阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装及其设计方法和焊接方法与流程

1.本发明涉及一种阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装及其设计方法和焊接方法，属于焊接技术领域。


背景技术：

2.目前，随着航空航天等领域的不断发展，各类高速飞行器外形结构设计日趋复杂化，并多为大曲率变截面结构。产品常需采用超塑成形、热胀定形等不同方式分别完成各类零件的制造，如示意图1所示，最终再将以不同形式制造的环形零件对接环焊而成，然而通过不同方式成形的环形零件，常出现两种零件对接接口尺寸存在差异，且各零件尺寸又满足公差要求，从而在对接时产生一定的对接阶梯(台阶)。
3.此类零件在焊接时，若工装设计不当，将难于对正对接接口，无法形成均匀分布于圆周的阶梯，而是在圆周方向上局部形成过大阶梯和局部无阶梯，造成局部严重错边，产品焊后尺寸不达标问题。如示意图2所示，图为两件需进行对接环焊且内径存在差异的零件，若焊接工艺方案设计不当，会将零件最终焊接成如示意图3(a)所示的局部明显错边状态，而非(b)均匀对正的同轴状态。
4.除上述因不同形式制造的零件对接接口存在差异外，还有一些特殊结构的变壁厚环形零件焊接也存在此类问题，如图4(b)所示，若零件对接接口不能均匀对正，同样会产生焊后局部错边问题，影响产品后期使用。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述对接接口尺寸存在差异的阶梯式环焊缝焊后易错边及同轴度、圆度不达标等问题，提出一种阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装及其设计方法和焊接方法，适用于对接焊口存在尺寸差异的阶梯式等、变径环形(圆筒形或非圆筒形)零件高精度对接环焊及辅助焊后精机加工，能够有效保证焊缝质量、焊后形位尺寸，并可显著提高焊接效率。
6.本发明提出一种所述的阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装的设计方法，具体包括以下步骤：
7.(1)、针对对接尺寸存在差异的两个环形零件的内形结构尺寸分别设计出与之对应的支撑瓣，且每套支撑瓣各自采用独立的互不干涉的传动装置，有效支撑各自零件的对接焊口，保证对接环焊零件的装配同轴度等形位尺寸，使对接阶梯均布在整个圆周，有效避免焊缝错边问题；
8.(2)、设计出具备伸缩功能的工装结构，便于各环形零件焊前装配调试及焊后拆卸；
9.(3)、设计可在端部进行调节的传动装置，在环形零件完成装配后仍可对支撑进行调节，且操作便捷；
10.优选地，所述的阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装的设计方法，具体包括以下步骤：
11.(1)、针对两个零件设计两套支撑瓣，每套支撑瓣外径分别与对应支撑零件的内径尺寸相同；
12.(2)、设计两套互为错牙的楔形传动轴，套于主轴上用于带动支撑瓣向外支撑；
13.(3)、两端设计两个带有锁底的法兰，可插于两零件端部内侧进行夹紧固定，最终完成对接环焊缝的焊接。
14.一种阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装，包括主轴、两个进退旋转轴、两个传动杆、两个传力杆、两个楔形传动轴和支撑瓣组合，支撑瓣组合包含两套支撑瓣；
15.所述主轴的两端分别各安装有进退旋转轴，每个进退旋转轴与传动杆连接，每个传动杆的末端垂直安装有传力杆，两个传力杆分别将力传递给两个楔形传动轴，每个楔形传动轴的外周分别安装有支撑瓣。
16.优选地，一号支撑瓣和二号支撑瓣的位置关系为紧贴合的交错形式。
