CN104690415B - 环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，本发明的焊接装置结构简单，通过四块分体式工装、引出块、侧面拘束用工艺环箍、环向压紧板、压紧块和侧向紧固螺栓对薄壁壳体和薄壁盖板进行了紧密的装卡，对薄壁壳体、盖板、工艺环的侧面底面都能实现有效、紧密的装卡，易于控制；另外，通过锁底式焊接接头的形式达到了T型接头的焊接效果，而且同时减少了焊后的薄板机加工工序，降低了制造难度，提高了制造效率，比原有T型接头的连接形式大大增加了连接界面的有效连接面积，操作简单、成本低，有效提高了焊接质量，更利于保证薄壁壳体盖板封装的密封性。

Description

环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置

技术领域

本发明属于焊接装置技术领域，特别涉及一种壳体角接焊接装置。

背景技术

航天结构产品无论在精度、可靠性和减重方面都具有非常严格的要求，实现构件的高质量、高精度连接对推动航天制造技术的发展具有极其重要的意义。1991年英国焊接研究所（TWI）发明的新型固相连接方法——搅拌摩擦焊（FSW），具有无需焊接填充材料，热输入、焊接变形小，焊接接头缺陷少、力学性能好等优点，该方法应用范围广泛，包括铝、镁合金、以及传统熔化焊难以焊接的材料、甚至是异种金属的焊接。

通过该项技术的应用极大提高了构件的可靠性和制造精度，使其在航天关键构件的制造中具有相当重要的地位。传统的搅拌摩擦焊技术通常针对壁厚2mm以上的材料进行连接。而微搅拌摩擦焊技术在传统搅拌摩擦焊技术的基础上发展起来的，对于连接厚度在1mm以下材料进行搅拌摩擦焊接，其材料产热、流动机制与传统搅拌摩擦焊技术有显著区别。对该焊接方法来说，两侧面压紧和底面垫实等严格的装卡要求是保证其焊接过程有效、可靠实施的关键，如果装卡不牢将会严重影响焊接质量，出现孔洞、隧道、凹槽等缺陷，甚至根本无法实现连接。

微搅拌摩擦焊薄壁壳体封装应用条件下接头形式为角接接头，考虑到焊接中对壳体和盖板装卡的可行性，通常可先采用一种T型接头形式以降低对接头的装卡难度，但焊接完成后必须将多余材料进行切除，增加了制造工序。而且当薄壁壳体盖板厚度越薄，焊后切除多余盖板的加工工艺难度越大。其次，当给壳体进行盖板封装时，为保证整体焊缝都为T型接头，盖板需要大于壳体面积，这就给焊接过程的轨迹定位问题带来了较大难度。此外，T型接头的连接界面与底面连接面积较小，特别当板厚较薄时，由于上盖板局部不平，发生翘曲的位置易于导致实际有效连接面积过小，甚至出现未焊透，密封性无法保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，能够解决现有薄壁壳体焊接封装过程中，由于采用T型接头而带来的定位精度差、增加切除多余材料工序、以及连接材料较少密封性不好，使得制造效率降低、难度加大的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，包括：

工装底座；

放置于所述工装底座上的待焊接的薄壁壳体和薄壁盖板，所述薄壁盖板的形状和尺寸与所述薄壁壳体的开口面的形状和尺寸相同，所述薄壁壳体的侧壁和薄壁盖板上设置有互相匹配的锁底式焊接接头，所述薄壁盖板以所述锁底式焊接接头形式盖在所述薄壁壳体上，所述薄壁壳体和薄壁盖板采用同种材料；

放置于所述工装底座上并卡在薄壁壳体周围的四块分体式工装和引出块，以侧向包围和紧固所述薄壁壳体的侧壁，所述四块分体式工装和引出块的高度相同，所述引出块采用的材料与所述薄壁壳体和薄壁盖板的材料相同，所述引出块用于微搅拌摩擦焊起始时供微搅拌摩擦焊工具调整下压量及微搅拌摩擦焊终了时供微搅拌摩擦焊工具引出退出孔，所述薄壁壳体的装配高度比四块分体式工装和引出块高出1mm；

