CN106670640A - 一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子束焊接技术领域,具体涉及一种大尺寸薄壁空间曲面顶盖上多个不同周向位置小直径法兰盘的电子束焊接方法。本发明设计了适应于顶盖法兰盘电子束焊接的法兰盘结构,法兰盘焊接接头部位采用对接锁底结构,有效地保证了装配精度和焊接质量。同时根据顶盖上与法兰盘装配焊接处的开孔尺寸,对法兰盘的焊接面直径配车,保证法兰盘与顶盖的装配间隙满足焊接要求。并结合工装的使用,采用弹性预应力变形,抵消焊接应力,减少变形,实现了分布在空间曲面顶盖上不同位置的法兰盘电子束焊接,获得了满意的焊接质量。
Description
技术领域
本发明属于电子束焊接技术领域,具体涉及一种大尺寸薄壁空间曲面顶盖上多个不同周向位置小直径法兰盘的电子束焊接方法。
背景技术
电子束焊简称EBW,一般在真空环境中,利用会聚的高速电子流轰击焊件连接部位所产生的热能,使被焊金属熔合的一种焊接方法。针对航空和航天制造业的蓬勃发展,焊接技术需不断适应各种新型材料,复杂特殊结构和精密零件的焊接问题,而以电弧为热源的常规焊接方法已不能完全适应这些特殊要求。
国外的航空和航天工业中,真空电子束焊接已成为最可靠的连接方法之一,在箭、船箱体等大型构件上得到普遍的成功应用,如美国的土星Ⅴ箱底叉形环纵缝,俄罗斯的能源号部份筒段纵缝及法兰盘的焊接采用了电子束焊工艺,焊接质量及效果令人满意。
电子束焊接技术在国内的大型弹箭体结构上使用还是很少,我国开展新一代航天器的研制任务,其推进剂贮箱由前后箱底、前后短壳、中间筒段及箱内附件组成,箱底为贮箱承受内压的重要部件之一,主要由叉形环、瓜瓣、顶盖等组成。空间曲面顶盖上在不同周向位置分布多个法兰盘,法兰盘是用于连接各种管路的重要零件,需要将小直径法兰盘与大尺寸空间曲面顶盖进行焊接连接。
小直径法兰盘焊接会在大尺寸薄壁曲面零件上形成焊缝局部集中,以往法兰盘一般使用手工或自动TIG焊,由于焊前需要开坡口,多道焊缝焊接,热输入量大,焊接变形较大,极易引起大曲面零件焊接部位的变形,影响后续焊接壳段的装配,并且多个法兰盘的焊接也存在相互之间的影响。由于法兰盘连接面的多重非线性特性使得该连接处的静、动力学特性复杂。因此,对法兰盘与顶盖壳体的焊接质量和焊接变形有较高的要求。
真空电子束焊接是先进的焊接技术,具有功率密度高、热影响区小、可控性及可达性好、穿透能力强、焊缝深宽比大、焊接速度高、焊接变形小以及焊缝保护条件好,焊缝缺陷少,接头质量高,并易于修复等优点,可以解决大尺寸薄壁椭球面顶盖与小直径法兰盘在焊接接头设计、装配技术、椭球面焊缝等方面的焊接技术难题,
但是,目前还没有关于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接技术的公开资料,因此亟需研制一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,从而为满足航天产品的高强度、低重量和极高可靠性等要求提供有效的解决途径,实现工程化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,从而利用真空电子束焊接工艺完成大尺寸薄壁顶盖与多个不同周向位置的小直径法兰盘的焊接连接,突破大尺寸薄壁空间曲面顶盖与小直径法兰盘结构的优化设计、精密装配、焊接质量及焊接变形控制等关键技术,实现电子束焊接技术在新型航天器上贮箱等大型结构上的工程化应用。
为了实现这一目的,本发明采取的技术方案是