17.优选地，每套支撑瓣设计成4瓣，各个支撑瓣间设置有间隙，用于支撑瓣向内收缩。
18.优选地，所述阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装还包括支撑盘，所述支撑盘套于主轴的外周，用于保证两套支撑瓣垂直于主轴径向伸缩。
19.优选地，所述支撑盘由带孔的减重圆盘和八个支撑脚组成，每个支撑脚呈h型，八个支撑脚周向均布在圆盘上，所述圆盘套在主轴外，每个支撑脚末端内安装有弹簧，支撑瓣顶杆穿过支撑脚的末端和弹簧，弹簧的作用是在支撑瓣撑起和收缩的过程中始终保证楔形传动轴与支撑瓣保持紧密贴合。
20.优选地，两个楔形传动轴包括一号楔形传动轴和二号楔形传动轴，每个楔形传动轴由轴套和楔形牙组成，所述轴套套在主轴外周，每个轴套上设置有四个楔形牙，所述一号楔形传动轴和二号楔形传动轴互为错牙，且运动时彼此不会产生干涉。
21.优选地，两个楔形传动轴的轴套与主轴相对的位置设置有活动槽，所述传力杆纵向贯穿轴套与主轴，两个传力杆通过传动杆带动其在活动槽内前后运动，再通过传力杆运动进一步带动楔形传动轴及支撑瓣运动。
22.一种利用所述的阶梯式闭合形零件高精度对接环焊内撑工装的焊接方法，具体包括以下步骤：
23.(1)、根据两个零件的内径尺寸设计出两套支撑瓣，每套支撑瓣的外径尺寸分别与对应支撑零件的内径尺寸相同；各支撑瓣间设有一定的间隙，用于支撑瓣径向收缩，所述支撑瓣进行减重设计，为保证强度中间设有起加强作用的立筋；
24.(2)、将两套支撑瓣进行组合，两套支撑瓣组合的位置关系设计成互为贴合的交错形式，将其插入支撑盘中，此时支撑盘用于套装支撑瓣顶杆，其孔心投影距离与交错贴合支撑瓣顶杆的轴心投影距离相同，支撑盘使两套支撑瓣紧密贴合，并保证支撑瓣顶出与收缩均指向相同的轴心，且垂直于主轴；同时互为交错贴合形式的支撑瓣组合的各个支撑瓣能够实现彼此的制约，防止各支撑瓣发生扭转；
25.(3)、每套支撑瓣独立对应一套楔形传动轴，每个楔形传动轴的4个楔面与水平方向的主轴轴线呈相同的角度；两个楔形传动轴受外力在主轴上滑动，可将水平方向的推力转化成推动支撑瓣顶杆竖直向外的动力，且每个方向支撑程度一致，最终达到对环焊缝各
个方向上等同的支撑；
26.(4)、一号楔形传动轴和二号楔形传动轴装配后互为错牙，各自运动时互无影响，在扩张和收缩时彼此不会造成干涉，满足独立控制；
27.(5)、将用于支撑零件焊缝的各个工装单元组装成整体，每个楔形传动轴依靠传力杆带动运动，传力杆能够在主轴上的活动槽中运动；
28.(6)、所述传力杆是通过扳手、工装前后两端进退旋转轴和传动杆逐级传动带动其进退运动，最终实现两套支撑瓣自由的扩张与收缩，达到零件环焊缝位置的有效支撑；
29.(7)、将工装两端设计出两个带有锁底结构的法兰盘插入两端零件端部进行夹紧固定，以保证整体装配的同轴度等形位公差要求，最终完成对接环焊缝的焊接。
30.本发明所述的阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装及其设计方法的有益效果为：
31.1、本发明所述的阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装及其设计方法，主要针对对接接口尺寸存在差异的阶梯式环形零件对接环焊，通过对焊接工装的优化设计有效解决对接焊的两个环形零件焊后易出现局部严重错边及整体同轴度、圆度不达标的质量问题。
32.2、本发明针对性强，此种焊接工装为双支撑结构，即对接环焊的两零件各自配有独立的支撑结构，可显著提高装配精度，有效解决因对接焊口存在阶梯(尺寸差异)导致的环焊缝焊后局部严重错边及同轴度、轮廓度等形位尺寸不达标问题，如图4、图5分别为圆筒形和非圆筒形阶梯式环焊缝对接结构。
33.3、本发明采用双传动结构，此种焊接工装采用两套彼此互无干涉的传动结构，可进行独立控制，便于装配调试。
