一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法与流程

1.本技术涉及风洞领域，尤其涉及一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法。


背景技术：

2.自风洞问世以来，应用风洞技术进行空气动力研究和飞行器研制获得了重大进展，其作用也日趋显著。但随着试验对象(如飞行器)日益大型化，常规风洞试验面临一些严峻挑战，其中最重要的就是常规风洞无法在全尺寸雷诺数内进行试验，而高雷诺数风洞试验是实现飞行器气动力精细设计和飞行性能准确预测的前提和保证，低温风洞就是为解决这一问题诞生并发展起来的。低温风洞都需要设计拐角段，拐角段能实现气流90
°
转向，由二个45
°
斜切直筒体与椭圆环组成。改变气流转向的高精度导流片安装在椭圆环内，如何保证椭圆环制作过程中的成型精度是确保拐角段制作质量的关键因素。
3.低温风洞通常设计为回流型，具有尺寸不一致的四个拐角段。尺寸较小的拐角段椭圆环短轴尺寸通常设计在5.5m以下，相应长轴尺寸在7.8m以下，采用奥氏体不锈钢制作，现有的制作工艺有下述两种：
4.(1)压制成型
5.将椭圆环壳体沿其长轴方向切分为两个分段，两个对称分段采用压制成型的方法进行壳体不同曲率的加工，各分段在液压机中以顶压的方式加工成型。顶压过程中需要工人师傅凭借经验调整模具的顶压深度，加工过程繁琐且效率低下。
6.(2)四心圆法分段辊制
7.将椭圆环壳体按照四心圆法分成四个分段(上下和左右为两个相同的对称分段)，分为r1和r2两个曲率进行辊制，然后拼装焊接。该工艺有二处弊端：一是壳体长、短轴线处曲率与标准椭圆一样，而偏离长、短轴线处壳体曲率存在偏差，偏离角度越大，曲率偏差越大，短轴轴线处二个分段由于曲率较大，偏差更明显。由于偏差范围广，偏差度大，采用火焰或刚性校正效率低下，且难以保证成型精度。同时，奥氏体不锈钢不能采用火焰校正，而不锈钢存在应变硬化，采用刚性校正难度较大。二是分为四个分段辊制，壳体纵焊缝数量较多，焊接变形和焊后尺寸控制困难，焊后壳体成型精度无法保证。
8.(3)t型加强圈与壳体组焊工艺
9.t型加强圈的腹板与翼板通常先组焊完成后再与壳体组焊，该工艺依靠翼板整体圆周约束力能有效减小腹板与壳体的焊接变形。但小型椭圆环轴线宽度较窄，因此t型加强圈间的间距较小，焊接空间极小，导致t型加强圈组焊完成后难以与壳体再进行全熔透焊接，且焊接变形不易控制。


技术实现要素：

10.本技术的目的之一在于提供一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法，旨在改善现有的低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环拼装及焊后精度控制困
难的问题。
11.本技术的技术方案是：
12.一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法，包括以下步骤：
13.步骤一，将椭圆环壳体划分为两段连续变曲率进行辊制：根据风洞拐角段椭圆环壳体长短轴长度比设计为的特点，利用“三点画圆”的原理将所述椭圆环壳体分为n种曲率共4+4
×
(n
‑
2)段圆弧，且n≥3；以所述椭圆环壳体的短轴象限点为基准，将所述短轴象限点沿着标准椭圆轮廓线向左或向右移动250～350mm，而将所述椭圆环壳体划分成第一圆弧板和第二圆弧板，所述第一圆弧板与所述第二圆弧板间相连接的两条纵焊缝距离所述短轴象限点250～350mm；采用四辊卷板机将所述第一圆弧板与所述第二圆弧板进行连续变曲率辊制；
14.步骤二，进行圆弧板壳体拼装：先在钢平台上画出标准椭圆扩大轮廓线，所述标准椭圆扩大轮廓线相比于所述标准椭圆轮廓线整体往外偏移1.3～1.5mm，周长扩大7.5～9.5mm；测量所述第一圆弧板与所述第二圆弧板的端头、中间共六处在所述钢平台上待拼装位置的标高，并将该六处待拼装位置的标高调整一致；将辊制后的所述第一圆弧板与所述第二圆弧板进行第二次切割，并进行坡口加工后所述第一圆弧板与所述第二圆弧板的最终长度相对于所述标准椭圆的理论长度的偏差为