一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,顶盖的型面为旋转椭球曲面,顶盖的开孔为椭球曲面的法线方向,N个法兰盘分布在距离椭球曲面轴线中心不同位置处,N≥4,N个法兰盘的圆心与椭球曲面轴线中心之间的距离有480mm、500mm两种情况;
顶盖的理论型面为椭球曲面,设母线方程为根据母线方程绘制椭圆;设O点为椭圆的中心点,P点为法兰盘中心在顶盖椭圆上的切点位置,为经过切点P点的切线,为经过切点P点的法线,F1和F2为椭圆的左、右焦点,和顶盖中心轴线平行,垂直于X轴;设和之间的夹角角度为法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α;
该方法包括焊接前法兰盘结构设计,焊接装配,以及焊接过程工艺控制三部分,具体包括如下步骤:
(1)法兰盘结构设计
在每个法兰盘上设计锁底结构,在焊接装配过程中起到刚性固定和衬托焊缝作用;法兰盘与顶盖进行接头配合,焊缝位置位于锁底宽度的中心;
法兰盘的焊缝边沿预留凸台,以凸台作为填充料弥补铝合金蒸发和焊缝焊漏的金属损失,以获得表面成形饱满的焊缝;
凸台高度、凸台宽度和锁底的厚度与宽度根据法兰盘和顶盖结合面的焊接厚度按如下原则确定:
①焊接厚度大于3mm时,锁底厚度为2~3mm,锁底宽度为5~8mm;凸台高度为0.5mm、凸台宽度为1mm;
②焊接厚度为3~6mm时,锁底厚度为4~5mm,锁底宽度为6~10mm;凸台高度为1mm、凸台宽度为1mm;
③焊接厚度大于6mm时,锁底厚度为5~6mm,锁底宽度为8~12mm;凸台高度为1mm、凸台宽度为1.5mm;
法兰盘的焊接面直径比图纸标注的尺寸增加1mm,留出修配加工的余量;
以顶盖的中心孔为基准,配车法兰盘外径,控制法兰盘外径与顶盖之间保持0.05~0.1mm的过盈量以实现紧密装配;
法兰盘的顶盖开孔满足的圆度指标;
(2)焊接装配工装设计
通过焊接装配工装依次将每个法兰盘与顶盖装配,焊接装配工装包括上顶斜面螺纹衬块、支撑架、上顶支撑座座、散热铜环;
支撑架是焊接装配工装的主体结构,上顶斜面螺纹衬块通过螺钉固定在支撑架上,其斜面角度为法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α;上顶斜面螺纹衬块内部沿着和斜面垂直的方向加工内螺纹,内穿上顶螺栓,上顶螺栓的顶部是球头,球头和上顶支撑座底部中心的球形内凹面相吻合,在上顶螺栓旋转上顶的过程中,起到限位作用;
上顶支撑底座固定在支撑架上,用于与法兰盘装配,上顶支撑底座的型面外径和设置锁底结构后的法兰盘的底部内径相匹配,采用法兰盘内径定位,控制法兰盘的中心和上顶螺栓的施力中心重合;
在距离焊缝5mm的区域,安装散热铜环,起到焊接过程中的散热作用;
焊接装配工装通过上顶螺栓的上顶作用,将法兰盘与顶盖贴合压紧;
(3)焊接过程工艺控制
(3.1)椭球面顶盖法线方向焊接工艺
将焊接面置于水平位置,焊接时,通过焊接设备转台,根据法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α调整顶盖的倾斜角度,控制焊接面置于水平位置;
法兰盘中心和顶盖轴线中心距离为500mm时,α角为11°6′;
法兰盘中心和顶盖轴线中心距离为480mm时,α角为10°38′;
(3.2)焊接工艺参数控制
电子束焊接参数采用沿接头横向锯齿波扫描焊接的方法,锯齿波的扫描幅值A=1mm,频率为700Hz,焊接电流为20~25mA、电子束高压为80kv,焊接速度为1m/min;
焊接时,采用焊接轨迹插补编程,先进行定位焊,防止焊接变形;然后进行弥缝焊,消除焊接间隙和错边对接头质量的影响;最后进行正式焊。
