封胶带进行密封，将整体用圆弧形卡具夹持住，在封堵板上安装通气嘴连接保护气，最后将焊枪安装在保护罩上的预定位置；
[0032]步骤3，对焊口区域及焊丝进行酸洗，去除其表面的氧化膜，直至显银白色金属光泽为止；酸洗后，洗净酸液并用白布擦干，用丙酮或酒精再擦拭焊口及焊丝；对焊枪移动方向上的未焊接区，采用密封胶带密封，并对第一通气管及保护罩进行通气，时间30s，排除第一通气管及保护罩内的空气；
[0033]步骤4，进行焊接操作，采用左焊法，焊枪喷嘴与被焊工件垂直，钨极伸出长度和喷嘴离焊件表面距离要小，以获得气体保护效果，随着保护罩的移动逐渐撕下焊枪前方钛合金直管接缝上的密封胶带；
[0034]步骤5，钛合金直管焊接后，自然冷却5min，卸下圆弧形卡具，旋出第一通气管两端的铜套，取出第一通气管与弧形铜块，卸下焊接管件；
[0035]步骤6，重复以上步骤I至步骤5，进行批量焊接。
【权利要求】
1.一种钛合金直管的接缝焊接夹具及接缝焊接方法，其特征在于:包括通气嘴、封堵板、铜套、焊枪、保护罩、弧形铜块、第一通气管、圆弧形卡具，所述第一通气管为圆筒形，两端有外螺纹，第一通气管壁上沿轴向有两排等间距直径相同的圆孔，封堵板位于第一通气管内两端，封堵板外径与第一通气管内径相同，且为过盈配合，其中，一端的封堵板中心有通气嘴安装孔；所述弧形铜块上沿轴向有两排等间距直径为2mm的圆孔，弧形铜块的弧度小于半圆弧，弧形铜块固定在第一通气管上，弧形铜块内侧圆弧面与第一通气管外侧面采用强力胶贴合，弧形铜块上的两排圆孔与第一通气管上的两排圆孔尺寸相同，弧形铜块上的圆孔与第一通气管上的圆孔同轴一一对应；所述铜套为阶梯形圆筒结构，铜套内侧有螺纹，两铜套位于第一通气管两端，铜套与第一通气管通过螺纹连接；保护罩位于弧形铜块上面中间部位，钛合金直管安装在夹具上，钛合金直管内侧圆柱面与弧形铜块的外圆弧面贴合，钛合金直管的焊缝位于弧形铜块上的两排圆孔的轴向对称面上，圆弧形卡具将钛合金直管夹持住，圆弧形卡具的内侧圆弧面与钛合金直管的外侧圆弧面贴合；所述保护罩包括罩体、卡环、第二通气管、铜丝网、耐高温橡胶块，焊枪通过卡环固定在罩体上，罩体上部有螺孔安装通气嘴与第二通气管相连通，第二通气管上沿轴向有多个圆孔，铜丝网位于第二通气管与焊缝区之间，耐高温橡胶块采用强力胶固连在罩体底部两侧及后端面，且与钛合金直管接触配合。
2.一种采用权利要求1所述的钛合金直管的接缝焊接夹具进行钛合金直管的接缝焊接方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤1，确定焊接夹具的弧形铜块的尺寸，根据待焊接钛合金直管的内径及长度尺寸确定弧形铜块的尺寸，弧形铜块与第一通气管组成的整体部件沿径向尺寸小于钛合金直管的内径，保证弧形铜块与第一通气管组成的整体部件从焊接后钛合金直管内取出； 步骤2，采用强力胶将弧形铜块固连在第一通气管上，且保证弧形铜块上的两排圆孔与第一通气管上的两排圆孔对中定位准确，将两封堵板安装在第一通气管上，弧形铜块与第一通气管整体放置在钛合金直管内，并将铜套从第一通气管两端分别旋入到预定位置，在铜套与钛合金直管接触端面用密封胶带进行密封，将钛合金直管用圆弧形卡具夹持住，在封堵板上安装通气嘴连接保护气，最后将焊枪安装在保护罩上的预定位置； 步骤3，对焊口区域及焊丝进行酸洗，去除其表面的氧化膜，直至显银白色金属光泽为止；酸洗后，洗净酸液并用白布擦干，用丙酮或酒精再擦拭焊口及焊丝；对焊枪移动方向上的未焊接区，采用密封胶带密封，并对第一通气管及保护罩进行通气，时间30s，排除第一通气管及保护罩内的空气； 步骤4，进行焊接操作，采用左焊法，焊枪喷嘴与被焊工件垂直，钨极伸出长度和喷嘴离焊件表面距离要小，以获得气体保护效果，随着保护罩的移动逐渐撕下焊枪前方钛合金直管接缝上的密封胶带； 步骤5，钛合金直管焊接后，自然冷却5min，卸下圆弧形卡具，旋出第一通气管两端的铜套，取出第一通气管与弧形铜块，卸下焊接管件； 步骤6，重复上述步骤I至步骤5，进行批量焊接。
【文档编号】B23K37/053GK103978290SQ201410198301
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】孙宝龙, 傅莉, 王永军 申请人:西北工业大学