CN111069856A - 一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，包括在形成封闭的贮箱之前，先在需要焊接法兰的单个目标筒段进行机械开孔并焊接法兰的步骤。本发明所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，贮箱筒段开孔由整箱状态下手工开孔改进为单个筒段状态下机械开孔，开孔精度提高，为后续保证焊接质量和减小焊接变形奠定了基础。

Description

一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法

技术领域

本发明属于火箭燃料贮箱焊接技术领域，尤其是涉及一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法。

背景技术

新一代运载火箭承担着探月和深空探测的任务，燃料贮箱直径为Ф5000mm，用于燃料的加注、贮存、输送并承受箭体飞行过程中全部的结构载荷。贮箱由两个半球型箱底和中间若干筒段拼焊而成，箱底和筒段的厚度在3-10mm范围内，加注燃料、输送燃料等功能的实现需要在箱底或中间筒段上开孔进行法兰的焊接，一般情况，法兰都是分布在箱底结构上，但由于结构需求，部分法兰分布在筒段上，需要在中间筒段的特殊指定位置装配焊接若干法兰，法兰呈“工”字型，“工”字型下端与筒段开孔处对接焊接，法兰焊接端直径为100-300mm，焊接区厚度与筒段厚度相同，整体结构如图1所示。通常燃料贮箱的装配焊接顺序一般先将第一个箱底和第一个筒段对合焊接，再将第一个筒段与第二个筒段对合焊接，以此类推，直至将所有筒段对合焊接完毕，然后将另一个箱底与最后一个筒段对合焊接，形成封闭的贮箱，贮箱焊接完成后，在筒段上手工开孔，搓修开孔尺寸与法兰配合，使用工装固定法兰和筒段的待焊部位，手工完成焊接。

筒段结构大、壁薄、刚性弱，如果采用在外部机械开孔，筒段内侧为封闭的空间，无法安装筒段内撑装置，整个贮箱也很难实现装卡，进而无法完成机械开孔，只能采用手工开孔。而手工开孔的过程是，先使用钻头整圈打孔，取下中间的余料，再用钻头和刮刀修整开孔圆内侧尺寸，精度很难保证，开孔圆度最大差值可达1mm，导致法兰与筒段开孔处对合时的装配条件较差，影响焊接质量，焊缝易出现应力集中，进而导致贮箱承载失效风险。

此外，手工焊接受焊工技能影响较大，焊接质量波动性大。焊缝属于封闭的环形焊缝，结构受力复杂，手工焊接过程中，焊缝受力不均匀，焊接接头的拘束度较大，焊后产生的残余应力也较大，导致该处焊缝附近变形较大，进而影响了法兰在该处的形位尺寸，导致后续对接管路的工作难于实现。

同时，焊接热输入得到有效控制后，焊缝附近变形量较小，但该变形仍然目视可见。焊缝的残余应力是无法避免的，该力会让筒段上靠近焊缝的地方出现翘曲变形，变形区距离筒段边缘较近，进而影响了筒段边缘的圆度，在后续筒段与筒段对接焊时，影响装配质量，无法保证焊接质量，变形的实际型面与理论型面的差值达5-10mm。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，以克服现有技术的缺陷，贮箱筒段开孔由整箱状态下手工开孔改进为单个筒段状态下机械开孔，开孔精度提高，为后续保证焊接质量和减小焊接变形奠定了基础。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，包括在形成封闭的贮箱之前，先在需要焊接法兰的单个目标筒段进行机械开孔并焊接法兰的步骤。

