CN104259674B - 减小t型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法 - Google Patents

Abstract

减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法，它涉及一种焊接装置及方法，装置：合页轴的两端分别与侧支架铰接，两个压紧杆分别设置在前板和后板的上面，液压缸的上端与压紧杆固定连接，液压缸的下端与连接销铰接，丝杠的下端与步进电机连接，升降传动板与丝杠螺纹连接，升降传动板的两侧各铰接一个顶板支撑杆，其中一个顶板支撑杆的上端与前板铰接，其中另一个顶板支撑杆的上端与后板铰接，控制箱通过数据线与步进电机连接，顶板角度传感器设置在合页式反变形顶板的下面。方法：一、设定反变形角α；二、装卡蒙皮的一侧；三、对蒙皮进行弯折；四、对反变形的蒙皮和长桁进行双侧激光填丝连续焊接。本发明用于蒙皮焊接。

Description

减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种减小T型接头焊接角变形的装置及方法，具体涉及一种减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法。

背景技术

在飞机的机身筒段中存在大量的蒙皮-长析的T型接头结构，该结构目前主要采用传统的铆接方法进行连接。然而，铆接不仅生产效率低，而且大大的增加结构的重量。为在客机制造过程中有效地降低飞机金属机身重量同时提高生产效率，空中客车公司率先大规模开展了两束激光双侧同步焊接试验，用以代替传统铆接工艺，并且已成功地应用到包括最小型A318，最大型A380在内的多种机型的批量生产上。应用双激光束两侧同步焊接方法，至少可以减轻飞机的重量，提高焊接结构的精度和焊缝的质量。

对于飞机机身蒙皮-长析T型接头结构，因为通常选用的T型接头结构的材料为铝合金材料，然而铝合金材料的热膨胀系数较大，弹性模量较小，而且，双激光束两侧同步焊接的热源具有特殊性加之金属板材的尺寸较大并且厚度较薄，再者，蒙皮上多道焊缝会导致焊接应力分布比较复杂，所以上述因素将导致在焊接过程中产生诸如角变形、挠曲变形等失稳变形，其中，以角变形最为明显。图10所示为现有技术中对蒙皮-长析的T型接头结构采用双激光两侧同步焊接后的角变形示意图，由图10可知，焊接后该T型接头结构具有明显的角变形β，由于该角变形β的产生可能导致产品无法装配，结构失稳，大大降低了产品的质量，而矫形却要消耗大量的人力和物力，有时甚至会导致产品报废。因此，如何有效地减小T型接头焊接角变形变得较为迫切。

针对机身蒙皮-长析T型结构的焊接变形问题，中国专利号为201110191148.4、申请日为2011年7月8日的发明专利公开了一种用于减少T型接头焊接变形的双激光束焊接方法，该专利申请提出在对T型接头的整体进行连续焊接之前，先对其进行定位焊接，其方法为：双激光束在所述上形成间隔开的定位焊缝。该方法能够在一定程度上减小T型接头的挠曲变形(最小挠曲变形为0.1mm)，并能有效保证在双激光两侧同步连续焊接过程中焊接路径的准确性，但该方法对T型接头的角变形抑制作用较小，焊后依然存在最小为1.5°的角变形；并且，定位焊接中被激光点固的位置在随后的连续焊接中将经历二次焊接加热，已点固位置的焊接热输入将大幅度增加，晶粒长大，T型接头强度明显下降；此外，点固焊缝表面存在的黑色氧化物杂质如不进行有效清理将被引入二次焊接的焊缝中，造成焊缝中气孔数量增多、尺寸增大、焊缝夹杂等问题，严重降低T型接头的力学性能。

发明内容

本发明为解决采用双激光束在铝合金T型接头的两接合缝进行点固焊接，焊后依然存在1.5°角变形的问题，而提出了一种减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法。