进一步的,如上所述的一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,步骤(3.2)中,对N个法兰盘采取交错式类对称焊接顺序,均衡和降低焊接应力,减小焊接变形。
进一步的,如上所述的一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,步骤(2)中,散热铜环在顶部一半的厚度方向上加工倒角,用于焊接过程中的找正观察;
本发明技术方案的有益效果在于:
(1)设计了适应于顶盖法兰盘电子束焊接的法兰盘结构,法兰盘焊接接头部位采用对接锁底结构,有效地保证了装配精度和焊接质量。如图1所示,若采用平面对接结构,顶盖与法兰盘装配时缺乏有效的限位约束,在紧配合的条件下,薄壁空间型面零件的表面对齐困难,若焊缝焊透,则会出现焊缝背部产生焊漏而正面凹陷现象。采用锁底对接的接头形式,有效地保证了装配精度和焊接质量。锁底有多个作用,一是将高能束焊接特有的钉尖缺陷(钉尖气孔)引入锁底,焊接后去掉锁底即可以去除缺陷。二是电子束焊接一般不填加焊丝,高能穿透焊接时,为保证焊接充分焊透,焊缝背面会有余高(焊漏),焊缝正面就会存在未焊满(表面凹陷)。增加锁底能起到对焊缝的衬托作用,保证焊缝表面饱满无凹陷。三是装配时起到装夹定位作用,方便控制接头对接缝间隙和错边。
(2)采用大尺寸薄壁顶盖与法兰盘的精密装配技术。为保证装配精度,主要采取两方面措施,一是根据顶盖上与法兰盘装配焊接处的开孔尺寸,对法兰盘的焊接面直径配车,保证法兰盘与顶盖的装配间隙满足焊接要求,实现无间隙配合,配合精度参照H7/h6。二是结合工装的使用,采用弹性预应力变形,抵消焊接应力,减少变形。采用刚性支撑结合上压下顶的装配技术,将顶盖、法兰盘、焊接工装结合成一体,紧密装配和固定,施加上顶预紧力并有效散热,缓解焊接应力和减小变形。
(3)实现了分布在空间曲面顶盖上不同位置的法兰盘电子束焊接,获得了满意的焊接质量,顶盖法兰盘焊后状态如图2所示。焊接过程采用了沿椭球型空间曲面法线方向插补编程进行电子束焊接的工艺,根据不同径向位置法兰的法线角度α,采用调角工装进行适应性调整,保证焊缝面置于水平位置。为保证焊缝的正面与背面成形,同时降低对焊缝对中度的要求,规范上还采取电子束沿接头横向扫描焊接(锯齿波)的方法,焊缝形状近似于平行焊缝,类平行的电子束焊缝形状也极大地改善了焊接接头应力分布情况,使焊缝收缩均匀,减少了焊接变形。利用电子束焊接轨迹插补编程方法,并采用扫描焊接参数,完成了顶盖与法兰盘的电子束焊接,焊缝外观成形美观,对中、光滑、连续,质量符合焊缝的设计要求。
附图说明
图1是不同的接头形式对比示意图;
图2是顶盖法兰盘焊后状态示意图;
图3是顶盖法兰盘结构示意图;
图4是施加上顶力的顶盖与法兰盘的装配示意图;
图5是顶盖与法兰盘的焊接变形示意图;
图6是上顶预紧力的作用示意图;
图7是根据母线方程绘制的椭圆。
图中:1顶盖,2法兰盘,3上顶斜面螺纹衬块、4支撑架、5上顶支撑座座、6散热铜环、7上顶螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进一步详细说明。
一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,如图3所示,顶盖的型面为旋转椭球曲面,顶盖的开孔为椭球曲面的法线方向,N个法兰盘分布在距离椭球曲面轴线中心不同位置处,N≥4,N个法兰盘的圆心与椭球曲面轴线中心之间的距离有480mm、500mm两种情况;
