一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Electron beam welding method suitable for thin wall cap small diameter flange plate

The invention belongs to the technical field of electron beam welding, in particular to an electron beam welding method for a plurality of small diameter flange plates with different circumferential positions on a large-size thin-wall space curved surface cover. The invention designs a flange plate structure suitable for the electron beam welding of the flange plate of the top cover, and the butt welding joint part of the flange plate adopts a butt lock bottom structure, thereby effectively ensuring the assembly accuracy and the welding quality. At the same time, according to the opening dimension of the welding joint at the top of the top cover and the flange assembly, the diameter of the welding face of the flange is matched with the vehicle to ensure that the gap between the flange and the top plate meets the requirements of welding. Combined with the use of tooling, the elastic deformation of prestressed offset, welding stress, deformation is reduced, the distribution in space surface on top flange of different disc position and electron beam welding, obtained satisfactory welding quality.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于薄壁顶盖小直径法兰盘的电子束焊接方法
本专利技术属于电子束焊接
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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；本专利技术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(本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张益坤，谢美蓉，赵衍华，王漫，朱瑞灿，王炜，田堂振，朱平萍，
申请(专利权)人：首都航天机械公司，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11