CN117020367A - 一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机焊接术领域，具体涉及一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置及焊接方法，通过胀紧机构从内部承托外环和胀紧内环，保持支撑环的圆度及焊接位置的贴合，作为高质量高精度焊接的重要前提。焊接时焊枪摆至与竖直方向夹角45°，同时与支撑环匀速圆周转动的前进方向夹角为45°～70°的锐角；焊接时支撑环匀速圆周转动，角度支架不动且对转动至焊接位置的角焊缝进行焊接，外侧拖斗和内侧拖斗分别向角焊缝的内侧和外侧吹氩气，内氩气管向外环和内环之间的空腔吹氩气，进行全方位的冷却和烧穿保护。针对大直径、环向焊缝长的支撑环，也能极大程度保证焊接精度、避免发生氧化，造成裂纹、气孔等焊接缺陷。

Description

一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及航空发动机焊接术领域，具体涉及一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置及焊接方法。

背景技术

航空发动机尾喷口钛合金支撑环焊接时，需要将外环套接在内环外侧，通过焊枪对连接处采用氩弧焊的方式环向焊接角焊缝，分别向内环和外环发生熔深，如图3中箭头方向，从而达到将内环和外环焊接的目的。但是在焊接过程中存在诸多技术难题：第一，钛合金支撑环的直径较大，约为1米，在环向焊接的过程中，对于焊枪位置的精确度要求极高，焊枪在环向行进焊接时，距离焊接位置的距离过远则会发生漏焊，距离过近则发生烧穿；第二，由于内环和外环的部件壁厚仅有0.8-1.2mm，在焊接时，焊枪的攻角焊接直接对正焊接位置，如图3中虚线方框位置焊接，极易对内环和外环的部件造成烧穿，而且支撑环的直径越大、环向焊接的焊缝越长，焊接难度越大；第三，由于支撑环是钛合金材质，焊接时一旦局部缺乏保护，极易发生氧化，造成裂纹、气孔等焊接缺陷，存在极大的质量和安全隐患。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置及焊接方法。

具体技术方案如下：

一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，支撑环包括外环和内环，焊接位置为外环和内环之间形成的角焊缝，所述焊接装置包括胀紧机构、焊枪、送丝机构和角度支架；胀紧机构用于从内部承托外环和胀紧内环并带动支撑环匀速圆周转动；所述角度支架包括主支架，主支架上通过连杆分别连接外支架和内支架，主支架上安装焊枪，外支架和内支架上分别安装外侧拖斗和内侧拖斗，外侧拖斗和内侧拖斗分别通过外氩气管连通氩气；角度支架固定在焊接位置的支撑环上方，二者配合对转动至焊接位置的角焊缝进行焊接；通过调整主支架、外支架和内支架的相对位置，使得外侧拖斗和内侧拖斗分别对正角焊缝对应的外环外侧和内侧，作为角焊缝内侧和外侧的冷却和烧穿保护；送丝机构对正角焊缝的内侧，自动向角焊缝处送钛合金焊丝；焊枪为钨极。

所述胀紧机构包括下躯座、上躯座、心轴、胀块和推送机构，所述下躯座装配在自动焊装夹平台上，上躯座和上躯座的中心由心轴同心连接；胀块包括多组，每组均包括圆弧段和径向段，径向段的末端带有向下倾斜的斜弧面且共同指向心轴，各组胀块的圆弧段外侧共同构成圆形；推送机构将各组胀块沿径向方向向外推出，从内侧撑紧内环；推送机构包括锥体和螺母，锥体为上大下小的圆台形，侧面倾斜角度与胀块内侧斜弧面匹配；心轴带有外螺纹，外部套旋螺母，螺母与锥体上表面抵接。

所述胀块的径向段上开设长圆导槽，导槽内向上躯座安装一枚与导槽开设宽度相同的挡销，限制胀块严格沿径向方向推动；挡销和导槽内端之间安装弹簧；导槽上方覆盖安装导板；所述胀块的圆弧段外侧安装定位块，定位块上下为水平凸出的夹爪，与内环形状匹配夹持。

