CN114289938A - 一种载人球形耐压壳焊接工作台及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载人球形耐压壳焊接工作台，包括焊接工装组件、工装轮、滑动支架、传动丝杠、导轨台，滑动支架相对间隔设有两个，分别在导轨台上与其滑动连接，传动丝杠水平设有两个，两者的一端分别与导轨台的相对两侧连接，另一端分别穿设于对应的一个滑动支架中并与其转动连接，每个滑动支架上分别安装有一个工装轮，两个工装轮相对间隔设置，两者的相对一侧面上分别安装有一个焊接工装组件，两个焊接工装组件同轴对称。并公开了其加工方法。本发明从根本上解决了传统夹具加紧球类零件时夹紧力不足或者容易发生脱落的问题，支持大尺寸球壳固定焊接，解决了焊接时发生形变的问题。

Description

一种载人球形耐压壳焊接工作台及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种焊接加工设备，尤其是涉及一种载人球形耐压壳焊接工作台及其加工方法。

背景技术

潜水器是大洋勘查与科学研究的重要装备，而耐压球是载人潜水器重要组成部件之一。球形耐压壳因其结构简单，受力均匀等优势，已成为大深度潜水器的首选。深海球多为中厚壳，屈曲是其主要失效形式，其特性受到材料及几何缺陷影响，因此，球形耐压壳的设计质量和制作精度是潜水器性能的重要保证。通常来说，耐压球是两个半球壳通过焊接成一个整球，已有的半球壳焊接夹具工装较为落后，通过其焊接成型的半球壳封头精度较低，且由于焊接造成的形变也较大，所以需要保留的焊接加工余量也较高，同时由于焊接工艺的落后，造成在焊接过程中容易出现废品，导致原材料的浪费。

目前，有关半球壳焊接夹具及工艺方面资料较少，相关典型的技术方案有如下3个：申请号为201420748001.X的中国专利公开了一种球形零件焊接夹具，避免了用人来定位带来的不稳定性的问题。申请号为200820141505.X的中国专利公开了一种球形壳体器件自动对缝焊接夹具，它能广泛用于各类薄壁半球壳形壳体零件的焊接夹紧。申请号为201810551176.4的中国专利公开了一种施工现场通暖管道焊接夹具，解决目前没有通暖管道焊接的专用夹具和施工作业时焊接固定困难的问题。

然而，用于载人深潜器制作的球形耐压壳往往都是中大型半球壳，其不仅体积较大，且重量也十分大，而一般的夹具无法提供足够的夹紧力来固定较大较重的半球壳，且由于其制作精度要求也十分高，因此对焊接精准度以及控制焊接变形有着较高的要求。如申请号为201420748001.X的一种球形零件焊接夹具，包括压爪、卡凸、托架、圆盘、螺栓。压爪通过卡槽上下移动，根据零件的大小确定压爪的位置，然后通过螺栓和螺栓孔对压爪进行固定，最终实现对零件的夹紧功能。该夹具夹通过压爪对零件进行固定，紧效果较差，且精度较低。由于其夹具的尺寸限制，通常只能夹紧半径小于100mm的半球壳。此外，当焊接处冷却后会发生局部收缩，使球壳发生形变，降低整体精度与强度。目前所公开的通过其他焊接夹具工装制作的半球壳大多为小型工业生产半球壳，且不能控制焊接形变，无法作为深潜器所用。最终归纳普遍存在如下四个问题：

1.现有夹具均为通过夹爪提供夹紧力，且当夹紧较重零件时无法提供足够的夹紧力，当夹紧球壳这种表面为光滑曲面的金属零件时会发生滑动甚至脱落。

2.现有夹具工装在夹紧零件时通常需要手动调整，导致对齐焊缝时会产生1mm～3mm左右的误差,最终导致较大的焊接误差。

3.现有夹具工装只能夹紧固定半径小于150mm、重量较轻的薄壁半球壳，无法夹紧焊接中大型厚壁球形耐压壳。

4.现有夹具工装无法控制由于焊接时产生的形变，且无法控制焊接质量，只能实现单一的夹紧功能。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种载人球形耐压壳焊接工作台，提高耐压壳焊焊接精度，增强防变形效果，增强其适用性。并提供了该焊接工作台的加工方法。

技术方案：一种载人球形耐压壳焊接工作台，包括焊接工装组件、工装轮、滑动支架、传动丝杠、导轨台，滑动支架相对间隔设有两个，分别在导轨台上与其滑动连接，传动丝杠水平设有两个，两者的一端分别与导轨台的相对两侧连接，另一端分别穿设于对应的一个滑动支架中并与其转动连接，每个滑动支架上分别安装有一个工装轮，两个工装轮相对间隔设置，两者的相对一侧面上分别安装有一个焊接工装组件，两个焊接工装组件同轴对称。

