贮箱焊接保形工装系统及其使用方法与流程

本发明属于航天运载器液体推进剂贮箱制造装备的，具体涉及一种适用于薄壁不锈钢贮箱端口切割、端面修口、对接焊接、端面矫形及总装对接全工序的贮箱焊接保形工装系统及其使用方法。

背景技术：

1、薄壁不锈钢贮箱是航天液体推进系统的核心承压构件，典型结构由筒段、箱底及短壳等部件焊接成型，制造过程涵盖筒段与箱底卷圆焊接、端口切割、端面修口、吊装转运、箱底与短壳组对焊接、箱底与筒段组焊、筒段间对接环焊等多道工序。由于贮箱工件壁薄、整体刚性差，在切割、焊接、吊装及翻转等工序中易出现筒段直径收缩、端面失圆、法兰翘曲变形等问题，直接影响产品形位精度与对接密封性能，因此需配套保形工装对工件形位精度进行约束。

2、目前行业内普遍采用单工序独立配套工装的模式：箱底与短壳组焊配置简易定位架、筒段对接配置独立外径保形环、端面校形配置整体刚性校圆环，各工装独立设计、分工序使用，工装间定位基准不互通，工序切换需人工打表找正，缺乏便捷的基准对齐结构，不具备跨工序通用能力。现有相关工装方案均以单工序专用工装为主，存在以下显著缺陷：

3、（1）端面矫形精度不足，局部失圆难以矫正：传统修复工装采用整体刚性环结构，仅能约束工件整体直径，而对接焊缝区域的焊接收缩量显著大于基体部位，变形沿周向分布不均，局部凹陷无法得到有效支撑校正，导致端面局部圆度偏差大，后续对接工序错边超差率高。

4、（2）内撑工装功能单一，现场辅助工序繁琐：常规内撑工装仅具备径向撑圆功能，焊接衬垫、焊缝背部保护气路需单独布设安装；而贮箱筒内操作空间狭窄，构件对位难度大、作业效率低，易造成焊缝背部氧化，焊接质量一致性难以保障。

5、（3）法兰组焊定位刚性弱，形位精度难以保证：现有组对工装多仅关注同轴度定位，缺乏对法兰焊接过程的轴向持续刚性约束，薄壁不锈钢法兰受焊接热输入影响易发生不均匀翘曲，焊后法兰端面形位精度超差率高，需后续人工修磨，影响产品密封可靠性。

6、（4）工装通用性差，制造成本居高不下：端口切割、对接环焊、端面矫形等环节分别制备独立环形工装，结构形式雷同但接口规格不通用，全流程生产需配套多套工装，制造成本与仓储占用高，难以适应航天领域多型号、小批量的生产模式，多型号生产的工装投入大、制备周期长。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种贮箱焊接保形工装系统及其使用方法，旨在解决现有工装通用性差、端面局部失圆难校正、法兰焊接形位精度超差、内撑作业繁琐等技术问题，覆盖成型、切割、矫形、焊接、转运全流程，提升加工精度与生产效率，降低制造成本。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种贮箱焊接保形工装系统，包括：

4、筒段外径保持工装，所述筒段外径保持工装设置为对开式两半环拼接结构，用于从外部刚性约束贮箱工件外径与整体圆度；

5、对接气保内撑工装，用于与筒段外径保持工装配合实现内外协同控形；所述对接气保内撑工装设置为分体式结构，全部零件可经贮箱人孔装入工件内部，所述对接气保内撑工装集成有径向支撑单元和背部保护气通道；

6、对接口修复工装，用于配合筒段外径保持工装对贮箱端面加厚区进行局部失圆校正；所述对接口修复工装包括法兰支架与多段独立可调的分段垫板，所述分段垫板沿周向排布于法兰支架内侧；

7、短壳定位工装，用于固定短壳与箱底；所述短壳定位工装包括短壳外径保持支架以及与短壳外径保持支架螺接的箱底定位板；

8、所述筒段外径保持工装、对接口修复工装与短壳定位工装均设置有规格统一的法兰接口、把合孔与销孔，各所述法兰接口之间能够相互可拆卸地连接，以使各工装能够跨工序互换复用。

9、进一步地，所述筒段外径保持工装由两个对称设置的半支架、连接螺栓、螺母以及圆柱定位销组成，两个所述半支架的对接端面处分别设置有把合孔和定位销孔，两个所述半支架通过穿设于把合孔中的连接螺栓以及穿设于定位销孔中的圆柱定位销对接定位并固连。

10、进一步地，所述径向支撑单元包括内撑块、内撑法兰和内撑楔块，所述内撑块沿内撑法兰内侧周向布置，所述内撑楔块设置于内撑块与内撑法兰之间并能够沿径向驱动内撑块移动，使内撑块紧密贴合贮箱内壁加厚区；