±
1mm；沿着所述标准椭圆扩大轮廓线拼装所述第一圆弧板与所述第二圆弧板；
15.步骤三，对所述圆弧板壳体曲率进行局部校正：所述第一圆弧板与所述第二圆弧板壳体拼装完成后，找出所述第一圆弧板与所述第二圆弧板壳体轮廓线与所述标准椭圆扩大轮廓线的偏差处，进行刚性校正，校正完成后进行所述第一圆弧板与所述第二圆弧板相连接处的纵焊缝的点固焊；
16.步骤四，对所述圆弧板壳体安装支撑结构：将所述圆弧板壳体纵焊缝点固焊完成后，在所述圆弧板壳体的内部安装所述支撑结构；
17.步骤五，对所述椭圆环壳体进行焊接：所述支撑结构拼装焊接完成后，对所述椭圆环壳体的所述第一圆弧板与所述第二圆弧板相连接处的两条纵焊缝进行焊接；焊接后每条奥氏体不锈钢纵焊缝收缩4～5mm，所述椭圆环壳体的周长与所述标准椭圆的理论周长偏差≤2mm；
18.步骤六，对所述圆弧板壳体进行t型加强圈的组焊：在所述圆弧板壳体的外周壁上由下至上的拼装两层所述t型加强圈的腹板和筋板，将两层所述t型加强圈的所述腹板和所述腹板之间的多个平行间隔设置的所述筋板组装完成后，先焊接相连接的所述腹板之间的拼接焊缝，然后焊接所述筋板与所述圆弧板壳体之间的焊缝，再焊接所述腹板与所述圆弧板壳体之间的焊缝，最后焊接所述筋板与所述腹板之间的焊缝；
19.步骤七，对所述椭圆环壳体的扭曲变形处进行校正：采用水准仪测量所述椭圆环壳体上端面的标高，测量位置位于相邻的两个所述筋板之间；对所有的标高数据进行分析并以最低的标高为基准，采用门卡板和千斤顶将所有测量点的标高调整成一致，校正所述椭圆环壳体的扭曲变形；
20.步骤八，对所述t型加强圈的翼板进行组焊；将所述椭圆环壳体扭曲变形校正完毕后，拼装所述t型加强圈的翼板；拼装时将所述翼板与所述腹板进行点固焊，拼装完成后焊接所述翼板的对接焊缝，从而将t型加强圈形成一个整体，对所述椭圆环壳体形成整体约
束；所述翼板与所述腹板的焊缝采用对称k型坡口，焊接前拆除所述门卡板和所述千斤顶，然后在上翼板和下翼板上点焊防变形钢条，防变形钢条布置在相邻的两个所述筋板之间；先焊接完成所述上翼板、所述下翼板分别与所述腹板之间的正面焊缝，然后将所述椭圆环壳体翻转180
°
，最后焊接所述上翼板、所述下翼板分别与所述腹板之间的反面焊缝。
21.作为本技术的一种技术方案，在步骤一中，所述第一圆弧板与所述第二圆弧板的长度相同。
22.作为本技术的一种技术方案，在步骤四中，所述支撑结构包括壳体内支撑结构和焊缝支撑结构；所述壳体内支撑结构包括长钢管和三组支撑管，所述长钢管沿所述椭圆环壳体的长轴轴线设置，且两端分别连接于所述椭圆环壳体的相对两个内壁，三组所述支撑管分别平行间隔地垂直焊接于所述长钢管上，且两端分别连接于所述椭圆环壳体的相对两个内壁上，其中一组所述支撑管沿所述椭圆环壳体的短轴轴线上设置，另外两组所述支撑管分别通过所述椭圆环壳体的椭圆焦点；所述焊缝支撑结构包括两组由下至上平行间隔设置的连接钢管和弧形马板，处于所述椭圆环壳体的短轴轴线上的一组所述支撑管处于两个所述连接钢管之间，每个所述连接钢管的两端均连接有所述弧形马板，两个所述弧形马板分别点焊于所述椭圆环壳体相对两个内壁的纵焊缝处。
23.作为本技术的一种技术方案，每组所述支撑管均包括两个短钢管，两个所述短钢管处于同一直线上，且每个所述短钢管的一端垂直焊接于所述长钢管的一侧上，另一端焊接于所述椭圆环壳体的内壁上。
24.作为本技术的一种技术方案，其中一组所述弧形马板距离所述椭圆环壳体的上端面90～120mm，另一组所述弧形马板距离所述椭圆环壳体的下端面90～120mm。
25.作为本技术的一种技术方案，在步骤六中，所述t型加强圈的所述腹板与所述筋板进行组焊时，将所述腹板与所述椭圆环壳体之间的连接焊缝采用非对称k型坡口进行平仰位置焊接，所述筋板、所述腹板以及所述椭圆环壳体之间的焊缝采用对称k型坡口。
26.作为本技术的一种技术方案，在步骤七中，所述门卡板为l型钢块，所述门卡板的长腿焊接在待校正所述椭圆环壳体内的所述钢平台上，短腿位于待校正的所述椭圆环壳体上端面的上；将所述千斤顶放置于所述门卡板的短腿和待校正的所述椭圆环壳体上端面之间，利用所述千斤顶顶压所述椭圆环壳体上端面，从而降低该处的所述椭圆环壳体上端面的标高。