进一步的，焊接工装组件包括工装内模、工装定位外环，工装内模一侧的外周面上设有环形翻边，另一侧置于工装定位外环中，使环形翻边一侧面与工装定位外环一侧面贴合，工装定位外环上从内至外依次周向间隔均布有一圈紧固螺栓孔一和一圈定位螺栓孔，环形翻边上对应周向间隔均布有多个紧固螺栓孔二，紧固螺栓孔一与紧固螺栓孔二一一对应并分别通过一个紧固螺栓及一个紧固螺帽连接，工装轮一侧面上对应周向间隔均布有多个工装定位孔，定位螺栓孔与工装定位孔一一对应并分别通过一个定位螺栓和一个定位螺帽连接。

最佳的，工装内模为圆台形结构，其内圈设有内壁呈阶梯形的通腔，环形翻边设置于小直径内圈一侧的外周面上。

进一步的，导轨台包括底座、滑轨，底座呈U型，滑轨在底座上平行间隔安装有两条，滑动支架的底部对应设有两道滑槽，滑槽与滑轨对应配合使滑动支架底部与滑轨滑动连接，传动丝杠水平间隔设置于滑轨上方，其一端与底座的一侧面连接。

进一步的，滑动支架包括第一支座、第二支座、加强筋，第二支座竖直固定于第一支座上，第二支座一侧面与第一支座之间至少设有一个加强筋，工装轮竖直放置安装于第二支座的另一侧面上，第一支座的底部与导轨台滑动连接，传动丝杠穿设于第二支座中。

最佳的，工装轮为镂空的圆柱形结构，两个工装轮同轴对称。

一种上述的载人球形耐压壳焊接工作台的加工方法，包括以下步骤：

第一步：前期加工在半球壳的球面留出凸台；

将压制好的左右两个半球壳进行机加工，在两者的赤道位置分别加工出一道凸台；

第二步：将工装内模嵌套在半球壳上进行定位；

将两个半球壳分别嵌设于一个焊接工装组件上，使他们形成楔形结构，此时半球壳圆心与焊接工装组件圆心重合；

第三步：采用点焊将两个半球壳与对应的焊接工装组件进行固定；

第四步：将两个焊接工装组件分别安装在对应的工装轮上；

第五步：进行焊接；

将左右两个半球壳对接，通过传动丝杠带动工装支架沿着导轨台移动，将两个焊接工装组件相互定位，沿着焊缝进行焊接直至整个球体焊接到位；

第六步：焊接完成后，待球体完全冷却下来，将两个焊接工装组件从导轨台上取下；

第七步：取下工装内模；

使用焊枪加热球面凸台与焊接工装组件焊点固定处，将焊接工装组件取下；

第八步：切除球面凸台余量；

对焊接好的整球进行机加工，将球面凸台加工切除，最后得到整球，加工完成。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1.紧固效果好。通过将工装内模点焊固定在半球壳上，从根本上解决了传统夹具加紧球类零件时夹紧力不足或者容易发生脱落的问题。

2.实现快速对齐功能，避免手动调整带来的误差。半球壳通过事先加工出的凸台，与工装内模内环的阶梯结构形成楔形结构后点焊固定，再将工装内模安装在导轨台上通过在导轨上移动进行对齐，将对齐误差控制在1mm内，实现了自动对齐功能。

3.支持大尺寸球壳固定焊接。通过取消传统压爪固定方式，引入大尺寸工装内模，可支持固定焊接半径1000mm以下的大型半球壳，解决传统夹具只能夹紧固定半径150mm以内的球壳模型。

4.解决了焊接时发生形变的问题。由于通过工装内模焊固定球壳，在焊接过程中工装内模限制了由于球壳受热或冷却过程中发生的形变。

附图说明

图1为本发明总装示意图；

图2为焊接工装组件的分解结构示意图；

图3为工装轮的结构示意图；

图4为本发明去除工装轮的结构示意图；

图5为工装焊接剖视图；

图6为焊接工艺流程图；

图7为焊接工艺步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种载人球形耐压壳焊接工作台，如图1～4所示，包括焊接工装组件、工装轮14、滑动支架15、传动丝杠16、导轨台17。

滑动支架15相对间隔设有两个，分别在导轨台17上与其滑动连接，导轨台17包括底座171、滑轨172，底座171呈U型，滑轨172在底座171上平行间隔安装有两条，滑动支架15包括第一支座151、第二支座152、加强筋153，第二支座152竖直固定于第一支座151上，第二支座152一侧面与第一支座151之间至少设有一个加强筋153，第一支座151的底部对应设有两道滑槽，滑槽与滑轨172对应配合使滑动支架15底部与滑轨172滑动连接。

