一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置及方法
【专利摘要】本发明是一种压力容器大型封头通用的焊接工装装置及方法，包括支撑底盘、滚珠丝杠、成组滚动轴承、移动气缸、外部定位块、内部定位块、手动摇杆和刻度尺，滚珠丝杠和执行元件分别带动多数外部定位块和内部定位块沿支撑底盘的导轨移动将曲面封头组合定位夹紧固定。本发明可实现压力容器制造中大型封头的工装定位以及防止焊接变形，曲面封头放置于该装置上进行组装定位装夹，然后于焊缝处进行点固再进行内外焊缝的焊接工作。焊接完成后自然冷却到常温后进行焊后再进行去应力退火，降低工人劳动强度，缩短产品的生产制造周期，降低生产成本。
【专利说明】一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及压力容器封头制造【技术领域】，特别是涉及由瓜瓣式等块焊接而成的大型封头，封头形状包括圆形、椭圆形、球冠形、蝶形等瓜瓣式封头，能有效地解决薄板、厚板瓜瓣式封头焊接引起的径向变形进而严重影响焊后封头的不圆度尺寸偏差。
【背景技术】[0002]在大型压力容器的制造中，封头制造受材料及压制设备的限制，难以整体压制成形。一种可行的办法是将多瓣瓜瓣或由一个较大的球缺和多片弧形瓣组合焊接而成。瓜瓣和球缺先经过冷作冲压成形，然后预制坡口，最后在装焊胎体上组焊。由于封头尺寸较大，焊接变形难以控制，常常造成封头圆周径向变形，严重影响封头的不圆度尺寸，而焊后校正不但工作量极大，还缺乏机械校正设备，因此十分有必要在焊接时保证不圆度尺寸一次性合格。文献《一重技术》期刊2006年第6期37~38页中提到了一种大型椭圆封头瓣组焊工艺方法，但仅给出了工装胎具局部示意图，并未公开具体的工装胎具装置。该文所述的工装胎具内部用固定的装焊胎进行定位，外部用钉丝进行装夹固定。该装置由于只能从外部进行特定尺寸的封头焊装定位，操作调节不够方便，并且适用封头尺寸不能自由调整。此外，内部装焊胎磨损后也不能准确的保证封头内部工装尺寸。从经济效益上考虑该专用封头工装装置较为浪费，且仅适用于某一特定尺寸的封头制造。目前部分企业制造封头时根据制造经验先将瓜瓣或瓜瓣球缺进行拼装，在拼装好的封头底部焊接一圈厚大的钢板进行固定防止焊接变形，点固后进行手工焊接。焊后再用气割方法切除所焊接的厚壁圆环。这种方法不仅造成材料的严重浪费，而且增加了工人的劳动强度，此外焊接圆环难以保证封头的尺寸精度，切割后也影响封头表面美观性。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明提供了一种简单和设计合理，制造使用方便的压力容器大型封头通用的焊接变形控制方法及工装防变形装置。
[0004]为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明是一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，装置包括支撑底盘、滚珠丝杠、成组滚动轴承、执行元件、外部定位块、内部定位块、手动摇杆和刻度尺，滚珠丝杠和执行元件分别带动多数外部定位块和内部定位块沿支撑底盘的导轨移动将曲面封头组合定位夹紧固定。
[0005]本发明的进一步改进在于:支撑底盘是中心为圆盘、向外均布导轨的结构。
[0006]本发明的进一步改进在于:导轨的数量为8，每相邻两个导轨之间的角度为45° ;导轨的数量为10，每相邻两个导轨之间的角度为36° ;导轨的数量为12，每相邻两个导轨之间的角度为30° ;导轨的数量为16，每相邻两个导轨之间的角度为22.5°
