組件整體安裝定位及焊接工藝改進

李 應(yīng) 梁 欣 馬曉宇 崔志宏 李旭光 牛永進 陳 霞

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組件整體安裝定位及焊接工藝改進

李 應(yīng) 梁 欣 馬曉宇 崔志宏 李旭光 牛永進 陳 霞

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012）

人工劃線確定各零部件相對位置的定位方法，在實際生產(chǎn)中存在累積誤差，通過設(shè)計定位支架以及改進焊接方法，有效控制組件焊接變形，保證了支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座裝配精度和裝配效率。最終的復(fù)檢合格率達到了100%。

組件；焊接變形；裝配精度

1 引言

目前，在大型設(shè)備的生產(chǎn)過程中，特別是一些關(guān)鍵件，對工藝的要求越來越高。其中，某大型臂架支撐裝置、油缸座、回轉(zhuǎn)支耳焊接變形[1]超出設(shè)計指標是近些年暴露出的工藝瓶頸問題之一，由此導(dǎo)致了某大型臂架的失效。

在某大型臂架支撐裝置的焊接過程中，焊后尺寸公差為±1.5mm，超出焊接保證尺寸公差±0.5mm，此工序在工藝中為關(guān)鍵工序，造成焊接后尺寸超差，回轉(zhuǎn)筒的回轉(zhuǎn)支耳在支撐裝置回轉(zhuǎn)時有卡滯現(xiàn)象，該故障的直接原因是支撐裝置焊接過程中，支撐裝置與后橫梁焊后焊縫受力收縮不均，導(dǎo)致支撐裝置焊后超出尺寸要求，追溯其根本原因是原工藝方案通過人工劃線定位的方法來確定支撐裝置位置，此工藝方法雖然可以保證各件的相對位置關(guān)系，但誤差較大，各誤差累積后可能會導(dǎo)致焊后尺寸不滿足要求，造成回轉(zhuǎn)筒在運動過程出現(xiàn)卡滯以及回轉(zhuǎn)支耳回轉(zhuǎn)時的卡滯，從而影響正常功能。

為解決該故障，提出整體組裝[2]焊接定位，同時通過焊接方法研究，有效控制焊接變形，保證了支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座的裝配精度要求。

2 研究內(nèi)容和實施途徑

2.1 總體思路

a. 結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征及產(chǎn)品關(guān)鍵定位尺寸及形位公差、精度要求，構(gòu)思并確定支撐裝置、油缸座、回轉(zhuǎn)支耳整體定位的設(shè)計思路與方案，確保支撐裝置、油缸座、回轉(zhuǎn)支耳安裝后的中垂面與車架中心重合，以及油缸座回轉(zhuǎn)孔與支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳間的相對定位尺寸及相關(guān)形位公差要求。

b. 構(gòu)思并確定支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳整體焊接定位工藝裝備設(shè)計思路與方案，確保支撐裝置回轉(zhuǎn)中心與回轉(zhuǎn)支耳的回轉(zhuǎn)中心相對距離及同軸度要求。

c. 支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳是安裝在底盤后橫梁的重要受力部件，對回轉(zhuǎn)筒起支撐及回轉(zhuǎn)作用，油缸座是安裝在車架底部的關(guān)鍵受力部件，提供升降油缸和回轉(zhuǎn)裝置的安裝支點。

d. 焊接變形控制[3]，支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座的焊接定位為關(guān)鍵工序，焊接質(zhì)量的好壞直接影響到支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座的最終安裝尺寸和精度要求，而焊接應(yīng)力是造成產(chǎn)品尺寸和精度出現(xiàn)偏差的主要原因。因此，焊接時必須根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和焊縫的分布情況確定最合理的焊接順序，盡量減少約束，使每條焊縫能自由收縮。以便將焊接應(yīng)力降到最小，焊接時采用對稱焊、嚴格控制焊接參數(shù)等方法，控制焊接變形。