装置：减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置包括底座、合页式反变形顶板、步进电机、丝杠、升降传动板、控制箱、顶板角度传感器、固定板、前连接座、后连接座、两个压紧杆、两个圆柱滑轨、两个顶板支撑杆、两个侧支架、四个液压缸和四个连接销，合页式反变形顶板由前板、后板和合页轴组成，前板和后板对称设置在合页轴的前后侧，且前板和后板通过合页轴铰接，两个侧支架分别设置在合页轴的两端，且合页轴与侧支架铰接，每个侧支架的下端固定在底座上，两个压紧杆分别设置在前板和后板的上面，每个压紧杆的一端对应连接一个液压缸，液压缸的上端与压紧杆固定连接，液压缸的下端与连接销铰接，连接销固定安装在侧支架上，步进电机设置在底座与合页式反变形顶板之间，步进电机固定在底座上，两个圆柱滑轨对称设置在步进电机的两侧，每个圆柱滑轨的下端固定在底座上，每个圆柱滑轨的上端固定在固定板上，丝杠的下端与步进电机连接，丝杠的上端通过轴承支撑在固定板中，升降传动板设置在固定板与步进电机之间，升降传动板与丝杠螺纹连接，升降传动板的两端分别套装在两个圆柱滑轨上，两个顶板支撑杆对称设置在丝杠的前后侧，前板下面的顶板支撑杆下端与升降传动板铰接，前板下面的顶板支撑杆上端与前连接座铰接，前连接座固定在前板的下面，后板下面的顶板支撑杆下端与升降传动板铰接，后板下面的顶板支撑杆上端与后连接座铰接，后连接座固定在后板的下面，控制箱通过数据线与步进电机连接，顶板角度传感器设置在合页式反变形顶板的下面，且顶板角度传感器固定在侧支架上。

方法：减小T型接头焊接角变形的焊前反变形的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、设定反变形角α：将预先设定的反变形角α输入顶板角度传感器中；

步骤二、装卡蒙皮的一侧：将蒙皮置于合页式反变形顶板上，将前板上的压紧杆3置于蒙皮上，利用压紧杆和液压缸将蒙皮压紧于前板上，蒙皮上的待焊位置线与合页轴的轴线上下重合设置；

步骤三、对蒙皮进行弯折：通过控制箱控制步进电机和丝杠转动，升降传动板沿丝杠运动，升降传动板通过顶板支撑杆带动前板和后板绕合页轴转动，顶板角度传感器将前板和后板的角度精确调节为预先设定的反变形角α，设定两倍的反变形角α与T型接头的实际角变形角β相等，反变形角α与T型接头的实际角变形角β的方向相反；将后板上的压紧杆置于蒙皮上，利用压紧杆和液压缸将蒙皮压紧于后板上，使蒙皮沿合页轴弯折，实现对蒙皮的弯折反变形；

步骤四、对反变形的蒙皮和长桁进行双侧激光填丝连续焊接：将长桁放置于待焊位置线上并与其重合，将双激光束和焊丝置于T型接头两侧接合缝处，对T型接头的整体进行连续的激光填丝焊接。

本发明与现有方法相比具有以下有益效果：

一、在机身蒙皮-长桁T型结构组焊之前，利用本发明的减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置及方法对蒙皮进行预置反变形，将蒙皮板材液压夹紧于合页式反变形顶板上，利用由丝杠和步进电机精确控制合页式反变形顶板的翻折运动，实现对蒙皮的弯折反变形。经试验测量，焊后角变形能够被控制在0.4°～0.9°范围内，优于专利申请201110191148.4中公布的最小1.5°。

二、本发明不必对T型接头进行点固焊接，不会造成如专利申请201110191148.4中由于点固焊接所引起的接头强度下降、晶粒长大、焊缝夹杂、气孔增大增多等焊接问题。

三、本发明能够与双侧激光填丝同步焊接***进行整合，变形后的机身蒙皮不必进行二次装卡，放置长桁后即可进行最后的整体组焊，与焊后矫形方法相比，能够明显提高生产效率并实现对焊后角变形的精确控制。