优选的，在需要焊接法兰的单个目标筒段进行机械开孔的方法为：将筒段放置在平台上，呈平躺姿态，使用内撑装置将筒段撑圆，使用铣刀在筒段外侧的指定位置开孔；

优选的，开孔时，采用先在指定位置开设比目标孔径小一定长度范围的孔，再逐步向外扩大铣切直径，直至达到目标开孔直径为止的方法。

优选的，内撑装置采用中国发明专利申请CN201510065305.5公开的5M级贮箱封箱环缝内撑装置。

优选的，使用内撑装置将筒段撑圆的标准为将筒段内侧撑紧，保证筒段外侧整圈圆度在0.2mm以内。

优选的，焊接法兰的方法包括以下步骤：

1)将经开孔的筒段竖直吊装至托架上，使开孔处朝正下方并在开孔处装配法兰，使用工装固定筒段和法兰焊接区；

2)采用分段定位进行直流定位焊接后，再采用对称分布搭接量的方式进行打底焊接和盖面焊接；

3)对焊缝采用敲击校形的方法释放残余应力，恢复产品型面。

优选的，步骤1)中，筒段与法兰焊接区过盈配合装配，且对合处整圈无间隙，错缝在0.2mm以内。

优选的，步骤1)中，固定筒段和法兰焊接区的工装包括筒段压紧梁及安装在筒段压紧梁上若干筒段压紧杆，若干筒段压紧杆沿法兰焊接区***一圈间隔分布，且它们末端贴合有筒段压紧盘；筒段压紧盘呈环形，为一个整体，位于法兰焊接区的***，且筒段压紧盘下端与筒段内表面紧贴；所述筒段压紧梁可拆卸的固定在托架上；

优选的，步骤1)中，托架上设有用于焊接过程中焊漏形成的环形悬空槽。

优选的，步骤2)中，采用分段定位进行直流定位焊接的方法为：焊枪分别旋转至120°和240°两个位置，进行直流定位焊接，每段焊接长度约40-50mm，对整圈对合处进行定位。

优选的，步骤2)中，采用对称分布搭接量的方式进行打底焊接和盖面焊接的方法为：打底焊接从0°起弧，焊接一圈后，搭接至20°-90°范围；盖面焊接从180°起弧，焊接一圈后，搭接至200°-270°范围，有效控制热输入的分布，减小焊接变形。

优选的，步骤3)中，对焊缝采用敲击校形的方法释放残余应力的方法为：加热焊缝区，挤压变形凸起区，托顶焊缝正面，敲击焊缝背部，刮除焊缝硬化层，整圈逐步敲击校形，直至焊缝周边的变形凸起回收；

优选的，加热焊缝区的温度需控制在60-100℃。

优选的，形成封闭的贮箱的方法包括以下步骤：

(1)将第一个箱底和第一个筒段对合焊接；

(2)将第一个筒段与第二个筒段对合焊接，以此类推，直至将所有筒段对合焊接完毕；

(3)将另一个箱底与最后一个筒段对合焊接，形成封闭的贮箱。

相对于现有技术，本发明所述的一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法具有以下优势：

(1)贮箱筒段开孔由整箱状态下手工开孔改进为单个筒段状态下机械开孔，开孔精度提高，为后续保证焊接质量和减小焊接变形奠定了基础。

(2)焊接过程采用分段定位和对称分布搭接量的方法有效地控制焊接热输入和焊接变形。

(3)针对焊接变形，采用敲击焊缝校形的方法，恢复变形的型面，可以控制产品的实际型面与理论型面的差值在3mm以内。

附图说明

构成本发明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。在附图中：

图1为燃料贮箱的整体结构示意图；

图2为五轴镗铣床机械开孔主视简单结构示意图；

图3为五轴镗铣床机械开孔俯视简单结构示意图；

图4为筒段和法兰装配焊接侧视简单结构示意图；

图5为筒段和法兰装配焊接主视剖视简单示意图；

图6分段定位焊接示意图；

图7为对称分布焊接搭接量示意图；

图8为校形过程示意图；

图9为本发明所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法中单个目标筒段进行机械开孔并焊接法兰的方案流程图。

附图标记说明：

1-箱底；2-筒段；3-法兰；4-内撑装置；401-支撑机构C；402-内支撑环A；403-外支撑环B；5-设备平台；6-定位块；7-铣刀；8-铣切机构；9-筒段压紧梁；10-焊枪；11-筒段压紧杆；12-筒段压紧盘；13-托架；14-法兰压紧螺母；15-法兰压紧杆；16-悬空槽；17-旋转盘；18-连接螺栓；19-十字横梁。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

筒段结构大、壁薄、刚性弱，如果采用在外部机械开孔，筒段内侧为封闭的空间，无法安装筒段内撑装置，整个贮箱也很难实现装卡，进而无法完成机械开孔，只能采用手工开孔。而手工开孔的过程是，先使用钻头整圈打孔，取下中间的余料，再用钻头和刮刀修整开孔圆内侧尺寸，精度很难保证，开孔圆度最大差值可达1mm，导致法兰与筒段开孔处对合时的装配条件较差，影响焊接质量，焊缝易出现应力集中，进而导致贮箱承载失效风险。