放置于所述四块分体式工装和引出块上的厚度为1mm的侧面拘束用工艺环箍，所述薄壁壳体和薄壁盖板的装配高度比四块分体式工装和引出块高出1mm的部分从所述工艺环箍的中间通孔伸出，所述侧面拘束用工艺环箍的上表面与所述薄壁壳体和薄壁盖板的上表面保持水平，所述侧面拘束用工艺环箍采用的材料与所述薄壁壳体和薄壁盖板的材料相同；

放置于所述侧面拘束用工艺环箍、薄壁壳体和薄壁盖板的上表面上的环向压紧板，设置于所述工装底座上的压紧块和侧向紧固螺栓，所述压紧块用于对所述环向压紧板施加垂直压紧力，所述侧向紧固螺栓用于将所述四块分体式工装和引出块夹紧在所述工装底座上，所述薄壁壳体、薄壁盖板和侧面拘束用工艺环箍的待焊接部分从所述环向压紧板的中间通孔中露出。

进一步的，在上述焊接装置中，所述微搅拌摩擦焊工具采用无倾角方式实现微搅拌摩擦焊。

进一步的，在上述焊接装置中，所述微搅拌摩擦焊工具采用有倾角方式实现微搅拌摩擦焊。

进一步的，在上述焊接装置中，所述压紧块的数量为四块。

进一步的，在上述焊接装置中，所述侧向紧固螺栓的数量为5个。

本发明的焊接装置结构简单，通过四块分体式工装、引出块、侧面拘束用工艺环箍、环向压紧板、压紧块和侧向紧固螺栓对薄壁壳体和薄壁盖板进行了紧密的装卡，对薄壁壳体、盖板、工艺环的侧面底面都能实现有效、紧密的装卡，易于控制；另外，通过锁底式焊接接头的形式达到了T型接头的焊接效果，而且同时减少了焊后的薄板机加工工序，降低了制造难度，提高了制造效率，比原有T型接头的连接形式大大增加了连接界面的有效连接面积，操作简单、成本低，有效提高了焊接质量，更利于保证薄壁壳体盖板封装的密封性。

附图说明

图1是本发明一实施例的待焊接的薄壁壳体及盖板的结构示意图；

图2是本发明一实施例的薄壁壳体及盖板组合后结构示意图；

图3是本发明一实施例的将四块分体式工装及引出块侧向包围和紧固所述薄壁壳体的示意图；

图4是本发明一实施例的安装侧面拘束用工艺环箍后的效果图；

图5为本发明一实施例的安装压紧板、压紧块和侧向紧固螺栓后的效果图；

图6为本发明一实施例的薄壁壳体及盖板封装时的锁底式焊接接头的剖面图；

图7为图6中A部分的局部放大图；

图8为本发明一实施例的锁底式焊接接头的微搅拌摩擦焊示意图；

图9为本发明一实施例的焊接完成后焊缝位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～9所示，本发明提供一种环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，包括：

工装底座11；

放置于所述工装底座11上的待焊接的薄壁壳体2和薄壁盖板1，所述薄壁盖板1的形状和尺寸与所述薄壁壳体2的开口面的形状和尺寸相同，所述薄壁壳体2的侧壁和薄壁盖板1上设置有互相匹配的锁底式焊接接头100，所述薄壁盖板1以所述锁底式焊接接头100形式盖在所述薄壁壳体2上，所述薄壁壳体2和薄壁盖板1采用同种材料；具体的，本发明中的薄壁壳体及薄壁盖板封装时的接头形式采用了锁底式焊接接头形式，有效增大了超薄板焊接时的连接面积；