所述圆弧段的上下各安装一个可水平旋转的夹板，用于承托外环。

所述圆弧段底部还包括内氩气管，连通氩气，向外环和内环之间的空腔吹氩气进行冷却和氧化保护。

所述角度支架包括两个扭杆，扭杆两端开设孔位，焊枪的上下分别套装在两个扭杆其中一个孔位中，扭杆的另一个孔位分别套装外支架和内支架，外支架和内支架上分别夹持外侧拖斗和内侧拖斗。

所述外侧拖斗和内侧拖斗分别通过氩气管供应氩气。

所述焊枪与支撑环匀速圆周转动的前进方向呈（180°-α）夹角，α=110°～135°，同时与竖直方向呈β夹角，β=45°。

所述锥体上表面盖合环形盖板，且由螺钉与锥体固定。

一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接方法，具体包括如下步骤：

步骤一：胀紧机构安装：

先将外环和内环套接，焊接位置对正，将胀块的圆弧段下部的夹板水平旋出，承托在内环的底部；

然后向下旋入螺母，带动锥体向下推动各组胀块的内侧斜弧面，沿径向方向向外移动，导槽沿挡销滑动，限制各组胀块严格沿径向方向推动，挡销在弹簧的作用下推至导槽的另一端，圆弧段外推，从内侧撑紧内环；

步骤二：角度支架安装：将角度支架固定在焊接位置的支撑环上方，送丝机构位于焊接位置，自动向角焊缝处送钛合金焊丝，调整主支架、外支架和内支架的相对位置，使得外侧拖斗和内侧拖斗分别对正角焊缝对应的外环外侧和内侧，圆弧段底部还包括内氩气管，对正外环和内环之间的空腔；

步骤三：焊前准备：在焊接位置上间距10mm-20mm进行多点定位焊，对于状态不好的焊接位置小电流融合；

步骤四：正式焊接：将焊枪摆至与竖直方向夹角45°，同时与支撑环匀速圆周转动的前进方向夹角为45°～70°的锐角；焊接时支撑环在心轴带动下匀速圆周转动，角度支架不动且对转动至焊接位置的角焊缝进行焊接，外侧拖斗和内侧拖斗分别向角焊缝对应的外环外侧和内侧吹氩气进行冷却和烧穿保护，内氩气管向外环和内环之间的空腔吹氩气进行冷却和氧化保护；

步骤五：翻转焊接：当支撑环匀速圆周转动360°后完成一面角焊缝的焊接，此时上旋螺母，在弹簧作用下胀块收缩，放开对支撑环的胀紧，取下支撑环上下翻转，重复步骤一至步骤四完成另一面的焊接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

本发明通过胀紧机构从内部承托外环和胀紧内环并带动支撑环匀速圆周转动，保持支撑环的圆度及焊接位置的贴合，作为高质量高精度焊接的重要前提。焊接时支撑环匀速圆周转动，角度支架不动且对转动至焊接位置的角焊缝进行焊接，即使支撑环的直径大、环向焊接的焊缝长，也能极大程度保证焊接精度。

本发明角度支架固定在焊接位置的支撑环上方，上面安装焊枪、外侧拖斗和内侧拖斗，对转动至焊接位置的角焊缝进行焊接，送丝机构位于焊接位置，自动向角焊缝处送钛合金焊丝。焊枪与支撑环匀速圆周转动的前进方向呈45°～70°锐角，同时与竖直方向呈45°夹角，避免对内环和外环部件造成烧穿。

本发明在角焊缝对应的外环外侧和内侧分别设置外侧拖斗和内侧拖斗，对角焊缝送氩气，作为角焊缝内侧和外侧的冷却和烧穿保护，圆弧段底部设置内氩气管对外环和内环之间的空腔冷却和烧穿保护。本发明全方位对角焊缝的内外进行保护，避免发生氧化、造成裂纹、气孔等焊接缺陷，保证焊接质量。

