貯箱壁板法蘭盤裝配及自動(dòng)化焊接工藝

孫世烜 李 迎 劉 政 李占輝 解建虎

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

貯箱壁板法蘭盤裝配及自動(dòng)化焊接工藝

孫世烜 李 迎 劉 政 李占輝 解建虎

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

文摘現(xiàn)有的壁板法蘭盤焊接工裝結(jié)構(gòu)簡單，壓緊力小，并且為手工焊接，焊后法蘭盤焊縫殘余應(yīng)力與變形大，質(zhì)量穩(wěn)定性差，不能滿足型號(hào)使用需求。本文從影響法蘭盤焊接質(zhì)量因素入手，研制了法蘭盤自動(dòng)化焊接工裝，在模擬仿真的基礎(chǔ)上，得到0.15～0.25 mm的過盈裝配量法蘭盤與孔徑采用的過盈量為最優(yōu)，采用先裝壁板后裝法蘭盤的流程可有效避免裝配裂紋，并通過焊前加熱墊板的方式解決法蘭焊縫打底裂紋難題，采用自動(dòng)焊工藝焊接的法蘭成型美觀，焊接缺陷比手工焊降低70%以上，接頭低溫平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到348 MPa,延伸率為6.7%。

裝配，自動(dòng)化焊接，裂紋，法蘭

0 引言

低溫貯箱筒段上，分布著用于液氫輸送和加注的法蘭接口。目前，該法蘭盤均采用的是型號(hào)研制初期攻關(guān)成功的“兩面三層”手工焊接工藝，使用的是極為簡易的焊接夾具[1]。對(duì)于焊接來說，零件裝配質(zhì)量將直接影響焊接質(zhì)量，手工焊工裝因結(jié)構(gòu)簡單、剛性差、壓緊力小、裝配難度大等缺點(diǎn)，造成焊接后法蘭盤焊縫周圍的壁板局部翹曲變形，嚴(yán)重影響后續(xù)箱體環(huán)縫的裝配焊接。隨著自動(dòng)化焊接工藝在航天產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的手工焊工裝已無法滿足自動(dòng)化焊接需求，為此本文以筒段法蘭盤為研究對(duì)象，進(jìn)行了筒段法蘭盤裝配及自動(dòng)化焊接工藝研究。

1 現(xiàn)狀

1.1產(chǎn)品簡介

液氫加注法蘭與液氧加注法蘭結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，法蘭直徑為Φ190 mm，由于與筒段的柱面對(duì)接，法蘭的外表面為馬鞍形曲面。其中液氫加注法蘭與液氫輸送法蘭中心距共底對(duì)接鎖底焊縫的長度分別為443、190 mm，如圖1(b)所示。

(a) 液氫加注法蘭 (b) 法蘭盤位置分布

圖1 法蘭盤及其在筒段上的位置分布示意圖

Fig.1 Flange and its position on the tube

1.2工裝簡介

低溫貯箱筒段法蘭盤一直采用兩面三層手工焊的方式生產(chǎn)。原有的法蘭盤焊接工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，一方面壓緊力小，只能起到固定法蘭盤的作用，另一方面?zhèn)鳠崮芰τ邢?，散熱不好，不能夠控法蘭盤及壁板的焊接變形，如圖2所示。焊接時(shí)焊縫開敞性差，且工人為高空作業(yè)。

2 法蘭盤自動(dòng)化焊接工裝研制

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的法蘭盤自動(dòng)焊接工裝如圖3所示。其主要由壁板托架、壓臂、舉升機(jī)構(gòu)、壓盤、法蘭盤裝配底座、鎖緊機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌組成。

由于法蘭盤在壁板上的分布位置不同(圖1)，因此法蘭盤自動(dòng)焊工裝必須具備可調(diào)節(jié)位置的功能，在產(chǎn)品不動(dòng)的情況下，通過移動(dòng)工裝上的壓緊機(jī)構(gòu)達(dá)到快速裝配法蘭盤的目的。