顶盖的理论型面为椭球曲面,如图7所示,设母线方程为根据母线方程绘制椭圆;设O点为椭圆的中心点,P点为法兰盘中心在顶盖椭圆上的切点位置,为经过切点P点的切线,为经过切点P点的法线,F1和F2为椭圆的左、右焦点,和顶盖中心轴线平行,垂直于X轴;设和之间的夹角角度为法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α;
该方法包括焊接前法兰盘结构设计,焊接装配,以及焊接过程工艺控制三部分,具体包括如下步骤:
(1)法兰盘结构设计
在每个法兰盘上设计锁底结构,在焊接装配过程中起到刚性固定和衬托焊缝作用;用以装夹定位、有效控制接头对接缝间隙和错边,防止焊接过程中焊漏现象,并将电子束焊接特有的钉尖缺陷控制在锁底区域内,提升焊接质量。
锁底的厚度根据焊接厚度而定,既保证焊透,锁底又不被焊穿。法兰盘与顶盖进行接头配合,焊缝位置介于锁底宽度的中心,锁底宽度要发挥法兰盘上顶时与顶盖内表面紧密贴合并施加预紧力的作用,需要一定的宽度保证一定的作用力面积,同时又不宜过宽,以避免焊后去除锁底的工作量过大。
法兰盘的焊缝边沿预留凸台,以凸台作为填充料弥补铝合金蒸发和焊缝焊漏的金属损失,以获得表面成形饱满的焊缝;
结合电子束焊接工程经验和试验数据积累,总结出如下结论:凸台高度、凸台宽度和锁底的厚度与宽度根据法兰盘和顶盖结合面的焊接厚度按如下原则确定:
①焊接厚度大于3mm时,锁底厚度为2~3mm,锁底宽度为5~8mm;凸台高度为0.5mm、凸台宽度为1mm;
②焊接厚度为3~6mm时,锁底厚度为4~5mm,锁底宽度为6~10mm;凸台高度为1mm、凸台宽度为1mm;
③焊接厚度大于6mm时,锁底厚度为5~6mm,锁底宽度为8~12mm;凸台高度为1mm、凸台宽度为1.5mm;
法兰盘的焊接面直径比图纸标注的尺寸增加1mm,留出修配加工的余量;
以顶盖的中心孔为基准,配车法兰盘外径,控制法兰盘外径与顶盖之间保持0.05~0.1mm的过盈量以实现紧密装配,保证装配间隙满足H7/h6的电子束焊接接头配合精度
法兰盘的顶盖开孔满足的圆度指标,以避免顶盖的开孔椭圆度较大造成配车后的装配无法满足间隙要求。
(2)焊接装配工装设计
通过如图4所示的焊接装配工装依次将每个法兰盘与顶盖装配,焊接装配工装包括上顶斜面螺纹衬块、支撑架、上顶支撑座座、散热铜环;
支撑架是焊接装配工装的主体结构,上顶斜面螺纹衬块通过螺钉固定在支撑架上,其斜面角度为法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α;上顶斜面螺纹衬块内部沿着和斜面垂直的方向加工内螺纹,内穿上顶螺栓,上顶螺栓的顶部是球头,球头和上顶支撑座底部中心的球形内凹面相吻合,在上顶螺栓旋转上顶的过程中,起到限位作用,防止上顶时发生窜动。
上顶支撑底座固定在支撑架上,用于与法兰盘装配,上顶支撑底座的型面外径和设置锁底结构后的法兰盘的底部内径相匹配,采用法兰盘内径定位,控制法兰盘的中心和上顶螺栓的施力中心重合;通过上顶螺栓的上顶作用,将法兰与顶盖贴合压紧,避免因施力位置不在法兰的中心而造成法兰受力不均,引起局部不贴合。
在距离焊缝5mm的区域,安装散热铜环,起到焊接过程中的散热作用;散热铜环在顶部一半的厚度方向上加工倒角,用于焊接过程中的找正观察;
焊接装配工装通过上顶螺栓的上顶作用,将法兰盘与顶盖贴合压紧;
铝合金在焊接凝固时的体积收缩率较大,线膨胀系数约为碳钢和低合金钢的两倍,导致焊件的变形和应力较大。未施加上顶预紧力时,顶盖与法兰盘的焊接变形趋势如图5所示。焊缝上部比下部受热要多,上表面的焊缝及附近区域的收缩变形大于下表面,造成上表面焊缝及附近区域的下凹变形,此处为低点,两侧为高点,焊接变形造成顶盖外端沿直径尺寸也相应发生变化。