附图说明

图1为支撑环立体结构示意图；

图2为支撑环的剖面结构示意图；

图3为焊接位置示意图；

图4为本发明焊接装置结构示意图；

图5为焊枪角度示意图；

图6为胀紧机构的结构示意图；

图7为图6中A处局部放大示意图；

图8为胀紧机构的俯视图；

图9为胀紧机构的胀块的俯视图。

图中，1、支撑环；2、外环；3、内环；4、角焊缝；5、焊枪；6、钨极；7、胀紧机构；8、角度支架；9、外支架；10、内支架；11、外侧拖斗；12、内侧拖斗；13、外氩气管；14、送丝机构；15、焊丝；16、心轴；17、锥体；18、螺母；19、盖板；20、螺钉；21、下躯座；22、上躯座；23、胀块；24、导板；25、导槽；26、挡销；27、弹簧；28、径向段；29、圆弧段；30、斜弧面；31、定位块；32、夹爪；33、夹板；34、内氩气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图所限。

如图1-图9所示：本发明发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，支撑环1包括外环2和内环3，焊接位置为外环2和内环3之间形成的角焊缝4，所述焊接装置包括胀紧机构7、焊枪5、送丝机构14和角度支架8；胀紧机构7用于从内部承托外环2和胀紧内环3并带动支撑环1匀速圆周转动；所述角度支架8包括主支架，主支架上通过连杆分别连接外支架9和内支架10，主支架上安装焊枪5，外支架9和内支架10上分别安装外侧拖斗11和内侧拖斗12，外侧拖斗11和内侧拖斗12分别通过外氩气管13连通氩气；角度支架8固定在焊接位置的支撑环1上方，二者配合对转动至焊接位置的角焊缝4进行焊接；通过调整主支架、外支架9和内支架10的相对位置，使得外侧拖斗11和内侧拖斗12分别对正角焊缝4对应的外环2外侧和内侧，作为角焊缝4内侧和外侧的冷却和烧穿保护；送丝机构14对正角焊缝4的内侧，自动向角焊缝4处送钛合金焊丝15；焊枪5为钨极6。

胀紧机构7包括下躯座21、上躯座22、心轴16、胀块23和推送机构，所述下躯座21装配在自动焊装夹平台上，上躯座22和上躯座22的中心由心轴16同心连接；胀块23包括多组，每组均包括圆弧段29和径向段28，圆弧段29的外侧为圆弧形，径向段28的末端带有向下倾斜的斜弧面30且共同指向心轴，各组胀块23外侧共同构成完整圆形；推送机构将各组胀块23沿径向方向向外推出，从内侧撑紧内环3；推送机构包括锥体17和螺母18，锥体17为上大下小的圆台形，侧面倾斜角度与胀块23内侧斜弧面30匹配；心轴16带有外螺纹，外部套旋螺母18，螺母18与锥体17上表面抵接。

胀块23的径向段28上开设长圆导槽25，导槽25内向上躯座22安装一枚与导槽25开设宽度相同的挡销26，限制胀块23严格沿径向方向推动；挡销26和导槽25内端之间安装弹簧27；导槽25上方覆盖安装导板24；所述胀块23的圆弧段29外侧安装定位块31，定位块31上下为水平凸出的夹爪32，与内环3形状匹配夹持。

圆弧段29的上下各安装一个可水平旋转的夹板33，用于承托外环2。圆弧段29底部还包括内氩气管34，连通氩气，向外环2和内环3之间的空腔吹氩气进行冷却和氧化保护。

角度支架8包括两个扭杆，扭杆两端开设孔位，焊枪5的上下分别套装在两个扭杆其中一个孔位中，扭杆的另一个孔位分别套装外支架9和内支架10，外支架9和内支架10上分别夹持外侧拖斗11和内侧拖斗12。