圖4(a)為法蘭盤焊接墊板，墊板上黑色的部分與壁板型面相匹配，銀白色部分為焊接墊板，與法蘭盤型面相匹配。圖4(b)為法蘭盤外壓緊機(jī)構(gòu)，采用分體式的剛性壓爪壓緊法蘭盤，減小焊后變形。

(a) 法蘭焊接墊板 (b) 法蘭盤外壓緊機(jī)構(gòu)

圖4 法蘭盤自動(dòng)化焊接工裝實(shí)物

Fig.4 Tool of flange automatic welding

圖4中的法蘭盤焊接墊板及外壓機(jī)構(gòu)均分別安裝在兩個(gè)導(dǎo)軌副上，能夠沿著產(chǎn)品軸線方向做直線運(yùn)動(dòng)，滿足不同位置法蘭盤的裝配。

3 法蘭盤裝配工藝

3.1裝配間隙有限元模擬

對(duì)于自動(dòng)化焊接工藝來說，裝配間隙的大小，直接影響自動(dòng)化焊接質(zhì)量。由于法蘭盤直徑小，且為環(huán)形焊縫，焊后殘余應(yīng)力及機(jī)構(gòu)拘束度大，因此將壁板上的開孔直徑略小于法蘭盤直徑，采用過盈裝配的方式對(duì)法蘭盤焊縫預(yù)制一定的壓應(yīng)力，這樣能夠抵消部分焊接造成的拉應(yīng)力，一方面改善焊縫內(nèi)的應(yīng)力分布，另一方面有利于控制焊接過程的穩(wěn)定性及質(zhì)量。

因過盈配合加大了裝配的難度，故采用液氮浸泡工藝對(duì)法蘭盤進(jìn)行處理。液氮浸泡[2]工藝主要根據(jù)熱脹冷縮原理對(duì)法蘭盤進(jìn)行液氮浸泡，充分冷卻收縮后裝配，待恢復(fù)室溫后實(shí)現(xiàn)法蘭與孔的緊配合。

為減少液氮浸泡裝配及隨后的焊接試驗(yàn)次數(shù)，采用有限元法計(jì)算了法蘭盤過盈量對(duì)裝配壓縮應(yīng)力的影響，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果初步確定了法蘭焊接邊過盈量。采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)液氮浸泡后法蘭裝配應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算?？紤]為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其1/4進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格劃分見圖5，單元數(shù)為4 710個(gè)。

對(duì)5種過盈量進(jìn)行仿真分析，從圖6(a)可以看出，隨著過盈量的增大，裝配壓縮應(yīng)力基本呈線性上升，當(dāng)過盈量為0.25 mm時(shí)，裝配壓縮應(yīng)力達(dá)到168 MPa。圖6(b)所示0.25 mm過盈量裝配的法蘭盤焊縫區(qū)仍為彈性應(yīng)力分布，并未發(fā)生塑性變形。

(a) 過盈量對(duì)裝配壓縮應(yīng)力的影響 (b) 法蘭盤應(yīng)力分布圖

圖6 法蘭過盈裝配仿真分析

Fig.6 Simulation analysis of flange interference assembly

根據(jù)仿真結(jié)果得出：法蘭盤過盈量取0.15～0.25 mm范圍之內(nèi)，既有較大的裝配應(yīng)力，又未發(fā)生裝配塑性變形，滿足自動(dòng)焊接對(duì)裝配的技術(shù)要求。