四、本发明的工作原理简单，普适性强，能够有效减小飞机蒙皮-长桁结构的焊后角变形。

附图说明

图1是本发明减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置的整体结构立体图；

图2是图1的侧仰视立体图；

图3是图1的K向视图；

图4是前板2-1或后板2-2的合页处的局部立体图；

图5是图4的I局部放大图；

图6是具体实施方式七中步骤二将前板2-1上的压紧杆3置于蒙皮17上的示意图；

图7是具体实施方式七中步骤三将后板2-2上的压紧杆3置于蒙皮17上，并对蒙皮17进行弯折反变形，以及长桁18放置位置的示意图；

图8是具体实施方式七中步骤四将双激光束和焊丝置于T型接头两侧接合缝处的示意图；

图9是具体实施方式七中步骤四对T型接头的整体进行连续的激光填丝焊接的示意图；

图10是蒙皮-长桁T型结构焊后角变形β示意图(未焊前反变形)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式包括底座1、合页式反变形顶板2、步进电机5、丝杠6、升降传动板8、控制箱10、顶板角度传感器11、固定板14、前连接座15、后连接座16、两个压紧杆3、两个圆柱滑轨7、两个顶板支撑杆9、两个侧支架12、四个液压缸4和四个连接销13，合页式反变形顶板2由前板2-1、后板2-2和合页轴2-3组成，前板2-1和后板2-2对称设置在合页轴2-3的前后侧，且前板2-1和后板2-2通过合页轴2-3铰接，两个侧支架12分别设置在合页轴2-3的两端，且合页轴2-3与侧支架12铰接，每个侧支架12的下端固定在底座1上，两个压紧杆3分别设置在前板2-1和后板2-2的上面，每个压紧杆3的一端对应连接一个液压缸4，液压缸4的上端与压紧杆3固定连接，液压缸4的下端与连接销13铰接，连接销13固定安装在侧支架12上，步进电机5设置在底座1与合页式反变形顶板2之间，步进电机5固定在底座1上，两个圆柱滑轨7对称设置在步进电机5的两侧，每个圆柱滑轨7的下端固定在底座1上，每个圆柱滑轨7的上端固定在固定板14上，丝杠6的下端与步进电机5连接，丝杠6的上端通过轴承支撑在固定板14中，升降传动板8设置在固定板14与步进电机5之间，升降传动板8与丝杠6螺纹连接，升降传动板8的两端分别套装在两个圆柱滑轨7上，两个顶板支撑杆9对称设置在丝杠6的前后侧，前板2-1下面的顶板支撑杆9下端与升降传动板8铰接，前板2-1下面的顶板支撑杆9上端与前连接座15铰接，前连接座15固定在前板2-1的下面，后板2-2下面的顶板支撑杆9下端与升降传动板8铰接，后板2-2下面的顶板支撑杆9上端与后连接座16铰接，后连接座16固定在后板2-2的下面，控制箱10通过数据线与步进电机5连接，顶板角度传感器11设置在合页式反变形顶板2的下面，且顶板角度传感器11固定在侧支架12上。步进电机5、控制箱10和顶板角度传感器11均可直接购置成品。合页式反变形顶板2采用合页连接方式，能够实现连续翻折变形，在满足结构强度的基础上，应尽量设计或选用直径更小的合页轴2-3，直径越小，反变形顶板弯折蒙皮的精度越高，效果越好。

具体实施方式二：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的侧支架12与底座1制成一体。这样设计可提高装置的稳定性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2和图7说明本实施方式，本实施方式的所述两个压紧杆3与合页轴2-3平行设置。这样设计使得压紧前板2-1和后板2-2上的蒙皮17的力均衡。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式的压紧杆3为细长的棒状，其截面形状为等边三角形。等边三角形的截面设计目的是在保证压紧杆3刚度的情况下最大程度地为激光焊接头预留出充分的运动空间并且能够对蒙皮起到更有效稳定的夹持作用。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图7说明本实施方式，本实施方式的压紧杆3的材质为高强钢。高强钢不易发生弯曲变形。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同的是它还增加有网状加强筋19，前板2-1和后板2-2的下端面焊接有网状加强筋19。这样设计为增大合页式反变形顶板2的刚度，能在蒙皮17的液压装卡和随后的弯折反变形过程中有效抑制合页式反变形顶板2的受力变形，提高反变形的精度。其它步骤与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：结合图6～图9说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、设定反变形角α：将预先设定的反变形角α输入顶板角度传感器11中；