2.2 定位支架設(shè)計方案

定位支架加工成與支撐裝置安裝孔相配合的孔、端面、裝配基準平面及端面對稱中心線，基準平面與定位支架上安裝孔軸線平行，通過定位支架中心線與車架中心線的重合度確定支撐裝置與底盤車架中心的對稱度及回轉(zhuǎn)支耳與車架中心的對稱度。

支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳與定位支架由銷軸連接，通過對定位支架的調(diào)整，滿足支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳與車架的尺寸及形位公差要求。定位支架前端有支撐體，支撐體中心有銷軸孔，定位支架以支撐體銷軸孔中心和后橫梁中心確定中心線，此中心線與底盤車中心線重合。后橫梁是回轉(zhuǎn)裝置、回轉(zhuǎn)支耳的連接支撐件，其連接關(guān)系為：升降油缸下支耳安裝在油缸座回轉(zhuǎn)支耳上、上支耳安裝在支撐架支耳上，起升油缸伸縮帶動支撐架繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，支撐架安裝精度對升降油缸側(cè)向偏載力有重大影響。因此要求油缸座所在中垂面與車縱向?qū)ΨQ面對稱度不大于0.5mm，油缸座65mm孔的軸線與整車縱向?qū)ΨQ面的垂直度不大于0.4mm，此外定位支架須具有一定的剛度及強度，還需保證支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳裝焊的定位尺寸。

圖1 組件整體位置圖

支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳為對稱件，左右各一件，安裝放置如圖1所示，定位支架設(shè)計須滿足起吊及運輸過程、防止變形要求。

定位支架作用：a.保證支撐裝置焊接后的對稱度及左右支撐裝置的定位尺寸公差±0.5mm；b.保證回轉(zhuǎn)支耳的對稱度及左右回轉(zhuǎn)支耳的定位尺寸公差±0.5mm；c.保證支撐裝置與回轉(zhuǎn)支耳同軸度；d.保證支撐裝置與回轉(zhuǎn)支耳回轉(zhuǎn)中心與油缸座回轉(zhuǎn)中心定位尺寸及平行度要求。

2.3 定位支架計算分析及結(jié)果

由定位支架總體結(jié)構(gòu)圖可推測最大變形應(yīng)發(fā)生在油缸座機加時以及定位支架運輸時產(chǎn)生的應(yīng)力變形。通過模擬試驗，在定位支架垂直方向加一個1.5倍的重力加速度，水平方向加一個0.5倍的重力加速度，并對定位支架應(yīng)力變形的數(shù)據(jù)使用workbench進行有限元分析：運輸工況下，定位架最大應(yīng)力為0.27MPa，最大變形為0.054mm，由此定位支架的設(shè)計滿足其指標要求，分析如圖2、圖3所示。

圖2 定位支架應(yīng)力計算云圖

圖3 定位支架有限元分析變形圖

2.4 支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座整體組裝

定位支架定位油缸座、支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳的兩端面，從而保證其定位尺寸及公差要求，由于油缸座、支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳的橫向定位尺寸及其孔端面的尺寸精度、形位公差要求級別高，定位支架通過精密機床加工，在加工定位支架軸孔的同時，通過一次裝夾，使得孔與孔之間的形位公差以及尺寸得到保證。

具體安裝操作過程：a.將支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座通過銷軸將其先固定在定位支架上，如圖4所示，然后將該組件與定位支架吊裝至車架上；b.調(diào)整微伸收螺旋千斤頂及定位支架，使支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳，以及油缸座與車架貼合面完全貼合，中心線對中（橫向），且與油缸座孔中心的中心距為2100mm與925mm；c.調(diào)整支撐裝置、左右回轉(zhuǎn)支耳的橫向距離使其滿足點焊要求，滿足工藝尺寸后，點焊支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳以及油缸座，牢固后將銷軸退出；d.吊離定位支架，將支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座焊接牢靠，滿足最終尺寸復(fù)檢要求。

圖4 定位支架后視圖

2.5 焊接工藝改進

由于后橫梁材質(zhì)為HG785D，該材質(zhì)為調(diào)質(zhì)鋼，焊接后不允許熱校，受結(jié)構(gòu)限制，又不便于冷校，所以通過焊接方法[4]及焊接順序改進，使得焊接變形得到控制。