11、所述背部保护气通道开设于内撑块上，所述背部保护气通道外端设置有可拆卸管帽，气路沿周向均匀输出并在焊缝背面形成保护气幕。

12、进一步地，所述对接口修复工装的所述分段垫板沿周向均分为6段，各段所述分段垫板分别独立安装于法兰支架上，且分别能够沿径向独立调节位置，所述分段垫板的内径均按贮箱加厚区理论内径卷圆成型。

13、进一步地，所述短壳定位工装还包括人孔定位板，所述人孔定位板设有与箱底中心法兰上相同的把合孔；所述箱底定位板的外环设有与短壳定位环板的法兰接口上相同的把合孔，并通过连接螺栓连接固定。

14、进一步地，还包括辅助工件，所述辅助工件包括起吊吊耳、翻转吊耳和间距支撑；所述起吊吊耳安装于半支架上，用于筒段外径保持支架工装的安装和拆卸；所述翻转吊耳安装于筒段外径保持支架工装上，用于筒段的水平或竖立吊装；所述间距支撑安装于筒段外径保持支架工装两端面或短壳定位工装端面，用于保证对接焊的操作空间，限定工装轴向位置。

15、本发明还提供一种贮箱焊接保形工装系统的使用方法，采用权利要求上述的贮箱焊接保形工装系统，包括：

16、s1：筒段焊前处理：将筒段外径保持支架工装装配到胀形切割封头后的贮箱筒段，借助起吊吊耳、翻转吊耳完成筒段吊装与姿态翻转；然后对筒段加厚区进行粗切割；再利用对接口修复工装对筒段加厚区的对接焊口进行修复；

17、s2：箱底焊前处理：将筒段外径保持支架工装装配到箱底，对胀形后的箱底进行粗切割；然后装配对接口修复工装对箱底加厚区的对接焊口进行修复；将焊接短壳后的箱底安装至短壳定位工装，进行箱底开孔定位与加工；

18、s3：对接焊接作业：将箱底短壳组对完成后，再与筒段组对，最后筒段之间组对封箱焊；利用筒段外径保持支架工装、短壳定位工装和对接气保内撑工装依次完成筒段间对接焊、筒段与箱底对接焊。

19、进一步地，在焊接过程拆下背部保护气通道外端对应的管帽，向焊缝内侧通入保护气体。

20、进一步地，筒段-筒段对接、筒段-箱底对接装配时，两侧工装依靠法兰接口上的销孔、把合孔实现周向定位；间距支撑均匀布置于工装端面周向，保证对接焊缝周向间隙均匀；焊接完成后，依次拆除间距支撑、对接气保内撑工装、各类外部支架工装，取出焊接成品贮箱。

21、本发明的有益效果：

22、（1）全流程跨工序通用，大幅降低制造成本：以筒段外径保持工装为通用基础构件，对接口修复工装、对接气保内撑工装、短壳定位工装的法兰接口、把合孔与销孔规格完全统一，各工装均可跨工序、跨部位复用，无需分工序制备独立工装，大幅减少工装数量，降低制造成本与仓储占用，适配航天领域多型号、小批量的生产模式。

23、（2）分段式局部矫形，显著提升对接精度：对接口修复工装采用多段独立可调的分段垫板结构，可针对加厚区局部失圆进行多点独立微调，精准修正焊缝区域的局部凹陷与凸起，修复效果远优于传统整体刚性环，有效降低后续对接工序的错边超差率，保证对接处外径一致性。

24、（3）法兰形位精度可控，密封可靠性提升：短壳与箱底用箱底定位板与短壳外径保持支架固定，保证短壳与箱底对接焊时的同轴度、垂直度、平面度，全程约束焊接翘曲，焊后无需二次修磨即可满足密封对接要求；箱底中心法兰与工装人孔定位板采用螺栓连接，保证焊前法兰与箱底端面的同轴度与平行度，从根源抑制薄壁不锈钢法兰的焊接翘曲变形。

25、（4）功能集成化设计，提升焊接质量与作业效率：对接气保内撑工装集成径向支撑、焊接衬垫、背部氩气保护三重功能，分体式结构可经贮箱人孔完成装配，筒外单管即可实现供气，一次装夹可完成多项作业，大幅精简现场工序；同时周向均匀的保护气幕可避免焊缝背部氧化，保障焊缝根部成型质量的稳定性。

26、（5）内外协同控形，焊后变形可控：筒段外径保持工装与对接气保内撑工装配合使用，从外部刚性约束整体圆度，从内部提供径向刚性支撑，形成内外协同控形机制，有效抵消焊接收缩变形，保证对接环焊后筒段的整体圆度与直径尺寸。