步骤二、装卡蒙皮17的一侧：将蒙皮17置于合页式反变形顶板2上，将前板2-1上的压紧杆3置于蒙皮17上，利用压紧杆3和液压缸4将蒙皮17压紧于前板2-1上，见图6，蒙皮17上的待焊位置线20与合页轴2-3的轴线21上下重合设置；

步骤三、对蒙皮17进行弯折(即反变形)：通过控制箱10控制步进电机5和丝杠6转动，升降传动板8沿丝杠6运动，升降传动板8通过顶板支撑杆9带动前板2-1和后板2-2绕合页轴2-3转动，见图6，顶板角度传感器11将前板2-1和后板2-2的角度精确调节为预先设定的反变形角α，设定两倍的反变形角α与T型接头的实际角变形角β相等，反变形角α与T型接头的实际角变形角β的方向相反；将后板2-2上的压紧杆3置于蒙皮17上，利用压紧杆3和液压缸4将蒙皮17压紧于后板2-2上，使蒙皮17沿合页轴2-3弯折，实现对蒙皮17的弯折反变形，见图7；T型接头的实际角变形角β的数值可以通过对先前相同规格且未施加焊前反变形的壁板T型接头的实际角变形进行测量和统计而得到；

步骤四、对反变形的蒙皮17和长桁18进行双侧激光填丝连续焊接：将长桁18放置于待焊位置线20上并与其重合，见图7，将双激光束和焊丝置于T型接头两侧接合缝处，见图8，对T型接头的整体进行连续的激光填丝焊接，见图9。

在此，T型接头的材料为铝合金，然而，本领域的技术人员应当可以理解，本发明所述的方法并不限于铝合金T型接头的焊接，也可以对其他物理化学属性类似于铝合金的其他材料的T型接头依照本方法减小焊后角变形。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是在步骤二中，首先将合页式反变形顶板2调为水平后，再利用压紧杆3和液压缸4将蒙皮17压紧于两侧的合页式反变形顶板2上。其它步骤与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图7说明本实施方式，本实施方式是步骤二和步骤四中压紧杆3至合页轴2-3的距离S为5mm～30mm。在保证为随后激光焊接头留有足够运动空间的情况下，两根压紧杆3能够最大程度地靠近被弯折的位置(即合页轴2-3处)，改善蒙皮17弯折反变形的效果和精度。其它步骤与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是步骤四中激光填丝焊接时采用惰性气体氩气(Ar)或氦气(He)对两侧焊缝进行实时保护。其它步骤与具体实施方式七相同。

Claims (10)

1.一种减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置，所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置包括底座(1)、合页式反变形顶板(2)、步进电机(5)、丝杠(6)、升降传动板(8)、控制箱(10)、顶板角度传感器(11)、固定板(14)、前连接座(15)、后连接座(16)、两个压紧杆(3)、两个圆柱滑轨(7)、两个顶板支撑杆(9)、两个侧支架(12)、四个液压缸(4)和四个连接销(13)，其特征在于：合页式反变形顶板(2)由前板(2-1)、后板(2-2)和合页轴(2-3)组成，前板(2-1)和后板(2-2)对称设置在合页轴(2-3)的前后侧，且前板(2-1)和后板(2-2)通过合页轴(2-3)铰接，两个侧支架(12)分别设置在合页轴(2-3)的两端，且合页轴(2-3)与侧支架(12)铰接，每个侧支架(12)的下端固定在底座(1)上，两个压紧杆(3)分别设置在前板(2-1)和后板(2-2)的上面，每个压紧杆(3)的一端对应连接一个液压缸(4)，液压缸(4)的上端与压紧杆(3)固定连接，液压缸(4)的下端与连接销(13)铰接，连接销(13)固定安装在侧支架(12)上，步进电机(5)设置在底座(1)与合页式反变形顶板(2)之间，步进电机(5)固定在底座(1)上，两个圆柱滑轨(7)对称设置在步进电机(5)的两侧，每个圆柱滑轨(7)的下端固定在底座(1)上，每个圆柱滑轨(7)的上端固定在固定板(14)上，丝杠(6)的下端与步进电机(5)连接，丝杠(6)的上端通过轴承支撑在固定板(14)中，升降传动板(8)设置在固定板(14)与步进电机(5)之间，升降传动板(8)与丝杠(6)螺纹连接，升降传动板(8)的两端分别套装在两个圆柱滑轨(7)上，两个顶板支撑杆(9)对称设置在丝杠(6)的前后侧，前板(2-1)下面的顶板支撑杆(9)下端与升降传动板(8)铰接，前板(2-1)下面的顶板支撑杆(9)上端与前连接座(15)铰接，前连接座(15)固定在前板(2-1)的下面，后板(2-2)下面的顶板支撑杆(9)下端与升降传动板(8)铰接，后板(2-2)下面的顶板支撑杆(9)上端与后连接座(16)铰接，后连接座(16)固定在后板(2-2)的下面，控制箱(10)通过数据线与步进电机(5)连接，顶板角度传感器(11)设置在合页式反变形顶板(2)的下面，且顶板角度传感器(11)固定在侧支架(12)上。