本发明的进一步改进在于:滚珠丝杠具有精确的带动外部定位块位移对曲面封头进行定位装夹的传动和自锁装置。[0007]本发明的进一步改进在于:成组滚动轴承成对分别置于滚珠丝杠的两端部，支撑滚珠丝杠且保证滚珠丝杠平稳顺利旋转。
[0008]本发明的进一步改进在于:执行元件为单向移动气缸或单向移动液压缸。
[0009]本发明的进一步改进在于:外部定位块嵌入导轨中、带有内弧形结构的定位块，内部定位块嵌入导轨中、带有外凸弧形结构的定位块。
[0010]本发明的进一步改进在于:手动摇杆与滚珠丝杠的一端连接，定位时将外部定位块通过手动摇杆移动到刻度尺的准确位置。
[0011]本发明的进一步改进在于:刻度尺置于导轨的一侧。
[0012]一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装方法，方法通过以下步骤实现:
(1)定位装夹:封头制造时，将球缺与等分瓜瓣置于所述工装防变形装置上，然后通过滚珠丝杠和执行元件分别带动所述外部定位块和所述内部定位块(6)径向定位使所述曲面封头组合定位夹紧固定牢靠，所述外部定位块和所述内部定位块可靠地与曲面封头内外表面贴合，定位装夹，固定完成；
(2)焊接:固定完成后，按尺寸要求在焊缝处进行点固，施焊时，先将曲面封头球缺内部焊缝至曲面封头底部圆周的弧形焊缝以封头轴线为对称轴两两对称施焊，使曲面封头沿焊缝纵向变形相互抵消，再以同样方法对称施焊外部施焊，焊接过程中严格控制层间温度，然后将球缺与等分瓜瓣连接处环形焊缝焊接；
(3)退火热处理:焊接完成后将曲面封头取出工装防变形装置，进行600°C退火热处理，消除约束引起的内部应力。
[0013]本发明的有益效果是:本发明是针对制造曲面封头存在的问题而设计出的一种大型封头通用工装夹具，手动调节丝杠和移动气缸根据导轨所附有的刻度尺进行准确定位；滚珠丝杠带有自锁装置，而移动气缸可保压，能确保焊接工装的可靠性，即使存在焊接变形和气缸气体泄漏引起的变动，也可根据导轨刻度尺及时发现进行气缸和手动摇杆微动调节确保封头尺寸，进而控制焊接变形。
[0014]滚珠丝杠和移动气缸均具有一定的形成调节量，所述的工装装置可以在一定范围内进行大型封头的焊接加工，是大型封头焊接加工的通用装置，操作方便，工装简单可靠。
[0015]充分利用气缸气源的方便可取性和丝杠传动的自锁原理，不仅淘汰了原先采用根据封头尺寸加工出大型圆环焊接于封头底部以刚性固定，焊后在进行气割切除的办法，而且该装置可重复长期应用于各种大型封头尺寸的焊接加工，降低了生产成本，可以根据封头的瓜瓣数目制定出8、10、12、16等均布数目导轨的工装装置，导轨数目越多工装可靠性越闻。
[0016]本发明可以方便地对大型封头成组瓜瓣进行组装定位夹紧，通过旋转手动摇杆带动滚珠丝杠转动进而带动外部定位块嵌入导轨中移动，内部移动气缸通过气压传动带动内部定位块嵌入导轨中移动，气缸的保压性能和滚珠丝杠的自锁装置确保工装的准确性，即使焊接过程中出现应力集中也能有效可靠地防止封头焊接变形，带有刻度尺的均布导轨可方便操作者使用时准确地定位和调整，焊接过程中还可以方便的检查是否存在焊接变形引起的封头尺寸变动，灵活可靠地定位装夹进行焊接点固，提高焊接效率，降低焊接返修工作，降低工人劳动强度，缩短产品的生产制造周期，降低生产成本。