3.2裝配工藝流程

3.2.1“大就小”裝配流程

這里的“大”主要指的是壁板，“小”指的是法蘭，以“大就小”的裝配流程就是先裝配法蘭盤，后裝配壁板。具體裝配流程如下：

(1)先在壁板上劃好開孔位置線；

(2)定開孔中心，把劃規(guī)長度調(diào)整為法蘭直徑的一半，劃出開孔位置；

(3)打排鉆開孔，錯(cuò)修孔徑使其與法蘭尺寸相匹配；

(4)將法蘭盤裝配在焊接工裝上，法蘭盤的相位線與焊接墊板上的相位線對(duì)齊；

(5)裝配壁板與法蘭盤，壁板上的相位線應(yīng)與法蘭盤的相位線對(duì)齊；

(6)將工裝支臂降下，鎖緊螺母將壁板壓緊；

(7)用鋁錘敲擊壁板開孔邊緣，使其與法蘭盤緊密配合；

(8)最后上緊壓抓，壓緊焊縫周圍壁板。

通過以上8個(gè)步驟就可以完成法蘭盤自動(dòng)化焊接“大就小”的裝配流程。在壁板開孔時(shí)，孔的直徑比法蘭盤的直徑略小一些，但是在裝配第7步時(shí)，出現(xiàn)了法蘭被砸裂的現(xiàn)象。本文認(rèn)為這是一個(gè)個(gè)別現(xiàn)象，又用同樣的方法裝配了第二個(gè)法蘭盤，在敲擊壁板不到10下之后，法蘭盤砸裂的現(xiàn)象仍然出現(xiàn)，如圖7所示。

根據(jù)上述規(guī)律可以得到：采用以“大就小”的裝配方式出現(xiàn)的法蘭盤被砸裂為共性現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)工裝、法蘭盤結(jié)構(gòu)及裝配流程等相關(guān)因素的綜合研究考慮，得出了法蘭盤在裝配過程中極易出現(xiàn)裂紋的原因。具體如下：用鋁錘砸壁板時(shí)，壁板與法蘭盤搭接的部位會(huì)給法蘭盤邊緣一個(gè)向下的力，然而焊漏槽邊緣支撐在法蘭盤下端，給其一個(gè)向上的力(圖8)。在這兩個(gè)力的作用下，一方面壁板整體剛性較大，而法蘭盤邊緣剛性較弱，另一方面焊漏槽造成法蘭盤邊緣沒有支撐墊板，位置懸空，在兩個(gè)力組成的扭轉(zhuǎn)力矩下，被壁板向下掰裂，從而產(chǎn)生裂紋。

圖8 “大就小”裝配示意圖

Fig.8 Big match small assembly diagram

綜上所述，先裝法蘭盤后裝壁板的裝配流程會(huì)造成法蘭盤被砸裂，因此以“大就小”的裝配方式不能滿足自動(dòng)化焊接裝配要求。

3.2.2“小就大”裝配流程

與壁板相比，法蘭盤的整體剛性較小，因此采用先裝壁板，后裝法蘭盤的工藝方案。具體裝配流程如下：

(1)先在壁板上劃好開孔位置線；

(2)定開孔中心，把劃規(guī)長度調(diào)整為法蘭直徑的一半，劃出開孔位置；

(3)打排鉆開孔，錯(cuò)修孔徑使其與法蘭尺寸相匹配；

(4)將壁板相位線對(duì)齊焊接墊板上的相位線，孔邊緣對(duì)齊焊漏槽中心；

(5)將工裝支臂降下，鎖緊螺母將壁板壓緊；

(6)將法蘭盤裝配在焊接工裝上，法蘭盤的相位線與壁板上的相位線對(duì)齊；

(7)用鋁錘敲擊法蘭盤邊緣，使其與壁板緊密配合；

(8)最后上緊壓抓，壓緊焊縫周圍壁板。

法蘭裝配效果如圖9所示?？梢钥闯觯浴靶【痛蟆钡难b配方式裝配的法蘭盤沒有出現(xiàn)被砸裂的現(xiàn)象，裝配間隙為零，且為緊配合。

4 法蘭盤自動(dòng)焊工藝研究

筒段與法蘭材料熱處理狀態(tài)不同，分別為LD10鋁合金板材，及LD10鋁合金鍛件。進(jìn)行4.5 mm異種狀態(tài)鋁合金平板焊接試驗(yàn)。焊接試驗(yàn)方法為定位焊接+直流氦弧打底焊接+變極性TIG蓋面焊接，采用3種焊接規(guī)范。這3種焊接規(guī)范的焊接速度、保護(hù)氣流量及送絲速度均一致，規(guī)范1的打底焊及蓋面焊焊接電流最大，規(guī)范2的打底焊及蓋面焊焊接電流次之，規(guī)范3的打底焊及蓋面焊焊接電流最小。圖10為3種焊接規(guī)范焊接后的接頭形貌。對(duì)3種規(guī)范焊接的接頭進(jìn)行常、低溫力學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。