传动丝杠16设有两个，分别水平间隔设置于滑轨172上方，两者的一端分别与底座171的相对两侧面连接，另一端分别穿设于对应的一个滑动支架15的第二支座152中并与其转动连接，每个滑动支架15上分别安装有一个工装轮14，工装轮14竖直放置并安装于第二支座152的另一侧面上，工装轮14为镂空的圆柱形结构，两个工装轮14同轴间隔对称。传动丝杠16外接电机，电机带动传动丝杠16转动，从而带动滑动支架15在滑轨172上移动，通过滑轨172定位进行两个工装轮14的对齐。

两个工装轮14的相对一侧面上分别安装有一个焊接工装组件，两个焊接工装组件同轴对称。焊接工装组件包括工装内模1、工装定位外环3，工装内模1一侧的外周面上设有环形翻边，另一侧置于工装定位外环3中，使环形翻边一侧面与工装定位外环3一侧面贴合，工装定位外环3上从内至外依次周向间隔均布有一圈紧固螺栓孔一9和一圈定位螺栓孔8，环形翻边上对应周向间隔均布有多个紧固螺栓孔二10，紧固螺栓孔一9与紧固螺栓孔二10一一对应并分别通过一个紧固螺栓2及一个紧固螺帽7连接，使工装内模1与工装定位外环3连接成一体，工装轮14一侧面上对应周向间隔均布有多个工装定位孔5，定位螺栓孔8与工装定位孔5一一对应并分别通过一个定位螺栓4和一个定位螺帽6连接，使整个焊接工装组件安装于工装轮14上。

工装内模1为圆台形结构，其内圈设有内壁呈阶梯形的通腔，环形翻边设置于小直径内圈一侧的外周面上。通过将半球壳11焊缝周围进行加工出凸台结构，与工装内模1内部阶梯型结构拼装形成楔形结构，能够快速精确的将半球壳11安装在工装内模1上，同时通过焊接将半球壳11固定在工装内模1上。

本工作台的主要材料为5CrNiMo，工装内模1和工装定位外环3的主要作用为定位半球壳11进行拼接和焊接，同时防止半球壳11在焊接过程中变形，定位螺栓孔8和工装定位孔5的作用是保证焊接工装组件与工装轮14的圆心对齐，从而保证半球壳11焊接对齐的精度。

工装轮14能够在滑动支架15上转动，在焊接时方便旋转及时调整焊接位置。

如图5所示，焊接工装组件主要作用为对半球壳11进行固定。半球壳11与工装内模1在点焊区域带12通过点焊进行固定，两个半球壳11通过在焊缝13处进行焊接成整球。

图6、7所示，上述的载人球形耐压壳焊接工作台的加工方法，具体包括如下步骤：

第一步：前期加工在半球壳的球面留出凸台；

将压制好的左右两个半球壳进行机加工，在两者的赤道位置分别加工出一道凸台，作用为和工装内模进行配合形成楔形结构，同时为后续精加工的留出加工余量。

第二步：将工装内模嵌套在半球壳上进行定位；

在两个半球壳上分别嵌套一个工装内模，使其形成楔形结构，此时半球壳圆心与工装内模圆心重合，后续只需将两个半球壳工装进行对接，节省了传统夹具需要对齐这一步骤，同时也提高了对齐精度。

第三步：使用点焊固定半球壳与工装内模；

采用点焊将半球壳与工装内模进行固定，点焊点位如图5中点焊区域带12所示，通过点焊固定半球壳与工装内模不仅解决了传统夹具在夹紧大型重型模型时夹紧力度不足的问题，同时还可以通过工装内模限制在焊接半球壳时由于金属受热和冷却时产生的形变，极大程度上保证了焊接球体的整体圆度。

第四步：拼装焊接工装组件并安装在工作台上；

将工装定位外环通过紧固螺栓与焊接着半球壳的工装内模进行拼装固定，然后将左右两个半球壳工装通过定位螺栓安装在对应的工装轮上，并通过定位螺帽紧固，同时将压力传感器安装在定位螺栓上，然后通过传动丝杠带动滑动支架移动，使两个半球壳拼装定位，左右两个半球壳的圆心重合，准备焊接。

第五步：进行焊接，沿着焊缝13进行焊接。

第六步：焊接完成后待球体冷却拆除工装；

焊接完成后，待整个球体完全冷却下来，此时球体由于冷却产生的收缩形变被工装内模限制，极大程度上避免了因为形变使球球体圆度下降，最后将焊接工装组件连同球体从工装轮上拆除，然后再拆除工装定位外环。