外侧拖斗11和内侧拖斗12分别通过氩气管13供应氩气。

所述焊枪5与支撑环1匀速圆周转动的前进方向呈（180°-α）夹角，α=110°～135°，同时与竖直方向呈β夹角，β=45°。

锥体17上表面盖合环形盖板19，且由螺钉20与锥体17固定。

本发明发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接方法，具体包括如下步骤：

步骤一：胀紧机构安装：

先将外环2和内环3套接，焊接位置对正，将胀块23的圆弧段29下部的夹板33水平旋出，承托在内环3的底部；

然后向下旋入螺母18，带动锥体17向下，推动各组胀块23的内侧斜弧面30，沿径向方向向外移动，挡销26沿导槽25滑动，限制各组胀块23严格沿径向方向推动，挡销26在弹簧27的作用下推至导槽25的另一端，圆弧段29外推，从内侧撑紧内环3；

步骤二：角度支架8安装：将角度支架8固定在焊接位置的支撑环1上方，送丝机构14位于焊接位置，自动向角焊缝4处送钛合金焊丝15，调整主支架、外支架9和内支架10的相对位置，使得外侧拖斗11和内侧拖斗12分别对正角焊缝4对应的外环2外侧和内侧，圆弧段29底部还包括内氩气管34，对正外环2和内环3之间的空腔；

步骤三：焊前准备：在焊接位置上间距10mm-20mm进行多点定位焊，对于状态不好的焊接位置小电流融合；

步骤四：正式焊接：将焊枪5摆至与竖直方向夹角45°，同时与支撑环1匀速圆周转动的前进方向，如图5中箭头所示方向，夹角为45°～70°的锐角；焊接时支撑环1在心轴16带动下匀速圆周转动，角度支架8不动且对转动至焊接位置的角焊缝4进行焊接，外侧拖斗11和内侧拖斗12分别向角焊缝4对应的外环2外侧和内侧吹氩气进行冷却和烧穿保护，内氩气管34向外环2和内环3之间的空腔吹氩气进行冷却和氧化保护；

步骤五：翻转焊接：当支撑环1匀速圆周转动360°后完成一面角焊缝4的焊接，此时上旋螺母18，在弹簧27作用下胀块23收缩，放开对支撑环1的胀紧，取下支撑环1上下翻转，重复步骤一至步骤四完成另一面的焊接。

Claims (10)

1.一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，支撑环（1）包括外环（2）和内环（3），焊接位置为外环（2）和内环（3）之间形成的角焊缝（4），其特征在于：所述焊接装置包括胀紧机构（7）、焊枪（5）、送丝机构（14）和角度支架（8）；胀紧机构（7）用于从内部承托外环（2）和胀紧内环（3）并带动支撑环（1）匀速圆周转动；所述角度支架（8）包括主支架，主支架上通过连杆分别连接外支架（9）和内支架（10），主支架上安装焊枪（5），外支架（9）和内支架（10）上分别安装外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12），外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12）分别通过外氩气管（13）连通氩气；角度支架（8）固定在焊接位置的支撑环（1）上方，二者配合对转动至焊接位置的角焊缝（4）进行焊接；通过调整主支架、外支架（9）和内支架（10）的相对位置，使得外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12）分别对正角焊缝（4）对应的外环（2）外侧和内侧，作为角焊缝（4）内侧和外侧的冷却和烧穿保护；送丝机构（14）对正角焊缝（4）的内侧，自动向角焊缝（4）处送钛合金焊丝（15）；焊枪（5）为钨极（6）。

2.根据权利要求1所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述胀紧机构（7）包括下躯座（21）、上躯座（22）、心轴（16）、胀块（23）和推送机构，所述下躯座（21）装配在自动焊装夹平台上，上躯座（22）和上躯座（22）的中心由心轴（16）同心连接；胀块（23）包括多组，每组均包括圆弧段（29）和径向段（28），径向段（28）的末端带有向下倾斜的斜弧面（30）且共同指向心轴（16），各组胀块（23）的圆弧段（29）外侧共同构成圆形；推送机构将各组胀块（23）沿径向方向向外推出，从内侧撑紧内环（3）；推送机构包括锥体（17）和螺母（18），锥体（17）为上大下小的圆台形，侧面倾斜角度与胀块（23）内侧斜弧面（30）匹配；心轴（16）带有外螺纹，外部套旋螺母（18），螺母（18）与锥体（17）上表面抵接。