若在施加上顶预紧力下进行焊接,减小了由周围较冷金属对由焊接热输入引起的焊缝及近缝区金属热膨胀的纵向塑性挤压力,进而减小了焊接加热过程中在焊缝及近缝区形成的纵向塑性压应变。如图6所示,在上顶预紧力的作用下,焊后冷却阶段的塑性拉应变就能大大地抵消由加热阶段形成的塑性压应变,使焊件中只有较小的纵向残余塑性压应变被保留下来。焊件上发生的残余压缩塑性变形是导致焊接残余应力形成的主要原因,而残余应力又是一个自相平衡的内力,焊缝位置及附近区域局部残余压缩塑性变形的减小会引起大尺寸顶盖结构总体内应力的重新分布,从而大大降低焊接残余应力幅值,达到控制残余应力和变形的目的。
(3)焊接过程工艺控制
(3.1)椭球面顶盖法线方向焊接工艺
顶盖水平放置时,法兰盘焊接表面不在一个高度的水平面上,并且焊接束流的路径和法线方向焊缝截面位置不重合,容易造成未熔合。为满足电子束焊接需要,需将焊接面置于水平位置。焊接时,通过焊接设备转台,根据法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α调整顶盖的倾斜角度,控制焊接面置于水平位置;
以法兰盘中心和顶盖轴线中心距离为500mm时为例,推导过程如下:
对于标准椭圆方程左右焦点的坐标为(-c,0)和(c,0),c值为根据顶盖的母线方程,化为椭圆方程为则a2=16692,则即 将X值,即代入母线方程,可求得Y值,即
∴tg∠F1PN=61.08°,tg∠F2PN=38.87°
根据椭圆法线定律,∠F1PM=∠F2PM,则
则α=∠MPN=∠F2PM-∠F2PN≈49.97°-38.87°=11.1°=11°6′
同理,可以计算得到法兰盘中心和顶盖轴线中心距离为480mm时,α角为10°38′;
(3.2)焊接工艺参数控制
电子束扫描焊接可以控制焊缝成形,减少焊缝根部跳动量及根部钉尖缺陷。电子束扫描可使高温熔池的深度减小、底部宽度增加、提前进入稳态,并且显著降低熔池升温速度、最高温度和冷却速度。
为保证铝合金焊缝成形和控制焊缝内部易产生的气孔等缺陷,电子束焊接参数可采用沿接头横向锯齿波扫描焊接的方法,降低焊缝对中的要求。扫描幅值A=1mm,频率f=700Hz,优化焊缝截面成形,获得焊缝截面类似平行状的电子束焊缝有助于均衡焊接应力和减小变形。扫描焊接还能够增加焊缝的搅动,提高气体溢出的速度,减小焊缝气孔产生的几率。其它的焊接参数包括焊接电流为20~25mA、电子束高压为80kv,焊接速度为1m/min。
焊接时,采用焊接轨迹插补编程,先进行定位焊,防止焊接变形;然后进行弥缝焊,消除焊接间隙和错边对接头质量的影响;最后进行正式焊,使焊缝外观光滑、均匀、美观。这种焊接工艺明显降低了焊接变形,提高了焊接质量。
在本实施例的步骤(3.2)中,对N个法兰盘采取交错式类对称焊接顺序,均衡和降低焊接应力,减小焊接变形。
Claims (3)
1.一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,其特征在于:顶盖的型面为旋转椭球曲面,顶盖的开孔为椭球曲面的法线方向,N个法兰盘分布在距离椭球曲面轴线中心不同位置处,N≥4,N个法兰盘的圆心与椭球曲面轴线中心之间的距离有480mm、500mm两种情况;
顶盖的理论型面为椭球曲面,设母线方程为根据母线方程绘制椭圆;设O点为椭圆的中心点,P点为法兰盘中心在顶盖椭圆上的切点位置,为经过切点P点的切线,为经过切点P点的法线,F1和F2为椭圆的左、右焦点,和顶盖中心轴线平行,垂直于X轴;设和之间的夹角角度为法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α;
