一种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种拼焊板整体成形装置及方法。
【背景技术】
[0002] 封头等曲面件在石油化工、航空航天等领域应用广泛，直径一般在2000mm以上， 是一种大型的曲面板材零件。现有的制造方法是拉深或者拉形方法制造出瓜瓣件，再将瓜 瓣拼焊成球面件。由于该类零件通常和筒段组合构成压力容器，因此对焊缝的可靠性及承 载能力要求高。目前现有的先分块成形再焊接的成形方法，其缺点是焊缝多，拘束度大，强 制装配、焊接变形容易产生高水平焊接残余应力，承压条件下可靠性低。目前，迫切需要解 决现有焊接残余应力高、可靠性差等问题，以满足使用环境的服役要求。
[0003] 要从根本上解决上述问题，则需采用整体成形技术替代先成形再拼焊的制造方 式，减少焊缝。目前，板材宽度一般在2500mm左右，不能满足整体成形所需的坯料尺寸要 求，整体成形仍需拼焊的平板坯料。由于存在焊缝和母材性能的差异，尤其对于铝合金差异 更为明显，且曲面件拉深成形过程中处于底部的焊缝受到双向拉应力的作用，应力水平高， 焊缝容易发生破裂，制约试件整体成形的可成形性。针对上述问题，现有技术没有给出适合 于大型曲面件的拼焊板拉深方法及装置。
【发明内容】
[0004] 要解决的技术问题：
[0005] 针对拼焊板拉深过程中焊缝产生破裂缺陷，而且无法成形出大型拼焊板曲面件的 问题，本发明提供了一种大型曲面件的拼焊板拉深方法及装置，以避免拉深过程中焊缝的 破裂、成形出大型拼焊板曲面件。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0007] -种大型曲面件的拼焊板整体拉深成形装置，所述装置包括凸模、压边圈、凹模和 充液室；凹模置于充液室之上且二者密封连接，凹模的下平面与充液室的上平面固定连接； 压边圈设在凹模上方；凸模可沿压边圈、凹模上下移动；充液室设有与其介质腔相通的注 液孔，注液孔用于与液压系统连接；其特征在于，压边圈与凹模之间用于放置板料，所述的 板料是指非等厚拼焊板；
[0008] 在凸模的型面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凸模沟槽，同时在压 边圈的内孔及下表面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的压边圈沟槽，用于约束 厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形；
[0009] 或者，在凹模的上表面及内孔上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凹模 沟槽，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形。
[0010] 所述板料是一面为焊缝所在的厚壁区厚度高于其他薄壁区厚度的阶梯表面、另一 面为直面的非等厚拼焊板。
[0011] 所述板料沿焊缝左右轴对称，板料的厚壁区和薄壁区在焊缝左右轴也对称分布。
[0012] 当非等厚拼焊板的阶梯表面朝上时，所述凸模沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面经 过凸模的轴线，凸模沟槽沿凸模的外表面延伸形状与凸模型线轮廓形状一致，凸模沟槽的 横截面形状与板料的厚壁区形状相当；所述压边圈沟槽是沿压边圈轴线镜像相对设置的两 部分沟槽，每部分沟槽包括设置在压边圈内孔孔壁上且与内孔等高的压边圈内孔沟槽和设 置在压边圈下表面且贯通环壁的压边圈下表面沟槽，且压边圈内孔沟槽和压边圈下表面沟 槽在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过压边圈的轴 线；压边圈沟槽的横截面形状与板料的厚壁区形状相当。
[0013] 当非等厚拼焊板的直面朝上时，所述凹模沟槽是沿凹模轴线镜像相对设置的两部 分沟槽，每部分沟槽包括设置在凹模上表面且贯通环壁的凹模上表面沟槽和设置在凹模内 孔孔壁上且与内孔等高的凹模内孔沟槽，且凹模上表面沟槽和凹模内孔沟槽在交汇处圆滑 过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过凹模的轴线；凹模沟槽的横 截面形状与板料的厚壁区形状相当。
[0014] 所述非等厚拼焊板经机械加工后的厚壁区与薄壁区的厚度比不小于1. 5,厚壁区 与薄壁区圆角过渡，圆角大于厚壁区与薄壁区的厚度差。
[0015] 所述凸模沟槽和压边圈沟槽截面的宽度和深度大于板料厚壁区0. 5_，截面的凸 圆角大于板料厚壁区与薄壁区的过渡圆角0. 5mm。
[0016] 所述凹模沟槽截面的宽度和深度大于板料厚壁区0. 5mm，截面的凸圆角大于板料 厚壁区与薄壁区的过渡圆角0. 5mm。
[0017] 利用上述成形装置的大型曲面件的拼焊板整体拉深成形方法，该方法的步骤如 下：
[0018] 步骤一、充液室的充液孔与液压系统连接：首先将充液室上的注液孔与液压系统 连接，然后向介质腔内注入流体介质；
[0019] 步骤二、然后在凹模上表面放置非等厚的板料，板料具有阶梯表面的一面向上；
[0020] 步骤三、压边圈向下移动并施加压边力，压边圈凹槽与板料厚壁区吻合：
[0021] 通过液压机的压边缸控制压边圈向下移动，压边圈的沟槽至与板料吻合，厚壁区 进入板料的凹槽，压边圈下表面与薄壁区接触并施加压边力F，压边力F为压边圈、凹模之 间的板料所受到夹持部分的法兰区面积与单位压边力的乘积；