放置于所述工装底座11上并卡在薄壁壳体2周围的四块分体式工装3、4、5、7和引出块6，以侧向包围和紧固所述薄壁壳体2的侧壁，所述四块分体式工装3、4、5、7和引出块6的高度相同，所述引出块6采用的材料与所述薄壁壳体2和薄壁盖板1的材料相同，所述引出块6用于微搅拌摩擦焊起始时供微搅拌摩擦焊工具20调整下压量及微搅拌摩擦焊终了时供微搅拌摩擦焊工具20引出退出孔，所述薄壁壳体2的装配高度比四块分体式工装3、4、5、7和引出块6高出1mm；具体的，将四块分体式工装3、4、5、7，以及引出块6卡在薄壁壳体周围，用于该焊接过程的侧向紧固，引出块6与薄壁壳体2采用同种材料，其作用为微搅拌摩擦焊起始和终了时用于调整下压量和引出退出孔；

放置于所述四块分体式工装3、4、5、7和引出块6上的厚度为1mm的侧面拘束用工艺环箍8，所述薄壁壳体2和薄壁盖板1的装配高度比四块分体式工装3、4、5、7和引出块6高出1mm的部分从所述工艺环箍的中间通孔伸出，所述侧面拘束用工艺环箍8的上表面的与所述薄壁壳体2和薄壁盖板1的上表面保持水平，所述侧面拘束用工艺环箍8采用的材料与所述薄壁壳体2和薄壁盖板1的材料相同；具体的，薄壁壳体2和薄壁盖板1的装配高度比分体式工装高出1mm，将厚度为1mm的侧面拘束用工艺环箍8装配在薄壁壳体外侧，分体式工装上方，使侧面拘束用工艺环箍8上表面与薄壁壳体和薄壁盖板保持水平，对薄壁壳体起到侧面约束作用；

放置于所述侧面拘束用工艺环箍8、薄壁壳体2和薄壁盖板1的上表面上的环向压紧板9，设置于所述工装底座上的压紧块10、12、17、19和侧向紧固螺栓13、14、15、16、18，所述压紧块10、12、17、19用于对所述环向压紧板9施加垂直压紧力，所述侧向紧固螺栓13、14、15、16、18用于将所述四块分体式工装3、4、5、7和引出块6夹紧在所述工装底座11上，所述薄壁壳体2、薄壁盖板1和侧面拘束用工艺环箍8的待焊接部分从所述环向压紧板9的中间通孔中露出。具体的，然后将所述薄壁壳体2、薄壁盖板1、四块分体式工装3、4、5、7、引出块6、侧面拘束用工艺环箍8作为一个整体将其安装在工装底座11中，并使用侧向紧固螺栓13、14、15、16、18将其夹紧在工装底座11中，并以其点A为装卡和焊接轨迹编程基准点，以方便在焊接轨迹编程时使用。同时采用环向压紧板9以及压紧块10、12、17、19对侧面拘束用工艺环箍8及四块分体式工装3、4、5、7进行正向压紧，有效避免了工装及工件向上翘起。