为了克服以上缺陷，在分析了贮箱结构的特点后，本发明所述5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，调整了贮箱的装配焊接顺序，先将需要焊接法兰3的筒段2进行机械开孔并焊接法兰3，再将第一个箱底1和第一个筒段2对合焊接，然后将第一个筒段2与第二个筒段2对合焊接，以此类推，直至将所有筒段2对合焊接完毕，最后将另一个箱底1与最后一个筒段2对合焊接，形成封闭的贮箱。采用先在单个筒段2上机械开孔并焊接法兰3，再组装焊接贮箱的方法，可保证开孔的精度，保证筒段2开孔处与法兰3装配对合时的精度，进而保证焊接质量。

图9为本发明5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法中单个目标筒段进行机械开孔并焊接法兰的方案流程图。如图9所示，其过程如下：

单个筒段的机械开孔过程如下：

借助本单位于2015年2月6日申请的中国发明专利《一种5M级贮箱封箱环缝内撑装置中贮箱封箱环缝内撑装置》(申请号201510065305.5，授权公告日2017.10.10，授权公告号CN104646908B)中的内撑装置4对筒段2进行支撑，调节支撑机构C 401，使得支撑块向圆心收回30-50mm，将筒段2呈平躺姿态吊装至设备平台5上，筒段2外侧与4个定位块6贴合，调节支撑机构C 401，使得支撑块向外顶出，直至与筒段2内侧贴合撑紧，筒段2外侧整圈圆度控制在0.2mm以内。

调用铣切程序，使用铣刀7在指定位置开孔，开孔的直径根据需求在100-300mm范围内。开孔时，采用先在指定位置开设比目标孔径小一定长度范围的孔，再逐步向外扩大铣切直径，直至达到目标开孔直径为止的方法。以开设直径为a的孔径为例(也可以理解为将开孔直径设定为a)，先铣出(a-10)mm的圆，取下余料，再逐步向外扩大铣切直径，按照(a-8)mm、(a-6)mm、(a-4)mm、(a-2)mm、a的开孔直径进行铣切，逐步进刀，保证开孔的精度，误差可控制在±0.1mm范围内。开孔结束后，调节支撑机构C 401，使得支撑块向圆心收回30-50mm，吊装筒段2下架。筒段2机械开孔使用的设备为五轴镗铣床，整体结构如图2和图3所示，包括铣切机构8、设备平台5、内撑装置4、定位块6，铣切机构8带有铣刀7，可实现筒段2上的开孔工作，设备平台5上放置筒段2，可保证筒段2呈水平状态，4个定位块6可保证筒段2吊装至设备平台5上时，筒段2和内撑装置4同心，便于后续撑紧和铣切的工作，内撑装置4共2套，分别撑紧筒段上端和下端，内撑装置4由内支撑环A 402、外支撑环B 403和支撑机构C 401组成，支撑机构C 401由多个支撑块和顶升机构组成，与支撑块连接的顶升机构可调节长短，使得支撑块撑紧或松开筒段2。

筒段2开孔完成后，先使用吊带将筒段2呈平躺姿态吊起，在空中翻转呈竖直状态，开孔处朝正下方，将筒段2放置在托架13(托架13为一上表面为内凹弧面，内凹弧面直径与筒段2外径相当的支座，具体结构见图4和图5)上，筒段2与托架13上表面贴合，将筒段压紧盘12放置在筒段2内侧，筒段压紧盘12与筒段2开孔圆同心，将筒段压紧梁9与托架13对合，使用连接螺栓18拧紧，转动筒段压紧梁9上的一圈16根筒段压紧杆11，顶住筒段压紧盘12，使筒段压紧盘12压紧筒段2内侧；然后将法兰3放置在筒段2开孔处上方，使用榔头敲击法兰3对合处，使法兰3和筒段2开孔处完成过盈配合装配，对合处整圈无间隙，错缝控制在0.2mm以内，使用法兰压紧螺母14和法兰压紧杆15固定法兰3；最后调节十字横梁19的高度和伸出长度，使焊枪10移动至法兰3和筒段2的对合处上方，调整旋转盘17的旋转速度，使焊枪10可以完成环形焊接。筒段2和法兰3的装配焊接情况如图4、5所示，托架13上带有环形悬空槽16，用于焊接过程中焊漏的形成，这个焊接过程也称为悬空焊；筒段压紧梁9、筒段压紧杆11和筒段压紧盘12用于固定和压紧筒段2；法兰压紧杆15和法兰压紧螺母14用于固定压紧法兰3；4个连接螺栓18用于连接托架13和筒段压紧梁9；十字横梁19固定在地面上，能够上、下、前、后移动，用于调节焊枪10位置，以便于焊枪10可以移动至对合处上方进行焊接，十字横梁19上配有的旋转盘17可以定速旋转，用于焊枪10实现环形焊缝的焊接工作。