34.4、本发明通用性强，此种工装通过更换支撑瓣即可适用于不同形状、尺寸筒形件对接焊。
35.5、本发明拆装便捷，工装拆装操作简单，可显著提高焊接效率。
附图说明
36.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
37.在附图中：
38.图1为背景技术中提到的不同成形方式成形的对接环焊零件的结构示意图，其中(a)为超塑成形零件，(b)为热胀定形零件；
39.图2为背景技术中提到的两种直径(也可为非圆形)存在一定差异的零件的结构示意图，其中(a)为一种直径的零件，(b)为另一种直径的零件；
40.图3为背景技术中提到的局部严重错边状态(a)与均匀对正同轴状态(b)的结构示意图；
41.图4为等壁厚和非等壁厚圆筒形阶梯式环焊缝对接结构示意图，其中(a)为等壁厚圆筒形阶梯式环焊缝对接结构示意图，(b)为非等壁厚圆筒形阶梯式环焊缝对接结构示意图；
42.图5为非圆筒形阶梯式环焊缝对接结构示意图，其中箭头所指位置分别代表内外
对接阶梯，其中(a)为一侧轴测图，(b)为另一侧轴测图；
43.图6为筒形件对焊原理示意图；
44.图7为两个需要对接环焊的筒形件在各自焊接位置加装上支撑瓣的示意图，其中(a)为超塑成形零件，(b)为热胀定形零件；
45.图8为筒形件装配焊接示意图；
46.图9为本发明所述的阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装的结构示意图；
47.图10为通过旋转扳手带动传动杆的示意图；
48.图11为主轴内包含前后两套传动装置的示意图；
49.图12为传力杆和一号楔形传动轴的传动示意图；
50.图13为一号楔形传动轴和二号楔形传动轴装配位置关系的示意图；
51.图14为一号楔形传动轴与其中一个支撑瓣的传动示意图；
52.图15为支撑盘配合一个支撑瓣的三个视角的示意图，其中，(a)表示侧后视图，(b)表示主视图，(c)表示侧前视图；
53.图16为弹簧和限位销安装位置示意图；
54.图17为支撑瓣组合与支撑盘配合示意图；
55.图18为支撑瓣组合与支撑盘配合的立体图；
56.图19为一号支撑瓣和二号支撑瓣的互为交错贴合的示意图；
57.图20为图19的俯视图；
58.图21为支撑盘的结构示意图；
59.图22为支撑盘的立体图；
60.图23为支撑盘与支撑瓣组合配合的结构示意图；
61.图24为支撑盘、支撑瓣组合、楔形传动轴、传动杆配合的结构示意图；
62.图中：0
‑
主轴；1
‑
扳手；2
‑
进退旋转轴；3
‑
传动杆；4
‑
传力杆；5
‑
一号楔形传动轴；6
‑
支撑瓣组合；7
‑
支撑盘；8
‑
弹簧；9
‑
限位销，10
‑
二号楔形传动轴，11
‑
一号支撑瓣，12
‑
二号支撑瓣，13
‑
支撑瓣顶杆。
具体实施方式
63.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
64.具体实施方式一：参见图6
‑
8说明本实施方式。本实施方式所述的阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装，主要包括主轴0、两个进退旋转轴2、两个传动杆3、两个传力杆4、两个楔形传动轴和支撑瓣组合，支撑瓣组合包括两组支撑瓣，
65.所述主轴的两端分别安装有进退旋转轴2，每个进退旋转轴2与传动杆3连接，每个传动杆3的末端垂直安装有传力杆4，传力杆4将力传递给楔形传动轴，每个楔形传动轴的外周安装有支撑瓣。
66.所述支撑瓣组合包括一号支撑瓣11和二号支撑瓣12，两个支撑瓣位置关系为紧贴合的交错形式。所述支撑瓣设计成若干瓣，各个支撑瓣间设置有间隙，用于支撑瓣向内收缩。
67.所述阶梯式环形零件高精度对接环焊内撑工装还包括支撑盘7，所述支撑盘7套于主轴的外周，以保证支撑瓣组合6不发生其它方向的窜动。