[0017]本发明设计的内、外部均能自由调节定位的工装，焊接前根据圆周实际径向变形情况，可方便灵活地预留变形量，进而通过刚性约束，有效地控制径向变形量，该装置可结合附带的刻度尺进行准确地调整，丝杠和气缸的传动能装夹一定范围内大型封头，具有多种封头尺寸的通用性，即使内外部定位块经受一定的磨损仍可以准确可靠地定位，并且能够准确地保证封头组焊的尺寸要求，由于它适应于各类大型封头的工装，在经济上是一种节约成本的装置。本发明专利可实现压力容器制造中大型封头的工装定位以及防止焊接变形。曲面封头放置于该装置上进行组装定位装夹，然后于焊缝处进行点固再进行内外焊缝的焊接工作。焊接完成后自然冷却到常温后进行焊后再进行去应力退火。该装置可适用于压力容器制造厂，保证曲面封头精确的形位尺寸，应用该装置可提高焊接效率，降低焊接返修工作，降低工人劳动强度，缩短产品的生产制造周期，降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图。
[0019]图2是本发明防变形装置的俯视图。
[0020]图3是本发明内外部定位块及丝杠手动摇杆局部视图。
[0021]图4是本发明外部定位块俯视图。
[0022]图5是本发明外部定位块的主视图。
[0023]图6是本发明内部定位块俯视图。
[0024]图7是本发明内部定位块的主视图。
[0025]其中:1-支撑底盘，2-滚珠丝杠，3-成组滚动轴承，4-执行元件，5-外部定位块，6_内部定位块，7~手动摇杆，8_刻度尺，9-曲面封头。
【具体实施方式】
[0026]为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
[0027]如图1-7所示，本发明一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，所述装置包括支撑底盘1、滚珠丝杠2、成组滚动轴承3、执行元件4、外部定位块5、内部定位块6、手动摇杆7和刻度尺8，所述滚珠丝杠2和所述执行元件4分别带动多数外部定位块5和所述内部定位块6沿所述支撑底盘I的导轨移动将曲面封头9组合定位夹紧固定，所述曲面封头9可以为圆形、椭圆形、球冠形或蝶形，可防止封头焊接变形，带有刻度尺的导轨能精确地保证工装尺寸和封头焊接焊后尺寸，所述支撑底盘I是中心为圆盘、向外均布导轨的结构，支撑底盘I中心为圆盘，保证支撑底盘的可靠性，所述导轨的数量为8，每相邻两个导轨之间的角度为45° ;所述导轨的数量为10，每相邻两个导轨之间的角度为36° ;所述导轨的数量为12，每相邻两个导轨之间的角度为30° ;所述导轨的数量为16，每相邻两个导轨之间的角度为22.5°，所述滚珠丝杠2具有精确的带动所述外部定位块5位移对所述曲面封头9进行定位装夹的传动和自锁装置，它具有高精度的传动和自锁装置可精确地带动外部定位块移动对曲面封头进行定位装夹；所述成组滚动轴承3成对分别置于所述滚珠丝杠2的两端部，支撑所述滚珠丝杠2且保证所述滚珠丝杠2平稳顺利旋转，所述执行元件4为单向移动气缸或单向移动液压缸，有足够的顶紧力以保证装夹定位可靠；所述外部定位块5嵌入导轨中、带有内弧形结构的定位块，外部定位块5嵌入导轨中为带有内弧形的结构便于定位夹紧弧形封头的外侧，由于部分曲面封头底部为球形或圆弧形外定位块为弧形结构可方便的进行与封头的贴合进行定位和夹紧；所述内部定位块6嵌入导轨中、带有外凸弧形结构的定位块，内部定位块6嵌入导轨中为带有外凸弧形结构便于定位夹紧弧形封头的内侧，弧形结构可可靠的贴紧封头内表面进行定位装夹；所述手动摇杆7与所述滚珠丝杠2的一端连接，便于手动操作，定位时将所述外部定位块5通过所述手动摇杆7移动到所述刻度尺8的准确位置，手动便于微动调节；所述刻度尺8置于导轨的一侧，置于导轨一侧方便测量各导轨定位封头时工装位置，不仅能准确的进行定位夹紧确保封头的尺寸，并可以即使发现焊接过程中所产生的焊接变形，以便及时进行微动调节至准确尺寸，所述防变形方法通过以下步骤实现:
(O定位装夹:封头制造时，将球缺与等分瓜瓣置于所述工装防变形装置上，然后通过滚珠丝杠和执行元件分别带动所述外部定位块5和所述内部定位块6径向定位使所述曲面封头9组合定位夹紧固定牢靠，所述外部定位块5和所述内部定位块6可靠地与曲面封头9内外表面贴合,定位装夹，固定完成；
(2)焊接点固:固定完成后，按尺寸要求在焊缝处进行点固，施焊时，先将曲面封头9球缺内部焊缝至曲面封头9底部圆周的弧形焊缝以封头轴线为对称轴两两对称施焊，使曲面封头9沿焊缝纵向变形相互抵消，再以同样方法对称施焊外部施焊，焊接过程中严格控制层间温度，然后将球缺与等分瓜瓣连接处环形焊缝焊接；
(3)退火热处理:焊接完成后将曲面封头取出工装防变形装置，进行600°C退火热处理，消除约束引起的内部应力。
[0028]步骤I中的工装防变形装置包括支撑底盘1、滚珠丝杠2、成组滚动轴承3、执行元件4、外部定位块5、内部定位块6、手动摇杆7和刻度尺8，所述滚珠丝杠2和所述执行元件4分别带动多数外部定位块5和所述内部定位块6沿所述支撑底盘I的导轨移动将曲面封头9组合定位夹紧固定。
[0029]所述支撑底盘I是中心为圆盘、向外均布导轨的结构，所述导轨的数量为8，每相邻两个导轨之间的角度为45° ;所述导轨的数量为10，每相邻两个导轨之间的角度为36° ;所述导轨的数量为12，每相邻两个导轨之间的角度为30° ;所述导轨的数量为16，每相邻两个导轨之间的角度为22.5°。
[0030]所述执行元件为单向移动气缸或单向移动液压缸，所述曲面封头9可以为圆形、椭圆形、球冠形或蝶形，所述滚珠丝杠2具有精确的带动所述外部定位块5位移对所述曲面封头9进行定位装夹的传动和自锁装置，在所述滚珠丝杠2的两端部设置有成组滚动轴承3，支撑所述滚珠丝杠2且保证所述滚珠丝杠平稳顺利旋转，所述外部定位块5嵌入导轨中、带有内弧形结构的定位块，所述内部定位块6嵌入导轨中、带有外凸弧形结构的定位块；所述手动摇杆7与所述滚珠丝杠2的一端连接，定位时将所述外部定位块5通过所述手动摇杆7移动到所述刻度尺8的准确位置；所述刻度尺8置于导轨的一侧。
[0031]以8导轨焊接工装防变形装置为例，本发明的工装防变形装置，由支撑底盘、滚珠丝杠、成组滚动轴承、移动气缸、外部定位块、内部定位块、手动摇杆和刻度尺组成，封头制造时，将球缺与等分瓜瓣置于上述工装变形装置上，然后通过滚珠丝杠和移动气缸分别带动外部定位块和内部定位块径向定位使曲面封头组合定位夹紧固定牢靠，弧形结构的内外定位块可靠地与曲面封头内外表面贴合，从而能定位装夹可靠，带有刻度尺的导轨能方便精确地保证工装尺寸和封头焊后尺寸，固定完成后，按图纸尺寸要求于焊缝处进行点固，焊接时，根据热应力分析，封头底部圆周由于处于自由边界，是变形最为集中的部位，为此依靠上述工装约束条件可刚性制约封头底部圆周径向变形，定位时可根据焊缝变形情况留出适当的径向变形余量，以实现高精度尺寸控制，施焊时，先将封头球缺内部焊缝至底部圆周的弧形焊缝以封头轴线为对称轴两两对称施焊，使封头沿焊缝纵向变形相互抵消，再以同样方法对称施焊外部施焊，焊接过程中严格控制层间温度，然后将球缺与等分瓜瓣连接处环形焊缝焊接，焊接完成后将封头取出工装装置，进行600°C退火热处理，以消除约束引起的内部应力。