法兰3焊缝是封闭的环形焊缝，与手工焊相比，自动焊可以保证焊接热输入稳定，焊缝均匀一致，焊接变形小，焊接质量高。焊接过程采用了先直流打底，再交流盖面的焊接方式，直流打底是指非熔化极惰性气体保护焊，非熔化极使用Φ5-Φ6mm直径的钨极，惰性气体采用氦气保护，氦气流量为9-15L/min，焊接过程是直流焊接，焊接速度范围为240-300mm/min，焊接电流范围180-240A；交流盖面也是指非熔化极惰性气体保护焊，非熔化极使用Φ5-Φ6mm直径的钨极，惰性气体采用氩气保护，氩气流量为9-15L/min，焊接过程是交流焊接，钨极下端自动填充焊丝，焊接速度范围为120-160mm/min，焊接电流范围为240-320A，送丝速度范围为600-1200mm/min。

作为本发明一个可选的实施方式，以筒段和法兰对合处焊接厚度是7mm为例，直流打底焊各参数的选择为：氦气流量12-13L/min，焊接速度为270mm/min，焊接电流为185-195A；交流盖面焊各参数的选择为：氩气流量为12-13L/min，焊接速度为140mm/min，焊接电流为290-310A，送丝速度为700-900mm/min。

直流焊接使用具有较强穿透力的氦气保护的电弧进行焊接，由于法兰3焊缝为封闭的环形焊缝，先进行焊接部分的收缩力会导致对称位置间隙变大，当焊接至对称位置时容易导致焊漏反抽的缺陷。针对这个问题，在打底焊之前，我们采用了分段定位焊接的方法，将整圈的间隙和错缝焊接固定，保证打底焊接时，整圈的装配效果不发生变化，保证打底焊接质量。分段定位焊的过程为，按照顺时针方向，最上端为0°，焊枪10分别旋转至120°和240°两个位置，进行直流焊接，焊接过程与打底焊接方式相同，只是采用的电流偏小，电流范围是120-180A，以焊接区厚度是7mm为例，优选为150A，保证对合处背部不出现焊漏，只将对合处进行部分熔合，起定位作用，每段焊接长度约40-50mm，而打底焊接从0°位置起弧，保证了焊接过程中对合间隙和错缝始终满足焊接要求。分段定位焊的示意图如图6所示。

一般封闭的环形焊缝，需要在焊接一圈后不熄弧，继续焊接20°-90°的距离，将起弧阶段不饱满的一段焊缝覆盖后，再熄弧。因为继续焊接的搭接部分进行了二次焊接，必然会造成焊缝热输入大，焊接变形大。虽然这种搭接量不能避免，但是，我们可以将打底焊接的搭接段和盖面焊接的搭接段对称分布，使得热输入带来的焊接变形在对称位置进行部分抵消，进一步有效控制热输入的分布，减小焊接变形。对称分布搭接量的示意图如图7所示，打底焊接从0°起弧，焊接一圈后，搭接至20°-90°范围；盖面焊接从180°起弧，焊接一圈后，搭接至200°-270°范围。

虽然焊接热输入得到了有效控制，变形量得到控制，但是由于焊接残余应力的存在，焊接变形仍然存在。针对这种情况，我们采用人工校形的方法，将焊接残余应力消除，恢复变形前的型面。校形的具体过程如下，先使用热吹风机加热需要敲击的焊缝，采用红外测温仪测量加热区域的表面温度，将温度控制在60-100℃，优选80℃；再使用方形块人工挤压焊缝周边的变形凸起部位，使得凸起程度降低50-100％，优选80％；然后使用榔头敲击加热后的焊缝背部，同时在对应位置的焊缝正面使用方形顶块人工托住焊缝；最后，使用拉刀刮除焊缝正面和背面的硬化层，该硬化层因敲击和顶撞产生。整个过程如图8所示，采用该方法，整圈逐步敲击焊缝，直至焊缝周边的变形凸起回收，产品的实际型面与理论型面的差值可控制在3mm以内。