68.所述支撑盘7由带孔的减重圆盘和若干支撑脚组成，每个支撑脚呈h型，若干支撑脚周向均匀的安装在带孔圆盘上，所述带孔圆盘套在主轴外，每个支撑脚末端内安装有弹簧8，支撑瓣顶杆13穿过支撑脚的末端和弹簧8，弹簧的作用是在支撑瓣在撑起和收缩的过程中始终保持楔形传动轴与支撑瓣保持紧密贴合。
69.两个楔形传动轴包括一号楔形传动轴5和二号楔形传动轴10，每个楔形传动轴由轴套和楔形牙组成，所述轴套套在主轴外周，每个轴套上设置有若干楔形牙，所述一号楔形传动轴5和二号楔形传动轴10相对配合且互为错牙，且运动时彼此互无干涉。
70.所述楔形传动轴的轴套与主轴相对的位置设置有活动槽，所述传力杆4纵向贯穿轴套与主轴，两个传力杆4通过传动杆3带动其在活动槽内前后运动，再通过传力杆4运动进一步带动楔形传动轴及支撑瓣运动。
71.内撑工装拆分工作原理如下所示：
72.1、如图10所示，将扳手1插入进退旋转轴2中，通过旋转扳手1可带动进退旋转轴2转动，进退旋转轴2自身带有螺纹结构，通过旋转可以使其在主轴0内前后移动。
73.2、进退旋转轴2的前端半包于传动杆3中，进退旋转轴2向前运动便可推动传动杆3在套轴内向前运动，进退旋转轴2向后运动便可拽着传动杆3在套轴内向后运动。
74.3、由于传力杆4是插在传动杆3中的，传动杆3运动即可带动传力杆4在槽内前后运动。
75.4、此工装共包含前后两套传动装置，如图11中两个虚线框内所示。
76.5、如图12所示，传力杆4插入传动杆3中，同时也插入一号楔形传动轴5中，当传动杆3带动传力杆4前后运动时，传力杆4同时也会带动一号楔形传动轴5在轴上前后滑动，一号楔形传动轴5呈楔形结构，与套轴呈一定角度，当其前后运动时，会产生一个垂直轴向的侧向力，如虚线箭头示意所示。
77.6、因工装前后有两套传动装置，所以主轴0的前端还有一个与一号楔形传动轴5起相同作用的二号楔形传动轴10，如图13所示，两套楔形传动轴虽存在交叉部分，但在运动时彼此互不干涉，可各自在有效范围内自由运动。
78.7、以其中一套传动装置为例，其中，一号楔形传动轴5共包含4个方向上大小和角度完全相同的楔形牙，每个楔形牙对应支撑支撑瓣组合6的一个支撑瓣，支撑瓣与一号楔形传动轴5接触位置呈相同角度，当一号楔形传动轴5向前运动时，会推动支撑瓣向外运动，如示意图14所示。
79.8、为保证支撑瓣仅沿着垂直轴向方向运动，工装上加装上了支撑盘7以保证支撑瓣不发生其它方向的窜动。如图15所示，图中共展示3个视角下的支撑盘7，其中支撑盘7是固定于轴上的，其自身不会发生窜动，支撑瓣是通过插入支撑盘7中的两个轴孔(图中双箭头位置)对其进行限制，从而保证支撑瓣沿着垂直于轴的方向运动。
80.9、当一号楔形传动轴5向前运动时，会推动支撑瓣向外运动，但处于最下方的支撑瓣受重力作用将不会与一号楔形传动轴5贴合，直接导致4个支撑瓣伸展长度不同；同样，当一号楔形传动轴5向后(回)运动时，处于最下方的支撑瓣组合6同样受重力作用，不会向内收缩。为保证一号楔形传动轴5与支撑瓣在运动过程中始终保持贴合，即伸缩长度相同，如图16所示，在支撑瓣上的顶杆上插上了一个限位销9，并在限位销9和支撑盘7的板之间加上了弹簧8，在支撑瓣进行运动时，弹簧8始终产生一个反向作用力，保证一号楔形传动轴5和
支撑瓣始终贴紧状态，使得四个方向上伸缩距离相同。
81.10、最终将两组支撑瓣(11和12)，每组各含4个支撑瓣，插入支撑盘7中，组成工装的主体部分，如图23
‑
24所示，图中展示了两个不同的视角。
82.本发明针对对接焊口存在尺寸差异的阶梯式环形零件，设计出一种新型焊接工装可有效解决对接环焊零件焊后易错边及整体同轴度、轮廓度等形位尺寸不达标的质量问题，主要采取方法为：