2.根据权利要求1所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置，其特征在于：所述侧支架(12)与底座(1)制成一体。

3.根据权利要求1或2所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置，其特征在于：所述两个压紧杆(3)与合页轴(2-3)平行设置。

4.根据权利要求3所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置，其特征在于：所述压紧杆(3)为细长的棒状，其截面形状为等边三角形。

5.根据权利要求4所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置，其特征在于：所述压紧杆(3)的材质为高强钢。

6.根据权利要求5所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置，其特征在于：所述能够减小T型接头焊接角变形的焊前反变形装置还包括网状加强筋(19)，前板(2-1)和后板(2-2)的下端面焊接有网状加强筋(19)。

7.一种利用权利要求1所述焊前反变形装置实现减小T型接头焊接角变形的焊前反变形的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、设定反变形角α：将预先设定的反变形角α输入顶板角度传感器(11)中；

步骤二、装卡蒙皮(17)的一侧：将蒙皮(17)置于合页式反变形顶板(2)上，将前板(2-1)上的压紧杆(3)置于蒙皮(17)上，利用压紧杆(3)和液压缸(4)将蒙皮(17)压紧于前板(2-1)上，蒙皮(17)上的待焊位置线(20)与合页轴(2-3)的轴线(21)上下重合设置；

步骤三、对蒙皮(17)进行弯折：通过控制箱(10)控制步进电机(5)和丝杠(6)转动，升降传动板(8)沿丝杠(6)运动，升降传动板(8)通过顶板支撑杆(9)带动前板(2-1)和后板(2-2)绕合页轴(2-3)转动，顶板角度传感器(11)将前板(2-1)和后板(2-2)的角度精确调节为预先设定的反变形角α，设定两倍的反变形角α与T型接头的实际角变形角β相等，反变形角α与T型接头的实际角变形角β的方向相反；将后板(2-2)上的压紧杆(3)置于蒙皮(17)上，利用压紧杆(3)和液压缸(4)将蒙皮(17)压紧于后板(2-2)上，使蒙皮(17)沿合页轴(2-3)弯折，实现对蒙皮(17)的弯折反变形；

步骤四、对反变形的蒙皮(17)和长桁(18)进行双侧激光填丝连续焊接：将长桁(18)放置于待焊位置线(20)上并与其重合，将双激光束和焊丝置于T型接头两侧接合缝处，对T型接头的整体进行连续的激光填丝焊接。

8.根据权利要求7所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形的方法，其特征在于：在步骤二中，首先将合页式反变形顶板(2)调为水平后，再利用压紧杆(3)和液压缸(4)将蒙皮(17)压紧于两侧的合页式反变形顶板(2)上。

9.根据权利要求7或8所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形的方法，其特征在于：所述步骤二和步骤四中压紧杆(3)至合页轴(2-3)的距离S为5mm～30mm。

10.根据权利要求7所述减小T型接头焊接角变形的焊前反变形的方法，其特征在于：所述步骤四中激光填丝焊接时采用惰性气体氩气或氦气对两侧焊缝进行实时保护。