一种Ф3350mm椭球箱底整底状态对接法兰盘精准装配焊接方法与流程

本发明属于航空航天机械设备装配加工技术领域，具体涉及一种椭球箱底整底状态对接法兰盘精准装配焊接方法，特别适用于大尺寸椭球箱底的焊接，如ф3350mm椭球箱底。

背景技术：

我国新一代运载火箭箭体结构中的ф3350mm贮箱箱底为椭球形，由8块瓜瓣、顶盖、叉形环与若干法兰盘拼焊而成。法兰盘焊接工艺复杂，法兰盘焊缝是箱底主焊缝之一，结构尺寸及分布位置多元，法兰盘焊接直径ф180mm-ф280mm，焊接区厚度3.5mm-10mm，分布半径r400mm-r1400mm(如图1所示)。其焊接质量可直接影响整个贮箱的承压能力；另一方面，为保证法兰盘形位尺寸精度，通常采用整底状态装配焊接方式，焊接过程热输入过大及补焊造成的法兰盘变形，都有可能导致其形位尺寸超差，影响整个贮箱的精度。

对于整底状态下的对接法兰盘，行业现有的焊接方法为手工装配及焊接，流程为手工开孔——制备坡口——焊前清理——采用简易专用工装装配——利用两面三层手工焊方法焊接——待冷却后拆卸工装。其中，现有两面三层手工焊接工艺如图2所示，焊接工序3道，第一遍正面手工打底、第二遍正面盖面焊接，第三遍对背面焊漏进行清根处理，最后完成背部封底焊接。此种焊接方法完全依赖于焊工技能水平，焊接稳定性差；手工焊接一次长度有限，在起收弧处易产生缺陷；手工焊热输入较高，法兰焊接变形较大。

对于对接法兰盘的上述行业现有焊接方法，具有诸多缺点：

第一，因为采用手工开孔的方式，需要多遍开孔反复验合，不仅效率低、工人劳动强度大，而且开孔精度低，无法保证法兰盘与箱底过盈装配量的精确度(图3)；

第二，因为采用手工焊接，需要制备手工焊坡口，增加工序环节，效率低，工人劳动强度大(图4)；

第三，对焊接部位的固定精度能力有限，进而影响后续法兰盘的装配与焊接质量；

第四，手工焊接完全依赖操作工人的技能水平，焊接过程参数工艺受控性弱，且受焊工身体状态、心理状态等影响因素多，质量稳定性差，常出现背部焊漏不均匀，未焊透等缺陷(图5)；

第五，手工焊接一次焊接长度有限(300mm左右)，带来起弧、收弧次数多，这些位置容易产生缺陷(图6)，并且补焊位置由于多次加热，增加焊接变形，会带来焊缝组织性能降低；

第六，为保证焊缝完全焊透，完成正面焊接后，工人需要在背部进行清根(即焊缝背部挖槽)及手工封底焊缝背面，一条焊缝需焊接三次，劳动强度大，生产环境差，生产效率低(图7)；

第七，采用手工焊接时因工人操作水平不同，焊接质量一致性差，焊接缺陷多常出现大面积的夹钨(图9)，焊接残余应力大，焊接变形严重(图8)。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种椭球箱底整底状态对接法兰盘精准装配焊接方法，解决手工开工、手工装配、手工焊接带来的劳动强度大，工作效率低，产品质量不稳定的技术问题；实现装配开孔数控自动化，焊接轨迹与焊接热输入的精准控制，减小焊接变形，提高法兰盘的焊接质量与尺寸精度。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种椭球箱底整底状态对接法兰盘精准装配焊接方法，包括下述步骤：