83.1)针对对接尺寸存在差异的两个环形件的内形结构尺寸分别设计出与之对应的支撑瓣，且每套支撑瓣各自采用相互独立互不干涉的传动装置，有效支撑各自零件的对接焊口，保证对接环焊零件的装配同轴度等形位尺寸，使对接阶梯均布在整个圆周，有效避免焊缝局部严重错边问题。
84.2)设计出具备伸缩功能的工装结构，便于各零件焊前装配调试及焊后拆卸。
85.3)设计可在端部进行调节的传动装置，在零件完成装配后仍可对支撑进行调节，且操作方便。
86.4)通过更换支撑瓣，可完成不同形状、尺寸环形件的焊接。
87.下面以两个壁厚相同，对接接口内径存在一定差异的筒形件对接环焊为例，进行工装设计与装配焊接，焊接零件如图6所示。
88.1、针对两个零件设计两套支撑瓣，每套支撑瓣外径分别与对应支撑零件的内径尺寸相同，如图7所示。针对非圆筒类零件，每套支撑瓣将设计成与零件内形相同的结构；
89.2、设计两套互为错牙的楔形传动轴，套于主轴0上用于带动支撑瓣向外支撑；
90.3、两端设计两个带有锁底的法兰将两个筒形对焊零件夹紧固定，最终完成对接环焊缝的焊接，如图8所示。
91.下面以两个壁厚均为1.2mm，对接接口内径分别为400mm和400.4mm的筒形件对接环焊为例，进行工装设计与装配焊接，焊接零件见上图6所示，具体设计过程如下：
92.1、根据两个零件的内径尺寸设计出两套支撑瓣，如示意图19
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20所示。每套支撑瓣的外径尺寸分别与对应支撑零件的内径尺寸相同；每套支撑瓣分瓣数量不限，此次设计数量为4瓣；各支撑瓣间设有一定的间隙，用于支撑瓣径向收缩；该支撑瓣进行了减重设计，为保证强度中间设有起加强作用的立筋。
93.2、将两套支撑瓣进行组合。两套支撑瓣组合的位置关系设计成互为贴合的交错形式，如示意图19
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20所示，并将其插入如示意图21
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22所示的支撑盘7中，支撑盘7用于套装支撑瓣顶杆13，其孔心投影距离与交错贴合支撑瓣顶杆13的轴心投影距离相同。支撑盘安装上支撑瓣以后，支撑盘7仍可使两套支撑瓣紧密贴合，并保证支撑瓣顶出与收缩均垂直地指向相同的轴线；同时互为交错贴合形式的支撑瓣组合6可实现彼此的制约，防止各支撑瓣发生扭转。
94.3、每套支撑瓣独立对应一套楔形传动轴，如示意图12所示，每个楔形传动轴的4各楔面与水平方向的主轴0轴线呈相同的角度；如虚线箭头示意所示，楔形传动轴5受外力在主轴上滑动，可将水平方向的推力转化成推动顶杆竖直向外的动力，且每个方向支撑程度一致，最终达到对环焊缝各个方向上等同的支撑。
95.4、如示意图13所示，一号楔形传动轴5和二号楔形传动轴10装配后互为错牙，各自运动时互无影响，在扩张和收缩时彼此不会造成干涉，可满足独立控制。
96.5、将用于支撑零件焊缝的各个工装单元组装成整体，如示意图16、18所示，箭头所指位置为弹簧8，弹簧8的作用是在支撑瓣撑起和收缩的过程中始终保证楔形传动轴与支撑瓣保持紧密贴合。
97.6、每个楔形传动轴依靠传力杆4带动运动，传力杆4能够在主轴0上的活动槽中运动。
98.7、如示意图10所示，传力杆4是通过扳手、工装前后两端进退旋转轴、传动杆逐级传动带动其进退运动，最终实现两套支撑瓣自由的扩张与收缩，达到零件环焊缝位置的有效支撑。具体传动流程如下：
99.扳手1
→
进退旋转轴2
→
传动杆3
→
传力杆4
→
楔形传动轴5
→
支撑瓣组合6
→
零件焊缝位置。
100.8、如示意图8
‑
9所示，最终将工装两端设计出两个带有锁底结构的法兰盘插入两端零件端部，以保证整体装配的同轴度等形位公差要求。
101.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。