优选的，所述微搅拌摩擦焊工具采用无倾角方式实现微搅拌摩擦焊。

优选的，所述微搅拌摩擦焊工具采用有倾角方式实现微搅拌摩擦焊。

优选的，所述压紧块的数量为四块。

优选的，在上述焊接装置中，所述侧向紧固螺栓的数量为5个。

详细的，如图8所示，薄壁壳体和薄壁盖板进行微搅拌摩擦焊封装时，主轴带动超小轴肩微搅拌摩擦焊工具20以超高速v旋转，在机械搅拌作用和热作用（摩擦热和塑性变形产热）的综合影响下，使焊缝区域金属达到塑性状态，同时搅拌工具沿焊接轨迹移动并进行顶锻，以实现薄壁壳体的角接焊接，有效增大了超薄盖板封装焊接时的连接面积。图9为焊接完成后焊缝位置示意图，如图9所示，侧面拘束用工艺环箍8与薄壁壳体2也有非常少的材料（厚度d约为0.1mm左右）进行了连接，这里侧面拘束用工艺环箍8与薄壁盖板1和薄壁壳体2采用同种材料。待焊接完成后将工件即薄壁盖板1、薄壁壳体2和侧面拘束用工艺环箍8从四块分体式工装3、4、5、7中取出，无需使用机加工方法，连接的材料非常薄，约为0.1mm左右，可将封装好的薄壁壳体2从工艺环箍上掰下来，从而完成了薄壁壳体角接焊接过程。

本发明的焊接装置结构简单，通过四块分体式工装、引出块、侧面拘束用工艺环箍、环向压紧板、压紧块和侧向紧固螺栓对薄壁壳体和薄壁盖板进行了紧密的装卡，对薄壁壳体、盖板、工艺环的侧面底面都能实现有效、紧密的装卡，易于控制；另外，通过锁底式焊接接头的形式达到了T型接头的焊接效果，而且同时减少了焊后的薄板机加工工序，降低了制造难度，提高了制造效率，比原有T型接头的连接形式大大增加了连接界面的有效连接面积，操作简单、成本低，有效提高了焊接质量，更利于保证薄壁壳体盖板封装的密封性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，其特征在于，包括：

工装底座；

放置于所述工装底座上的待焊接的薄壁壳体和薄壁盖板，所述薄壁盖板的形状和尺寸与所述薄壁壳体的开口面的形状和尺寸相同，所述薄壁壳体的侧壁和薄壁盖板上设置有互相匹配的锁底式焊接接头，所述薄壁盖板以所述锁底式焊接接头形式盖在所述薄壁壳体上，所述薄壁壳体和薄壁盖板采用同种材料；

放置于所述工装底座上并卡在薄壁壳体周围的四块分体式工装和引出块，以侧向包围和紧固所述薄壁壳体的侧壁，所述四块分体式工装和引出块的高度相同，所述引出块采用的材料与所述薄壁壳体和薄壁盖板的材料相同，所述引出块用于微搅拌摩擦焊起始时供微搅拌摩擦焊工具调整下压量及微搅拌摩擦焊终了时供微搅拌摩擦焊工具引出退出孔，所述薄壁壳体的装配高度比四块分体式工装和引出块高出1mm；

放置于所述四块分体式工装和引出块上的厚度为1mm的侧面拘束用工艺环箍，所述薄壁壳体和薄壁盖板的装配高度比四块分体式工装和引出块高出1mm的部分从所述工艺环箍的中间通孔伸出，所述侧面拘束用工艺环箍的上表面与所述薄壁壳体和薄壁盖板的上表面保持水平，所述侧面拘束用工艺环箍采用的材料与所述薄壁壳体和薄壁盖板的材料相同；

放置于所述侧面拘束用工艺环箍、薄壁壳体和薄壁盖板的上表面上的环向压紧板，设置于所述工装底座上的压紧块和侧向紧固螺栓，所述压紧块用于对所述环向压紧板施加垂直压紧力，所述侧向紧固螺栓用于将所述四块分体式工装和引出块夹紧在所述工装底座上，所述薄壁壳体、薄壁盖板和侧面拘束用工艺环箍的待焊接部分从所述环向压紧板的中间通孔中露出。

2.根据权利要求1所述的环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，其特征在于：所述微搅拌摩擦焊工具采用无倾角方式实现微搅拌摩擦焊。

3.根据权利要求1所述的环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，其特征在于：所述微搅拌摩擦焊工具采用有倾角方式实现微搅拌摩擦焊。

4.如权利要求1所述的环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，其特征在于，所述压紧块的数量为四块。

5.如权利要求1所述的环向侧面自拘束的薄壁壳体角接焊接装置，其特征在于，所述侧向紧固螺栓的数量为5个。