3.根据权利要求2所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述胀块（23）的径向段（28）上开设长圆导槽（25），导槽（25）内向上躯座（22）安装一枚与导槽（25）开设宽度相同的挡销（26），限制胀块（23）严格沿径向方向推动；挡销（26）和导槽（25）内端之间安装弹簧（27）；导槽（25）上方覆盖安装导板（24）；所述胀块（23）的圆弧段（29）外侧安装定位块（31），定位块（31）上下为水平凸出的夹爪（32），与内环（3）形状匹配夹持。

4.根据权利要求2所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述圆弧段（29）的上下各安装一个可水平旋转的夹板（33），用于承托外环（2）。

5.根据权利要求2所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述圆弧段（29）底部还包括内氩气管（34），连通氩气，向外环（2）和内环（3）之间的空腔吹氩气进行冷却和氧化保护。

6.根据权利要求1所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述角度支架（8）包括两个扭杆，扭杆两端开设孔位，焊枪（5）的上下分别套装在两个扭杆其中一个孔位中，扭杆的另一个孔位分别套装外支架（9）和内支架（10），外支架（9）和内支架（10）上分别夹持外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12）。

7.根据权利要求1所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12）分别通过氩气管供应氩气。

8.根据权利要求1所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述焊枪（5）与支撑环（1）匀速圆周转动的前进方向呈（180°-α）夹角，α=110°～135°，同时与竖直方向呈β夹角，β=45°。

9.根据权利要求2所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置，其特征在于：所述锥体（17）上表面盖合环形盖板（19），且由螺钉（20）与锥体（17）固定。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种发动机尾喷口钛合金支撑环的焊接装置的焊接方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：胀紧机构（7）安装：

先将外环（2）和内环（3）套接，焊接位置对正，将胀块（23）的圆弧段（29）下部的夹板（33）水平旋出，承托在内环（3）的底部；

然后向下旋入螺母（18），带动锥体（17）向下推动各组胀块（23）的内侧斜弧面（30），沿径向方向向外移动，挡销（26）沿导槽（25）滑动，限制各组胀块（23）严格沿径向方向推动，挡销（26）在弹簧（27）的作用下推至导槽（25）的另一端，圆弧段（29）外推，从内侧撑紧内环（3）；

步骤二：角度支架（8）安装：将角度支架（8）固定在焊接位置的支撑环（1）上方，送丝机构（14）位于焊接位置，自动向角焊缝（4）处送钛合金焊丝（15），调整主支架、外支架（9）和内支架（10）的相对位置，使得外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12）分别对正角焊缝（4）对应的外环（2）外侧和内侧，圆弧段（29）底部还包括内氩气管（34），对正外环（2）和内环（3）之间的空腔；

步骤三：焊前准备：在焊接位置上间距10mm-20mm进行多点定位焊，对于状态不好的焊接位置小电流融合；

步骤四：正式焊接：将焊枪（5）摆至与竖直方向夹角45°，同时与支撑环（1）匀速圆周转动的前进方向夹角为45°～70°的锐角；焊接时支撑环（1）在心轴（16）带动下匀速圆周转动，角度支架（8）不动且对转动至焊接位置的角焊缝（4）进行焊接，外侧拖斗（11）和内侧拖斗（12）分别向角焊缝（4）对应的外环（2）外侧和内侧吹氩气进行冷却和烧穿保护，内氩气管（34）向外环（2）和内环（3）之间的空腔吹氩气进行冷却和氧化保护；

步骤五：翻转焊接：当支撑环（1）匀速圆周转动360°后完成一面角焊缝（4）的焊接，此时上旋螺母（18），在弹簧（27）作用下胀块（23）收缩，放开对支撑环（1）的胀紧，取下支撑环（1）上下翻转，重复步骤一至步骤四完成另一面的焊接。