(a) 規(guī)范1 (b) 規(guī)范2

表1 焊接試驗(yàn)結(jié)果

從表1來看，3種規(guī)范焊接的接頭常、低溫抗拉強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)(≥225 MPa)要求，其中規(guī)范1得到的接頭常溫及低溫抗拉強(qiáng)度最好。

圖11為規(guī)范1焊接的接頭宏觀形貌，從金相分析可以發(fā)現(xiàn)板材母材晶粒細(xì)小，而鍛件晶粒粗大，且晶粒度存在不均勻性。

對(duì)接頭斷裂路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大部分接頭在靠近法蘭這一側(cè)斷裂，少數(shù)在板材側(cè)斷裂，見圖12。

選擇規(guī)范1焊接的1-3試樣和規(guī)范3焊接的3-3試樣進(jìn)行斷口掃描觀察。圖13～圖15為宏觀和微觀斷口形貌。

從微觀來看，蓋面焊縫區(qū)為韌窩型斷裂，1-3和3-3號(hào)斷口形貌相似，源區(qū)未見氣孔、夾雜等焊接缺陷，鍛件側(cè)熔合線啟裂區(qū)表現(xiàn)出層狀特征，放大觀察此區(qū)域同時(shí)存在解理和韌窩特征。1-3號(hào)層狀啟裂區(qū)韌窩較3-3號(hào)更多，3-3號(hào)接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率低可能與此有關(guān)。兩個(gè)子樣均存在大量的微氣孔，3-3號(hào)接頭氣孔在數(shù)量和尺寸上均多于和大于1-3號(hào)，氣孔直徑在0.1 mm以下，X光無法檢測到，其性能大幅下降應(yīng)與此有關(guān)。

5 法蘭盤自動(dòng)焊工程試驗(yàn)驗(yàn)證

法蘭盤手工驗(yàn)合裝配完成之后，裝配質(zhì)量滿足直流氦弧打底焊工藝的裝配要求。法蘭盤焊接過程包括定位焊接+直流氦弧打底焊接+變極性TIG蓋面焊接。

由于法蘭盤焊接軌跡為封閉環(huán)縫，焊接區(qū)直徑小，拘束度大，焊接收縮對(duì)焊接過程的穩(wěn)定性影響較大[3-4]。為確保直流氦弧打底焊接過程順利進(jìn)行，防止焊接過程中產(chǎn)生錯(cuò)邊或?qū)娱g隙，因此需進(jìn)行定位焊接。實(shí)驗(yàn)中采用小束流快速一圈定位的方法。圖16為小束流定位焊后法蘭形貌。

整個(gè)法蘭盤打底焊接過程穩(wěn)定，但是熄弧時(shí)弧坑出現(xiàn)了裂紋，如圖17所示。然后又用同樣的方法焊接第二個(gè)法蘭盤，依然在打底焊熄弧時(shí)出現(xiàn)了裂紋。

焊接后發(fā)現(xiàn)法蘭盤及法蘭盤壓帽溫度較高，焊縫周圍壁板溫度較低，而且在焊接完成后壁板溫度很快就降到了室溫。通過分析認(rèn)為出現(xiàn)裂紋的原因如下：由于焊接墊板面積與厚度大，導(dǎo)熱性強(qiáng)，壁板安裝后與墊板接觸形成的散熱面積大(圖18)，焊接后造成焊縫兩側(cè)溫度下降速度不一致，導(dǎo)致了熄弧時(shí)弧坑出現(xiàn)了裂紋。

因?yàn)殇X合金導(dǎo)熱率高，焊接墊板散熱快，所以為保證焊接質(zhì)量及防止法蘭盤打底焊熄弧裂紋出現(xiàn)，通過加入加熱裝置對(duì)焊接墊板、壁板及法蘭盤進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在80～100℃[5]，這樣不僅開始焊接處能有足夠的熔深，而且在起弧后不需要再重新調(diào)整電流。加入加熱裝置后的焊接墊板見圖19。