27.作为本技术的一种技术方案，在步骤八中，焊接所述下翼板与所述腹板的正面焊缝、所述上翼板与所述腹板的反面焊缝时，均采用反光镜辅助焊接。
28.本技术的有益效果：
29.本技术的一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法，其可用于制作短轴尺寸在5.5m以下、相应长轴尺寸在7.8m以下的低温风洞用小型拐角段奥氏体不锈钢椭圆环，具有方法简单、制作效率高、成型精度高、操作容易等特点，解决了低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环拼装及焊后精度控制的难题，与现有的成型方法相比具有以下优点：
30.(一)本方法将低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环壳体分成两个分段进行辊制，适合于小型拐角段奥氏体不锈钢椭圆环的制作；相对于其他分段工艺，减少了纵焊缝数量，有效减少了焊接变形及焊后尺寸变化，且分断位置合理，使操作更加容易，效率更高；
两个分段采用连续变曲率辊制，极大地减小了曲率偏差范围，提高了成型精度，解决了奥氏体不锈钢无法采用火焰校正或采用刚性校正效率低下的难题；
31.(二)本方法通过预判奥氏体不锈钢纵焊缝的收缩量，将椭圆环壳体进行扩大尺寸拼装，使壳体焊后尺寸更加接近标准椭圆周长，成型精度更高；焊前通过在椭圆环壳体内设置支撑结构，解决了椭圆环壳体焊后曲率偏差、成型精度降低的难题。
32.(三)本方法通过制定合理的外部加强筋焊接顺序及工艺措施，有效解决了小型拐角段椭圆环外部加强筋焊接空间狭小难以保证焊接质量的难题；在焊接工序中制定合理的校正工艺，解决了外部加强筋焊接导致椭圆环壳体扭曲变形的难题，进一步提高了拐角段椭圆环的成型精度。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
34.图1为本技术实施例提供的椭圆环壳体的第一圆弧板和第二圆弧板示意图；
35.图2为本技术实施例提供的钢平台调整标高示意图；
36.图3为本技术实施例提供的椭圆环壳体拼装示意图；
37.图4为本技术实施例提供的t型加强圈的腹板和筋板拼焊示意图；
38.图5为本技术实施例提供的椭圆环壳体扭曲变形校正示意图；
39.图6为本技术实施例提供的t型加强圈翼板拼焊示意图。
40.图标：1
‑
第一圆弧板；2
‑
第二圆弧板；3
‑
钢平台；4
‑
标准椭圆扩大轮廓线；5
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待拼装位置；6
‑
支撑结构；7
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连接钢管；8
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弧形马板；9
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短钢管；10
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长钢管；11
‑
腹板；12
‑
筋板；13
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门卡板；14
‑
千斤顶；15
‑
防变形钢条；16
‑
翼板；17
‑
纵焊缝。
具体实施方式
41.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
44.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的
方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