[0032]本发明专利可实现压力容器制造中大型封头的工装定位以及防止焊接变形。曲面封头放置于该装置上进行组装定位装夹，然后于焊缝处进行点固再进行内外焊缝的焊接工作，焊接完成后自然冷却到常温后进行焊后再进行去应力退火，该装置可适用于压力容器制造厂，保证曲面封头精确的形位尺寸，应用该装置可提高焊接效率，降低焊接返修工作，降低工人劳动强度，缩短产品的生产制造周期，降低生产成本。
[0033]实施例一
首先将该发明装置用于半球形封头的制造，使用时将本发明装置置于工作厂房内，用于40万吨/年催化油浆超临界萃取装置脱浙青塔上封头的制造，该上封头厚度尺寸为δ =42min，半径R=2000mm的半球形封头，所用材料为Q345R，由于Q345R材料焊接易出现热影响区淬硬倾向，极易形成淬火组织一马氏体，使近缝区硬度提高，塑性下降，容易导致焊后发生裂纹，因而确保合理的工装和焊接工艺是焊接制造的关键，该封头制造时先将八块曲面封头逐一放置于该装置上，然后将球缺放置到所有瓜瓣顶部拼装，旋转手动摇杆至封头尺寸位置，外部定位块贴于封头外表面，然后将内部气缸缓慢通气，移动内部定位块至内部定位块贴于封头内表面，微动调节丝杆和气缸进行夹紧工作，夹紧完成后先进行焊接点固，再后进行内、外坡口焊缝焊接，选择合理的焊接顺序，采用沿封头轴线对称焊接的方法，焊接过程中检查定位块与刻度尺是否存在变动，如有变动及时调整，焊接完成后自然冷却到常温，然后对焊接完成的封头进行600°C去应力退火，最后得到的大型封头不圆度(5mm,焊缝棱角变形< 3mm,获得了非常满意的效果。
[0034]实施例2
半椭球形封头是40万吨/年催化油浆超临界萃取装置脱浙青塔的重要部件，椭球形封头制造时相比半球形封头由于焊接曲线更复杂，因而变形较为严重，使用时将本发明专利装置置于工作厂房内，该脱浙青塔下封头的制造，该下封头厚度尺寸为δ =42(38)_，半径R=2000mm的半椭球形封头，所用材料为Q345R，由于Q345R材料焊接易出现热影响区淬硬倾向，极易形成淬火组织一马氏体，使近缝区硬度提高，塑性下降，容易导致焊后发生裂纹，因而确保合理的工装和焊接工艺是该下封头焊接制造的关键，该封头制造时先是将八块曲面封头逐一放置于该装置上，然后将椭圆球缺放置到所有瓜瓣顶部拼装，手动旋转手动摇杆至封头尺寸位置，外部定位块贴于封头外表面，然后将内部气缸缓慢通气，移动内部定位块至内部定位块贴于封头内表面，微动调节丝杆和气缸进行夹紧工作，夹紧完成后进行焊接点固，然后进行内、外坡口焊缝焊接，选择合理的焊接顺序，采用沿封头轴线对称焊接方法，焊接过程中检查定位块与刻度尺是否存在变动，如有变动及时调整，焊接完成后自然冷却到常温，然后对焊接完成的封头进行600°C去应力退火，最后得到大型封头不圆度<6_，焊缝棱角变形< 3mm，获得了非常满意的效果。
[0035]本发明可以方便地对大型封头成组瓜瓣进行组装定位夹紧，通过旋转手动摇杆带动滚珠丝杠转动进而带动外部定位块嵌入导轨中移动。内部移动气缸通过气压传动带动内部定位块嵌入导轨中移动，气缸的保压性能和滚珠丝杠的自锁装置确保工装的准确性，即使焊接过程中出现应力集中也能有效可靠地防止封头焊接变形。带有刻度尺的均布导轨可方便操作者使用时准确地定位和调整。焊接过程中还可以方便的检查是否存在焊接变形引起的封头尺寸变动，灵活可靠地定位装夹进行焊接点固，提高焊接效率，降低焊接返修工作，降低工人劳动强度，缩短产品的生产制造周期，降低生产成本。
【权利要求】
1.一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，所述装置包括支撑底盘(I)、滚珠丝杠(2)、成组滚动轴承(3)、执行元件(4)、外部定位块(5)、内部定位块(6)、手动摇杆(7)和刻度尺(8)，其特征在于:所述滚珠丝杠(2)和所述执行元件(4)分别带动多数外部定位块(5)和所述内部定位块(6)沿所述支撑底盘(I)的导轨移动将曲面封头(9)组合定位夹紧固定。