综上，本发明分析了贮箱结构的特点，调整了开孔的顺序，在单个筒段状态下，使筒段呈平躺姿态，使用内撑装置固定并撑圆筒段，在筒段外侧进行机械开孔，保证开孔的精度，保证筒段开孔处与法兰装配对合时的精度，进而保证焊接质量。同时，采用了在单个筒段状态下，将筒段吊装起呈竖直状态，下端放置在托架上，装配法兰，使用工装压紧筒段和法兰的焊接端，将焊枪深入到筒段内侧完成法兰的自动焊接工作，并在焊接中采用分段定位和对称分布搭接量的方法，保证焊缝质量的同时，均匀分摊整圈焊接的热输入量，降低焊接区附近的变形量。此外，采用了加热焊缝区、挤压变形区、敲击焊缝区的人工校形方法，产品型面恢复效果良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：包括在形成封闭的贮箱之前，先在需要焊接法兰的单个目标筒段进行机械开孔并焊接法兰的步骤。

2.根据权利要求1所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：在需要焊接法兰的单个目标筒段进行机械开孔的方法为：将筒段放置在平台上，呈平躺姿态，使用内撑装置将筒段撑圆，使用铣刀在筒段外侧的指定位置开孔；

优选的，开孔时，采用先在指定位置开设比目标孔径小一定长度范围的孔，再逐步向外扩大铣切直径，直至达到目标开孔直径为止的方法。

3.根据权利要求2所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：内撑装置为5M级贮箱封箱环缝内撑装置；

和/或，使用内撑装置将筒段撑圆的标准为将筒段内侧撑紧，保证筒段外侧整圈圆度在0.2mm以内。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：焊接法兰的方法包括以下步骤：

1)将经开孔的筒段竖直吊装至托架上，使开孔处朝正下方并在开孔处装配法兰，使用工装固定筒段和法兰焊接区；

2)采用分段定位进行直流定位焊接后，再采用对称分布搭接量的方式进行打底焊接和盖面焊接；

3)对焊缝采用敲击校形的方法释放残余应力，恢复产品型面。

5.根据权利要求4所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：步骤1)中，筒段与法兰焊接区过盈配合装配，且对合处整圈无间隙，错缝在0.2mm以内。

6.根据权利要求4所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：步骤1)中，固定筒段和法兰焊接区的工装包括筒段压紧梁及安装在筒段压紧梁上若干筒段压紧杆，若干筒段压紧杆沿法兰焊接区***一圈间隔分布，且它们末端贴合有筒段压紧盘；筒段压紧盘呈环形，为一个整体，位于法兰焊接区的***，且筒段压紧盘下端与筒段内表面紧贴；所述筒段压紧梁可拆卸的固定在托架上；

和/或，步骤1)中，托架上设有用于焊接过程中焊漏形成的环形悬空槽。

7.根据权利要求4所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：步骤2)中，采用分段定位进行直流定位焊接的方法为：焊枪分别旋转至120°和240°两个位置，进行直流定位焊接，每段焊接长度约40-50mm，对整圈对合处进行定位。

8.根据权利要求4所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：步骤2)中，采用对称分布搭接量的方式进行打底焊接和盖面焊接的方法为：打底焊接从0°起弧，焊接一圈后，搭接至20°-90°范围；盖面焊接从180°起弧，焊接一圈后，搭接至200°-270°范围，有效控制热输入的分布，减小焊接变形。

9.根据权利要求4所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：步骤3)中，对焊缝采用敲击校形的方法释放残余应力的方法为：加热焊缝区，挤压变形凸起区，托顶焊缝正面，敲击焊缝背部，刮除焊缝硬化层，整圈逐步敲击校形，直至焊缝周边的变形凸起回收；

优选的，加热焊缝区的温度需控制在60-100℃。

10.根据权利要求1所述的5米直径筒段法兰的装配焊接及形位尺寸控制方法，其特征在于：形成封闭的贮箱的方法包括以下步骤：

(1)将第一个箱底和第一个筒段对合焊接；

(2)将第一个筒段与第二个筒段对合焊接，以此类推，直至将所有筒段对合焊接完毕；

(3)将另一个箱底与最后一个筒段对合焊接，形成封闭的贮箱。

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