该方法包括焊接前法兰盘结构设计,焊接装配,以及焊接过程工艺控制三部分,具体包括如下步骤:
(1)法兰盘结构设计
在每个法兰盘上设计锁底结构,在焊接装配过程中起到刚性固定和衬托焊缝作用;法兰盘与顶盖进行接头配合,焊缝位置位于锁底宽度的中心;
法兰盘的焊缝边沿预留凸台,以凸台作为填充料弥补铝合金蒸发和焊缝焊漏的金属损失,以获得表面成形饱满的焊缝;
凸台高度、凸台宽度和锁底的厚度与宽度根据法兰盘和顶盖结合面的焊接厚度按如下原则确定:
①焊接厚度大于3mm时,锁底厚度为2~3mm,锁底宽度为5~ 8mm;凸台高度为0.5mm、凸台宽度为1mm;
②焊接厚度为3~6mm时,锁底厚度为4~5mm,锁底宽度为6~10mm;凸台高度为1mm、凸台宽度为1mm;
③焊接厚度大于6mm时,锁底厚度为5~6mm,锁底宽度为8~12mm;凸台高度为1mm、凸台宽度为1.5mm;
法兰盘的焊接面直径比图纸标注的尺寸增加1mm,留出修配加工的余量;
以顶盖的中心孔为基准,配车法兰盘外径,控制法兰盘外径与顶盖之间保持0.05~0.1mm的过盈量以实现紧密装配;
法兰盘的顶盖开孔满足的圆度指标;
(2)焊接装配工装设计
通过焊接装配工装依次将每个法兰盘与顶盖装配,焊接装配工装包括上顶斜面螺纹衬块、支撑架、上顶支撑座座、散热铜环;
支撑架是焊接装配工装的主体结构,上顶斜面螺纹衬块通过螺钉固定在支撑架上,其斜面角度为法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α;上顶斜面螺纹衬块内部沿着和斜面垂直的方向加工内螺纹,内穿上顶螺栓,上顶螺栓的顶部是球头,球头和上顶支撑座底部中心的球形内凹面相吻合,在上顶螺栓旋转上顶的过程中,起到限位作用;
上顶支撑底座固定在支撑架上,用于与法兰盘装配,上顶支撑底座的型面外径和设置锁底结构后的法兰盘的底部内径相匹配,采用法兰盘内径定位,控制法兰盘的中心和上顶螺栓的施力中心重合;
在距离焊缝5mm的区域,安装散热铜环,起到焊接过程中的散热 作用;
焊接装配工装通过上顶螺栓的上顶作用,将法兰盘与顶盖贴合压紧;
(3)焊接过程工艺控制
(3.1)椭球面顶盖法线方向焊接工艺
将焊接面置于水平位置,焊接时,通过焊接设备转台,根据法兰盘中心在椭球曲面顶盖上的法线角度α调整顶盖的倾斜角度,控制焊接面置于水平位置;
法兰盘中心和顶盖轴线中心距离为500mm时,α角为11°6′;
法兰盘中心和顶盖轴线中心距离为480mm时,α角为10°38′;
(3.2)焊接工艺参数控制
电子束焊接参数采用沿接头横向锯齿波扫描焊接的方法,锯齿波的扫描幅值A=1mm,频率为700Hz,焊接电流为20~25mA、电子束高压为80kv,焊接速度为1m/min;
焊接时,采用焊接轨迹插补编程,先进行定位焊,防止焊接变形;然后进行弥缝焊,消除焊接间隙和错边对接头质量的影响;最后进行正式焊。
2.如权利要求1所述的一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,其特征在于:步骤(3.2)中,对N个法兰盘采取交错式类对称焊接顺序,均衡和降低焊接应力,减小焊接变形。
3.如权利要求1所述的一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法,其特征在于:步骤(2)中,散热铜环在顶部一半的厚度方向上加工倒角,用于焊接过程中的找正观察。
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