45.此外，在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
46.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
47.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
48.实施例：
49.请参照图1，配合参照图2至图6，本技术提供一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法，包括以下步骤：
50.步骤一，将椭圆环壳体划分为两段连续变曲率进行辊制：根据风洞拐角段椭圆环壳体长短轴长度比设计为的特点，利用“三点画圆”的原理将椭圆环壳体分为n种曲率共4+4
×
(n
‑
2)段圆弧，且n≥3为宜；以椭圆环壳体的短轴象限点为基准，将短轴象限点沿着标准椭圆轮廓线向左或向右移动250～350mm，从而将椭圆环壳体划分成第一圆弧板1和第二圆弧板2，第一圆弧板1的两端与第二圆弧板2的两端间相连接的两条纵焊缝17距离短轴象限点250～350mm；采用四辊卷板机将第一圆弧板1与第二圆弧板2进行连续变曲率辊制；
51.步骤二，进行圆弧板壳体拼装：先在钢平台3上画出标准椭圆扩大轮廓线4，标准椭圆扩大轮廓线4相比于标准椭圆轮廓线整体往外偏移1.3～1.5mm，周长扩大7.5～9.5mm；测量第一圆弧板1与第二圆弧板2相连接处的两个端头、中间共六处在钢平台3上待拼装位置5的标高，并将该六处待拼装位置5的标高调整一致；将辊制后的第一圆弧板1与第二圆弧板2进行二次切割，并进行坡口加工后第一圆弧板1与第二圆弧板2的最终长度相对于标准椭圆的理论长度的偏差为
±
1mm；沿着标准椭圆扩大轮廓线4拼装第一圆弧板1与第二圆弧板2；
52.步骤三，对圆弧板壳体曲率进行局部校正：第一圆弧板1与第二圆弧板2壳体拼装完成后，找出第一圆弧板1与第二圆弧板2壳体轮廓线与标准椭圆扩大轮廓线4的偏差处，进行刚性校正，校正完成后进行第一圆弧板1与第二圆弧板2相连接处的纵焊缝17的点固焊；
53.步骤四，对圆弧板壳体安装支撑结构6：将圆弧板壳体纵焊缝17点固焊完成后，在圆弧板壳体的内部安装支撑结构6；
54.步骤五，对椭圆环壳体进行焊接：支撑结构6拼装焊接完成后，对椭圆环壳体的第一圆弧板1与第二圆弧板2相连接处的两条纵焊缝17进行焊接；焊接后每条奥氏体不锈钢纵焊缝17收缩4～5mm，椭圆环壳体的椭圆环周长与标准椭圆的理论周长偏差≤2mm；
55.步骤六，对圆弧板壳体进行t型加强圈的腹板11和筋板12的组焊：在圆弧板壳体的
外周壁上由下至上的拼装两层t型加强圈，将两层t型加强圈的腹板11和腹板11之间的多个平行间隔设置的筋板12组装完成后，先焊接相连接的腹板11之间的拼接焊缝，然后焊接筋板12与圆弧板壳体之间的焊缝，再焊接腹板11与圆弧板壳体之间的焊缝，最后焊接筋板12与腹板11之间的焊缝；
56.步骤七，对椭圆环壳体的扭曲变形处进行校正：椭圆环壳体尺寸小，刚性较差，t型加强圈的腹板11和筋板12组焊完成后，不可避免存在扭曲变形；因此，采用水准仪测量椭圆环壳体上端面的标高，测量位置位于相邻的两个筋板12之间；对所有的标高数据进行分析并以最低的标高为基准，采用门卡板13和千斤顶14将所有测量点的标高调整成一致，校正椭圆环壳体的扭曲变形；
57.步骤八，对t型加强圈的翼板16进行组焊；将椭圆环壳体扭曲变形校正完毕后，拼装t型加强圈的翼板16；拼装时将翼板16与腹板11进行点固焊，拼装完成后焊接翼板16的对接焊缝，从而将t型加强圈形成一个整体，对椭圆环壳体形成整体约束；翼板16与腹板11的焊缝采用对称k型坡口，焊接前拆除门卡板13和千斤顶14，然后在上翼板16和下翼板16上点焊防变形钢条15，防变形钢条15布置在相邻的两个筋板12之间；先焊接完成上翼板16、下翼板16分别与腹板11之间的正面焊缝，然后将椭圆环壳体翻转180
°
，最后焊接上翼板16、下翼板16分别与腹板11之间的反面焊缝。
58.需要说明的是，在步骤一中，第一圆弧板1与第二圆弧板2的长度相同。