(1)测量并划出待焊法兰的法兰孔焊接区的开孔中心及装配轮廓线；

(2)清理箱底及法兰待焊接区内、外表面氧化膜；

(3)通过内撑外压的方法实现箱底位置固定，使内撑支撑件的支撑中心法线、开孔中心的法线与铣刀轴线重合；

(4)采用先粗铣后精铣的工艺方法完成法兰孔的加工；

(5)安装验合法兰盘，装配模式为过盈装配；

(6)进行焊接轨迹示教；

(7)采用定位+打底+盖面的单面双层悬空变极性tig焊的焊接工艺进行法兰盘与箱底的焊接。

其中，所述步骤(3)具体包括下述步骤：

(3-1)安装能够与待焊法兰盘匹配的内压紧装置至工作台或基座上；

(3-2)将箱底置于工作台或基座上，使法兰孔焊接区的法线与铣刀轴线重合；

(3-3)采用外部压紧装置将箱底的位置固定；

(3-4)通过数控计算控制内压紧装置移动到位，使内撑支撑件的支撑中心法线、开孔中心的法线与铣刀轴线重合；

(3-5)利用铣削机构在开孔中心开工艺孔，观察并矫正内撑支撑件的支撑中心法线与法兰孔焊接区的法线的对中状态。

其中，所述步骤(3-2)中，利用设置于工作台或基座上的装配象限线使箱底快速定位，使法兰孔焊接区法兰孔焊接区的法线与铣刀轴线重合。

其中，所述步骤(3-5)中，工艺孔以ф20mm为佳，可以在内撑支撑件的支撑中心设置十字刻线，通过十字刻线和工艺孔的对中判断二者法线的重合状态。

其中，所述步骤(4)中，粗铣时采用分层铣切方法将工艺孔一次性扩至经验尺寸(单边预留余量1mm)，然后精铣法兰孔至预定尺寸，保证装配过盈量在0.15～0.25mm范围内。

其中，所述步骤(5)中，法兰盘装配的错缝不大于0.5mm。

其中，所述步骤(6)中，以一段圆弧采点不少于3点、相邻圆弧上一段圆弧终点为下一段圆弧起点、整圈不少于4段圆弧的采集标准在法兰盘焊缝处采集示教点，进而进行焊接轨迹模拟，完成焊接轨迹示教。

其中，所述步骤(7)中，定位焊采用自动焊不加丝的方法，分别在120°和240°设置两段定位弧，定位弧长以60mm为佳。

其中，所述步骤(7)中，打底焊采用采用直流氦弧不加丝焊接。

其中，所述步骤(7)中，盖面焊采用变极性脉冲tig焊，保护气以氩气为主，氦气为辅，同时加入焊丝。

其中，所述步骤(7)中，法兰盘在焊接熔池下方预留有悬空槽；优选的，悬空槽在待焊焊缝处左右各10mm宽度，槽长约30mm。

相对于现有技术，本发明创具有以下优势：

(1)根据法兰盘数控开孔工艺需求，提供对接法兰盘的自动装配方法，通过内撑外压、自动撑紧到位、自动位置校正等操作，实现法兰盘的自动精准位置调整。

(2)采用原位数控自动开孔方法，可匹配自动装配方法实现对法兰开孔及装配过程的精细化控制，代替现有的手工开孔方式，开孔精度0.01mm，极大提高法兰盘装配孔开孔精度，工作效率和稳定性大幅提高，避免了现有技术中各种焊接缺陷的产生。

(3)整底状态法兰盘自动焊接方法，代替手工焊接方法，可以实现3mm-10mm厚度不开坡口单面焊接成形，节省坡口制备和背面封底两道工序，极大减小劳动强度，提高工作效率。

(4)示教和焊接工艺保证焊接轨迹精度高，焊接过程连续，有效减少起收弧点。

(5)悬空槽部分的悬空焊形成视频跟踪技术，对法兰盘焊接过程热输入和焊缝成形实现实时精细控制。

附图说明

本发明创造的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，附图中的相关工装装置仅作为示例性的参考，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为椭球箱底整底结构示意图。

图2为现有两面三层手工焊接工艺的结构示意图。

图3为手工开孔示意图。

图4为手工焊坡口示意图。

图5为未焊透缺陷示意图。

图6为起弧处裂纹缺陷示意图。

图7为手工封底示意图。

图8为焊接变形缺陷示意图。

图9为夹钨缺陷示意图。

图10为开孔中心定位示意图。

图11为一种内压紧装置示意图。

图12为一种外部压紧装置示意图。

图13为外部压紧装置将箱底的位置固定的示意图。

图14为内压紧装置移动示意图。

图15为开工艺孔示意图。

图16为十字刻线和工艺孔的对中示意图。

图17为法兰孔的加工示意图。

图18为安装验合法兰盘完成示意图。

图19为焊接轨迹示教示意图。

图20为定位焊示意图。

图21为悬空槽内实时自动监控示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来详细说明本发明创造。

本发明创造一种椭球箱底整底状态下完成对接法兰盘精准装配与焊接的方法，焊接材料为2219铝合金。具体流程如下：

(1)测量并划出待焊法兰的法兰孔焊接区的开孔中心及装配轮廓线(图10)

可以在现有机械装置的划线平台上，采用人工测量和划线的方式进行。

(2)清理箱底及法兰待焊接区内、外表面氧化膜

可以采用常规的机械和方法进行。

(3)通过内撑外压的方法实现箱底位置固定，使内撑支撑件的支撑中心法线、法兰孔焊接区(开孔中心)的法线与铣刀轴线重合，三者重合能够保证法兰孔焊接区的均匀支撑受力，保证焊接安装的精度(图11-13)

“内撑”是指通过内压紧装置(图11)将(ф3350mm椭球)箱底由内部支撑固定，内压紧装置的支撑件通过与产品内表面的贴合进行支撑，内压紧装置一般固定于工作台或基座上。所述内压紧装置可以采用现有的椭球箱底用内压紧工装机械，例如cn201511015409.1和cn201521125106.0。