改進后焊接方法如下：

a. 混合氣體保護焊（80%Ar+20%CO2），焊絲ER50-6，直徑1.2mm，焊接規(guī)范為：焊接電流=100～200A，電弧電壓=16～22V，氣體流量：10～20L/min，焊接速度220～380mm/min。

b. 采用對稱施焊法焊接支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳。

c. 支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳焊接順序見圖5。

圖5 支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳焊接順序

第一、二條焊接完成后，冷卻至常溫，再焊三、四、五、六、七、八、九、十條焊縫，待九、十條焊縫冷卻至30～40℃時，再陸續(xù)焊接其余焊縫。

3 應(yīng)用情況及創(chuàng)新點

3.1 應(yīng)用情況

通過定位支架在12臺車的組件安裝定位焊接，使所有定位尺寸、形位公差得到了保證，提高了產(chǎn)品的一致性。經(jīng)過大型臂架相關(guān)系統(tǒng)試驗，產(chǎn)品一次交驗率達到100%，驗證了該工藝方法能夠有效保證各件的組裝精度，滿足總體使用要求，12臺車統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 組裝件關(guān)鍵尺寸焊接后尺寸

由表1可以得出，通過定位支架的使用，使得關(guān)鍵工序中的定位尺寸得到保證；針對大型臂架結(jié)構(gòu)特點進行分析，并改進焊接工藝，采用對稱焊及明確焊接順序的方法，有效控制了焊接變形，保證了各組件的相對位置精度。

3.2 創(chuàng)新點

a. 某大型臂架支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座組裝定位采用新型工藝裝備，替代了傳統(tǒng)的平臺劃線法。

b. 優(yōu)化工藝，通過縮比試件焊接試驗篩選出最優(yōu)的焊接順序及焊接工藝參數(shù)。

c. 細化工藝，在工藝中明確支撐裝置、回轉(zhuǎn)支耳、油缸座組裝、焊接成形后質(zhì)量好壞的判別方法、狀態(tài)、界限。

4 結(jié)束語

基于首臺車出現(xiàn)的支撐裝置焊接后超差情況，積極思考和鉆研，認真試驗，提出的整體組裝定位及變形控制的改進方法，在下述情況下得到了成功應(yīng)用：

a. 提出該改進方案后，在本批的在制產(chǎn)品上安裝試驗，完全滿足設(shè)計的精度要求，并降低了裝配難度。

b. 試驗成功后，應(yīng)用到大型臂架在制的其余各車上，節(jié)省了各組件獨立的裝配時間，效率提高了60%，校驗合格率達到100%。

c. 基于成功經(jīng)驗，展開討論，對所有承制的大型臂架進行詳細分析和對比，推廣到其它的大型臂架類似結(jié)構(gòu)的裝配中。

1 吳林. 焊接手冊[M].（第二版）. 北京：機械工業(yè)出版社，2001

2 成大先. 機械設(shè)計手冊[M].（第五版）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

3 馬繼勇，郭智，張長斌，等. 底盤后梁組裝定位及焊接工藝改進[J]. 航天制造技術(shù)，2015(3)：16～18

4 田景玉，孫守紅，劉劍. 一種QFN封裝器件焊接故障分析[J]. 航天制造技術(shù)，2015(3)：41～43

Installation and Positioning of Components and Improvement of Welding Process

Li Ying Liang Xin Ma Xiaoyu Cui Zhihong Li Xuguang Niu Yongjin Chen Xia

(Shanxi spaceflight Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

The positioning method for determining the relative position of each part by manual line out has accumulated errors in actual production. The welding deformation of the components can be effectively controlled by designing the positioning tooling and improving the welding method. This process can meet the requirement of the assembling accuracy and efficiency in support device, the rotary ear and fuel cylinder seat. The qualified-rate of reinspection has reached 100% in the end.

components；welding；assembling accuracy

李應(yīng)（1980），工程師，飛行器設(shè)計專業(yè)；研究方向：工藝技術(shù)。

2018-03-15