59.需要说明的是，在步骤二中，标准椭圆即为实际设计过程中的设计图尺寸。
60.需要说明的是，在步骤四中，支撑结构6包括壳体内支撑结构6和焊缝支撑结构6；壳体内支撑结构6包括长钢管10和三组支撑管，长钢管10沿椭圆环壳体的长轴轴线设置，且两端分别连接于椭圆环壳体的相对两个内壁，三组支撑管分别平行间隔地垂直焊接于长钢管10上，且两端分别连接于椭圆环壳体的相对两个内壁上，其中一组支撑管沿椭圆环壳体的短轴轴线上设置，另外两组支撑管分别通过椭圆环壳体的椭圆焦点k1和k2处；焊缝支撑结构6包括两组由下至上平行间隔设置的连接钢管7和弧形马板8，处于椭圆环壳体的短轴轴线上的一组支撑管处于两个连接钢管7之间，每个连接钢管7的两端均连接有弧形马板8，两个弧形马板8分别点焊于椭圆环壳体相对两个内壁的纵焊缝17处，且与纵焊缝17相交处切割过焊孔。
61.进一步地，每组支撑管均包括两个短钢管9，两个短钢管9处于同一直线上，且每个短钢管9的一端垂直焊接于长钢管10的一侧上，另一端焊接于椭圆环壳体的内壁上。其中一组弧形马板8距离椭圆环壳体的上端面90～120mm，另一组弧形马板8距离椭圆环壳体的下端面90～120mm。
62.需要说明的是，在步骤六中，t型加强圈的腹板11与筋板12进行组焊时，将腹板11与椭圆环壳体之间的连接焊缝采用非对称k型坡口进行平仰位置焊接，筋板12、腹板11以及椭圆环壳体之间的焊缝采用对称k型坡口，下圈的腹板11与椭圆环壳体的反面焊缝焊接时，将椭圆环壳体进行整体抬升，便于焊接，焊接完成后在放置于钢平台3上。
63.此外，在步骤七中，门卡板13为l型钢块，门卡板13的长腿焊接在待校正椭圆环壳体内的钢平台3上，短腿位于待校正的椭圆环壳体上端面的上；将千斤顶14放置于门卡板13的短腿和待校正的椭圆环壳体上端面之间，利用千斤顶14顶压椭圆环壳体上端面，从而降低该处的椭圆环壳体上端面的标高。
64.在步骤八中，焊接下翼板16与腹板11的正面焊缝、上翼板16与腹板11的反面焊缝时，由于空间狭小，二者均采用反光镜辅助焊接。
65.具体地，在本实施例中，该方法应用于壳体短轴内径为5080mm、长轴内径为7184mm、材料为304l、厚度为40mm的低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的制作，利用“三点画圆”将椭圆环壳体分为4种曲率共12段圆弧。
66.综上可知，本技术的一种低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环的拼焊方法，其可用于制作短轴尺寸在5.5m以下、相应长轴尺寸在7.8m以下的低温风洞用小型拐角段奥氏体不锈钢椭圆环，具有方法简单、制作效率高、成型精度高、操作容易等特点，解决了低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环拼装及焊后精度控制的难题，与现有的成型方法相比具有以下优点：
67.(一)本方法将低温风洞拐角段小型奥氏体不锈钢椭圆环壳体分成两个分段进行辊制，适合于小型拐角段奥氏体不锈钢椭圆环的制作；相对于其他分段工艺，减少了纵焊缝17数量，有效减少了焊接变形及焊后尺寸变化，且分断位置合理，使操作更加容易，效率更高；两个分段采用连续变曲率辊制，极大地减小了曲率偏差范围，提高了成型精度，解决了奥氏体不锈钢无法采用火焰校正或采用刚性校正效率低下的难题；
68.(二)本方法通过预判奥氏体不锈钢纵焊缝17的收缩量，将椭圆环壳体进行扩大尺寸拼装，使壳体焊后尺寸更加接近标准椭圆周长，成型精度更高；焊前通过在椭圆环壳体内设置支撑结构6，解决了椭圆环壳体焊后曲率偏差、成型精度降低的难题。
69.(三)本方法通过制定合理的外部加强筋焊接顺序及工艺措施，有效解决了小型拐角段椭圆环外部加强筋焊接空间狭小难以保证焊接质量的难题；在焊接工序中制定合理的校正工艺，解决了外部加强筋焊接导致椭圆环壳体扭曲变形的难题，进一步提高了拐角段椭圆环的成型精度。
70.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本技术的保护范围之内。