“外压”是指通过外部压紧装置(图12)将箱底固定于工作台或基座上，使得箱底不会发生位置的偏移，方便后续操作的进行。所述外部压紧装置可以采用现有的法兰盘用外压工装机械，例如cn201511015409.1和cn201521125106.0。

其中，所述工作台或基座上可以设有用于辅助安装的装配象限线，方便箱底的快速定位，使法兰孔焊接区位于机械上可执行焊接操作的目标位置上，此时，法兰孔焊接区法兰孔焊接区的法线与铣刀轴线重合。

具体地，内撑外压对箱底法兰孔焊接区的固定需要经过以下步骤：

(3-1)安装能够与待焊法兰盘匹配的内压紧装置至工作台或基座上。

(3-2)将箱底吊装至工作台或基座上，利用装配象限线使箱底快速定位，使法兰孔焊接区法兰孔焊接区的法线与铣刀轴线重合。

(3-3)采用外部压紧装置将箱底的位置固定于工作台或基座上(图13)。

(3-4)通过数控计算控制内压紧装置移动到位(图14)，使内撑支撑件的支撑中心法线、法兰孔焊接区(开孔中心)的法线与铣刀轴线重合。

具体地，内压紧装置的移动能够通过数控操作平台的数控计算得以控制，在数控操作台的操作界面上输入相关理论参数，系统即可自动算出内压紧组件的径向、法向移动距离，并运行程序、移动到位；

运行程序的移动控制原理为：

内撑支撑件相对椭球中心坐标为(a,b)，待焊法兰高度为h，箱底法兰孔焊接区厚度t，叉形环大端距理论赤道高度h1，法兰孔焊接区(开孔中心)法向角为α，内撑支撑件移动距离根据椭球方程可得：

径向移动量

法向移动量

根据上述公式可精确计算出内撑支撑件移动距离。

(3-5)利用铣削机构在开孔中心开工艺孔(图15)，以ф20mm为佳，观察并矫正内撑支撑件的支撑中心法线与法兰孔焊接区的法线的对中状态。

为了便于观察，可以在内撑支撑件的支撑中心设置十字刻线(图16)，通过十字刻线和工艺孔的对中判断二者法线的重合状态，通过工艺孔也可以观察内撑支撑件与箱底内表面的贴合状态，如上述两项存在偏差，可以进行微调。

(4)采用先粗铣后精铣的工艺方法完成法兰孔的加工(图17)。

粗铣时采用分层铣切方法将工艺孔一次性扩至经验尺寸(单边预留余量1mm)，然后精铣法兰孔至预定尺寸，保证装配过盈量在0.15～0.25范围内，开孔位置精度可达±0.2mm，开孔尺寸精度达±0.02mm。

(5)安装验合法兰盘，装配模式为过盈装配。

采用外部辅助工装压紧箱底、压紧盘工装压紧法兰盘方式完成法兰盘的装配，保证错缝不大于0.5mm(图18)。其中，外部辅助工装和压紧盘工装可以采用现有的压紧工装设备，例如cn201511015409.1和cn201521125106.0。

(6)进行焊接轨迹示教。

在法兰盘焊缝处采集示教点，以一段圆弧采点不少于3点、相邻圆弧上一段圆弧终点为下一段圆弧起点、整圈不少于4段圆弧的采集标准完成焊接轨迹的模拟(图19，其中p1、p2、p3、p4分别为4段圆弧的起始点)，可保证轨迹精度偏差小于0.2mm。示教完毕后即可开始焊接，在一些焊接机构中，每次焊接前均需调整焊枪回转角度不小于450°。

(7)采用定位+打底+盖面的单面双层悬空变极性tig焊的焊接工艺进行法兰盘与箱底的焊接。

其中，定位焊采用自动焊不加丝的方法，分别在120°和240°设置两段定位弧，定位弧长以60mm为佳(图20)。

打底焊采用采用直流氦弧(保护气为氦气)不加丝焊接，利用氦弧高电弧能量可保证焊缝熔透、背面成形良好。

盖面焊采用变极性脉冲tig焊，保护气以氩气为主，氦气为辅，同时加入焊丝，保证焊缝有一定的正面余高，脉冲调制工艺能减小焊接热输入。

法兰盘在焊接熔池下方预留有悬空槽，悬空槽在待焊焊缝处左右各10mm宽度，槽长约30mm，可以设置自动监控摄像装置，通过该悬空槽对焊接过程及熔池状态进行实时自动监控(图21)，保证焊接成型良好。

(8)待焊缝冷却至常温后拆卸各工装装置，继续进行其他法兰的装配焊接。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。