2.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述支撑底盘(I)是中心为圆盘、向外均布导轨的结构。
3.根据权利要求2所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述导轨的数量为8，每相邻两个导轨之间的角度为45° ;所述导轨的数量为10，每相邻两个导轨之间的角度为36° ;所述导轨的数量为12，每相邻两个导轨之间的角度为30° ;所述导轨的数量为16，每相邻两个导轨之间的角度为22.5°。
4.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述滚珠丝杠(2 )具有精确的带动所述外部定位块(5 )位移对所述曲面封头(9 )进行定位装夹的传动和自锁装置。
5.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述成组滚动轴承(3)成对分别置于所述滚珠丝杠(2)的两端部，支撑所述滚珠丝杠(2)且保证所述滚珠丝杠(2)平稳顺利旋转。
6.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述执行元件(4)为单向移动气缸或单向移动液压缸。
7.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述外部定位块(5)嵌入导轨中、带有内弧形结构的定位块，所述内部定位块(6)嵌入导轨中、带有外凸弧形结构的定位块。
8.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述手动摇杆(7)与所述滚珠丝杠(2)的一端连接，定位时将所述外部定位块(5)通过所述手动摇杆(7)移动到所述刻度尺(8)的准确位置。
9.根据权利要求1所述一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装装置，其特征在于:所述刻度尺(8)置于导轨的一侧。
10.一种压力容器大型曲面封头通用的拼焊工装方法，其特征在于:所述防变形方法通过以下步骤实现: (O定位装夹:封头制造时，将球缺与等分瓜瓣置于所述工装防变形装置上，然后通过滚珠丝杠和执行元件分别带动所述外部定位块(5)和所述内部定位块(6)径向定位使所述曲面封头(9 )组合定位夹紧固定牢靠，所述外部定位块(5 )和所述内部定位块(6 )可靠地与曲面封头(9)内外表面贴合，定位装夹，固定完成； (2)焊接:固定完成后，按尺寸要求在焊缝处进行点固；施焊时，先将曲面封头(9)球缺内部焊缝至曲面封头(9)底部圆周的弧形焊缝以封头轴线为对称轴两两对称施焊，使曲面封头(9 )沿焊缝纵向变形相互抵消，再以同样方法对称施焊外部施焊，焊接过程中严格控制层间温度，然后将球缺与等分瓜瓣连接处环形焊缝焊接； (3)退火热处理:焊接完成后将曲面封头取出工装防变形装置，进行600°C退火热处理，消除约束引起的内部应力。
【文档编号】B23K37/04GK103862215SQ201410115599
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】李晓泉, 闫业良, 申赛刚, 邹华 申请人:南京工程学院