第七步：取下工装内模；

使用焊枪加热球面凸台与工装内模焊点固定处，将工装内模取下。

第八步：切除球面凸台余量；

对焊接好的整球进行机加工，将球面凸台加工切除，最后得到整球，加工完成。

Claims (7)

1.一种载人球形耐压壳焊接工作台，其特征在于：包括焊接工装组件、工装轮(14)、滑动支架(15)、传动丝杠(16)、导轨台(17)，滑动支架(15)相对间隔设有两个，分别在导轨台(17)上与其滑动连接，传动丝杠(16)水平设有两个，两者的一端分别与导轨台(17)的相对两侧连接，另一端分别穿设于对应的一个滑动支架(15)中并与其转动连接，每个滑动支架(15)上分别安装有一个工装轮(14)，两个工装轮(14)相对间隔设置，两者的相对一侧面上分别安装有一个焊接工装组件，两个焊接工装组件同轴对称。

2.根据权利要求1所述的一种载人球形耐压壳焊接工作台，其特征在于：焊接工装组件包括工装内模(1)、工装定位外环(3)，工装内模(1)一侧的外周面上设有环形翻边，另一侧置于工装定位外环(3)中，使环形翻边一侧面与工装定位外环(3)一侧面贴合，工装定位外环(3)上从内至外依次周向间隔均布有一圈紧固螺栓孔一(9)和一圈定位螺栓孔(8)，环形翻边上对应周向间隔均布有多个紧固螺栓孔二(10)，紧固螺栓孔一(9)与紧固螺栓孔二(10)一一对应并分别通过一个紧固螺栓(2)及一个紧固螺帽(7)连接，工装轮(14)一侧面上对应周向间隔均布有多个工装定位孔(5)，定位螺栓孔(8)与工装定位孔(5)一一对应并分别通过一个定位螺栓(4)和一个定位螺帽(6)连接。

3.根据权利要求2所述的一种载人球形耐压壳焊接工作台，其特征在于：工装内模(1)为圆台形结构，其内圈设有内壁呈阶梯形的通腔，环形翻边设置于小直径内圈一侧的外周面上。

4.根据权利要求1所述的一种载人球形耐压壳焊接工作台，其特征在于：导轨台(17)包括底座(171)、滑轨(172)，底座(171)呈U型，滑轨(172)在底座(171)上平行间隔安装有两条，滑动支架(15)的底部对应设有两道滑槽，滑槽与滑轨(172)对应配合使滑动支架(15)底部与滑轨(172)滑动连接，传动丝杠(16)水平间隔设置于滑轨(172)上方，其一端与底座(171)的一侧面连接。

5.根据权利要求1所述的一种载人球形耐压壳焊接工作台，其特征在于：滑动支架(15)包括第一支座(151)、第二支座(152)、加强筋(153)，第二支座(152)竖直固定于第一支座(151)上，第二支座(152)一侧面与第一支座(151)之间至少设有一个加强筋(153)，工装轮(14)竖直放置安装于第二支座(152)的另一侧面上，第一支座(151)的底部与导轨台(17)滑动连接，传动丝杠(16)穿设于第二支座(152)中。

6.根据权利要求1所述的一种载人球形耐压壳焊接工作台，其特征在于：工装轮(14)为镂空的圆柱形结构，两个工装轮(14)同轴对称。

7.一种权利要求1～6任一所述的载人球形耐压壳焊接工作台的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：前期加工在半球壳的球面留出凸台；

将压制好的左右两个半球壳进行机加工，在两者的赤道位置分别加工出一道凸台；

第二步：将工装内模嵌套在半球壳上进行定位；

将两个半球壳分别嵌设于一个焊接工装组件上，使他们形成楔形结构，此时半球壳圆心与焊接工装组件圆心重合；

第三步：采用点焊将两个半球壳与对应的焊接工装组件进行固定；

第四步：将两个焊接工装组件分别安装在对应的工装轮上；

第五步：进行焊接；

将左右两个半球壳对接，通过传动丝杠带动工装支架沿着导轨台移动，将两个焊接工装组件相互定位，沿着焊缝进行焊接直至整个球体焊接到位；

第六步：焊接完成后，待球体完全冷却下来，将两个焊接工装组件从导轨台上取下；

第七步：取下工装内模；

使用焊枪加热球面凸台与焊接工装组件焊点固定处，将焊接工装组件取下；

第八步：切除球面凸台余量；

对焊接好的整球进行机加工，将球面凸台加工切除，最后得到整球，加工完成。

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