圖20為焊前預(yù)熱后焊接的法蘭盤。焊接結(jié)果表明：采用焊前預(yù)熱工藝后，法蘭盤打底焊熄弧處沒有產(chǎn)生裂紋，變極性TIG蓋面焊接過程穩(wěn)定，正面焊縫成形美觀，背部焊漏均勻、連續(xù)。

焊接完成后，用銑刀清除焊漏余高，用放大鏡進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，表面無肉眼可見氣孔及裂紋缺陷。進(jìn)行X光無損檢測，見圖21，自動(dòng)焊法蘭的缺陷數(shù)量比手工熔焊降低約70%。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了低溫貯箱筒段法蘭盤自動(dòng)化焊接工裝。工裝托架型面與筒段壁板外型面一致，并且采用壓臂的壓緊方式，保證壁板與托架型面相貼合。法蘭盤焊接墊板及壓緊工裝可以沿著壁板軸線方向移動(dòng)，能滿足壁板上不同位置的法蘭盤裝配及焊接。

(2)通過有限元分析得出法蘭盤手工驗(yàn)合裝配的最大過盈量，提出了“大就小”——先裝配法蘭盤，后裝壁板；以及“小就大”——先裝配壁板，后裝法蘭盤的兩種裝配模式。經(jīng)過數(shù)次裝配試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：采用“大就小”的裝配方法容易出現(xiàn)法蘭盤被砸裂的現(xiàn)象，而采用“小就大”的裝配方法沒有出現(xiàn)法蘭被砸裂的現(xiàn)象，且裝配為緊配合，滿足自動(dòng)化焊接要求。

(3)采用自動(dòng)焊工藝焊接的法蘭成型美觀，焊接缺陷比手工焊降低70%以上，接頭低溫(-196℃)平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到348 MPa，延伸率為6.7%。

(4)在法蘭盤焊接墊板下加入加熱裝置，在法蘭盤與壁板裝配好后，對(duì)法蘭盤及焊漏墊板進(jìn)行預(yù)熱。通過焊前預(yù)熱減少焊縫金屬與母材的溫度差，減緩焊后焊縫的冷卻速度，有利于焊縫中氣孔的溢出，降低了焊接應(yīng)變速率，有效避免了焊接裂紋的產(chǎn)生。

[1] 周萬盛. 鋁及鋁合金的焊接[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

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[3] 衛(wèi)旭峰. 薄壁波紋管與厚法蘭盤的焊接[J]. 焊接技術(shù), 2004, 33(4):67-67.

[4] 宋金虎. 管、筒狀零件連接法蘭專用自動(dòng)焊機(jī)研制[J]. 熱加工工藝, 2014(15):190-192.

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Flange Assembly And Automatic Welding Process of Slab Plate in Tank

SUN Shixuan LI Ying LIU Zheng LI Zhanhui XIE Jianhu

(Capital Aerospace Machinery Corporation, Beijing 100076)

The welding craft equipment structure of the existing wainscot flange is simple and has small pressing force using the welding method of manual welding, while great residual stress and deformation can be obtained in the seam after welding, resulting in bad stability of welding quality. Therefor it can not meet the demand of the products. This paper starts from the influence factors upon flange welding quality, a flange automatic welding craft equipment was developed. Basing on the simulation methord the optimal interference fit quantity of 0.15 to 0.25mm between flange and the aperture has been obtained. The methord of installing wainscot firstly and then flange can effectively prevent the assembly cracks. Heating the bearing plate before welding solves the problem of priming cracks. The appearance of the flangewhich welded by automatic welding process is beautiful, while welding defects are reduced by more than 70% compared with manual welding. The average tensile strength of welded joints at low temperature (-196℃) reached 348MPa, and the elongation reached 6.7%.

Assembly,Automatic welding,Rack,Flange

TG453.9

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.010

2017-04-14

孫世烜，1985年出生，工程師，碩士，從事鋁合金熔焊、攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊、塞補(bǔ)焊及運(yùn)載火箭貯箱焊接技術(shù)研究及應(yīng)用推廣工作。E-mail:174323718@qq.com