[0022] 步骤四、通过液压机的主缸控制凸模向下移动，直到凸模的凹槽与板料的厚壁区 相吻合并与薄壁区接触，通过充液孔向充液室内充入液体介质，充液室内逐步填满液体介 质，空气逐步被排出，并使充液室内部建立起5MPa的压力；
[0023] 步骤五、当充液室内部建立起5MPa的压力后，凸模下行，增加压边圈的压边力至 3000KN?5000KN，通过充液孔继续向充液室充入液体介质，提高充液室内部液体介质的压 力至15MPa，直至拉深结束，成形出拼焊板曲面件。
[0024] 本发明具有以下有益效果：
[0025] 本发明提出一种大型曲面件的拼焊板拉深方法及装置适于对采用等强度承载设 计的非等厚对称拼焊板的充液拉深成形，制造较大型的整体曲面件。
[0026] 本发明优点是通过等强度承载设计的非等厚拼焊板，使焊缝承载截面厚度增大， 降低垂直焊缝方向所受的拉应力，抗破裂能力提高；板料厚壁区截面与凸模型面的沟槽相 吻合，约束厚壁区垂直焊缝方向发生较大的变形，进一步提高焊缝的抗失稳破裂能力；另 夕卜，利用充液拉深成形过程中的充液室压力可增强坯料与凸模之间的有益摩擦，减小拉应 力，降低薄弱的焊缝区破裂的可能性；焊缝长度方向经历塑性变形，强度高，试件承压能力 强。对于大型复杂曲面件，采用非等厚拼焊板，可实现整体成形，避免先成形后焊接产生的 焊接应力，制件承压能力及耐冲击能力强，可靠性高。本发明方法及装置用于采用等强度承 载设计的非等厚对称拼焊板的充液拉深成形。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明所述成形装置结构示意图（主视剖视图），图2为本发明中的凸模1 的主视剖视图，图3是图2的在视图；图4为压边圈2的主视剖视图，图5是图4的俯视图； 图6为板料7的俯视图（图中，A表示薄壁区，B表示厚壁区，C表示焊缝），图7是图6的 D-D剖视图；图8是凹模3的主视剖视图，图9是图8的俯视图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0028] 一：如图1至7所示，本实施方式所述的大型曲面件的拼焊板整体拉 深成形装置包括凸模1、压边圈2、凹模3和充液室4 ;凹模3置于充液室4之上且二者通过 密封圈6密封连接，凹模3的下平面与充液室4的上平面固定连接；压边圈2设在凹模3上 方；凸模1可沿压边圈2、凹模3上下移动；充液室4设有与其介质腔5相通的注液孔4-1， 注液孔4-1用于与液压系统连接；压边圈2与凹模3之间用于放置板料7,所述的板料7是 指非等厚拼焊板；
[0029] 如图2-5,在凸模1的型面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凸模沟 槽1-1，同时在压边圈2的内孔及下表面上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的压 边圈沟槽2-1，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形；
[0030] 所述板料7是一面为焊缝所在的厚壁区厚度高于其他薄壁区厚度的阶梯表面、另 一面为直面的非等厚拼焊板。所述板料7沿焊缝左右轴对称（所述焊缝为直缝），板料7的 厚壁区和薄壁区在焊缝左右轴也对称分布。
[0031] 所述凸模沟槽1-1沿其延伸方向的中心纵剖面经过凸模1的轴线（凸模1的凹槽 与过凸模1轴心的面对称，且分布于整个凸模1的外表面），凸模沟槽1-1沿凸模1的外表 面延伸形状与凸模型线轮廓形状一致，凸模沟槽1-1的横截面形状与板料7的厚壁区形状 相当；
[0032] 所述压边圈沟槽2-1是沿压边圈2轴线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽 包括设置在压边圈内孔孔壁上且与内孔等高的压边圈内孔沟槽2-1-1和设置在压边圈下 表面且贯通环壁的压边圈下表面沟槽2-1-2,且压边圈内孔沟槽2-1-1和压边圈下表面沟 槽2-1-2在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的中心纵剖面共面且经过压边 圈2的轴线（压边圈2的凹槽与过压边圈2轴心的面对称，且分布于压边圈2的下表面、内 孔面及圆角区域）；压边圈沟槽2-1的横截面形状与板料7的厚壁区形状相当。
[0033] 本实施方式所述的装置适于当非等厚拼焊板的阶梯表面朝上时，即非等厚拼焊板 的阶梯表面朝上置于压边圈2和凹模3之间的情形。
[0034]
【具体实施方式】二：如图8和9所示，本实施方式所述的大型曲面件的拼焊板整体拉 深成形装置，仅在凹模3的上表面及内孔上开有与板料焊缝所在的厚壁区形状相吻合的凹 模沟槽3-1，用于约束厚壁区垂直于焊缝的方向发生变形。所述凹模沟槽3-1是沿凹模3轴 线镜像相对设置的两部分沟槽，每部分沟槽包括设置在凹模上表面且贯通环壁的凹模上表 面沟槽3-1-1和设置在凹模内孔孔壁上且与内孔等高的凹模内孔沟槽3-1-2,且凹模上表 面沟槽3-1-1和凹模内孔沟槽3-1-2在交汇处圆滑过渡连通；两部分沟槽沿其延伸方向的 中心纵剖面共面且经过凹模3的轴线；凹模沟槽3-1的横截面形状与板料7的厚壁区形状 相当。
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