貯箱壁板法蘭盤裝配及自動化焊接工藝

孫世烜 李 迎 劉 政 李占輝 解建虎

(首都航天機械公司，北京 100076)

貯箱壁板法蘭盤裝配及自動化焊接工藝

孫世烜 李 迎 劉 政 李占輝 解建虎

(首都航天機械公司，北京 100076)

文摘現有的壁板法蘭盤焊接工裝結構簡單，壓緊力小，并且為手工焊接，焊后法蘭盤焊縫殘余應力與變形大，質量穩定性差，不能滿足型號使用需求。本文從影響法蘭盤焊接質量因素入手，研制了法蘭盤自動化焊接工裝，在模擬仿真的基礎上，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，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度達到348 MPa,延伸率為6.7%。

裝配，自動化焊接，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研制初期攻關成功的“兩面三層”手工焊接工藝，使用的是極為簡易的焊接夾具[1]。對于焊接來說，零件裝配質量將直接影響焊接質量，手工焊工裝因結構簡單、剛性差、壓緊力小、裝配難度大等缺點，造成焊接后法蘭盤焊縫周圍的壁板局部翹曲變形，嚴重影響后續箱體環縫的裝配焊接。隨著自動化焊接工藝在航天產品應用范圍的不斷擴大，現有的手工焊工裝已無法滿足自動化焊接需求，為此本文以筒段法蘭盤為研究對象，進行了筒段法蘭盤裝配及自動化焊接工藝研究。

1 現狀

1.1產品簡介

液氫加注法蘭與液氧加注法蘭結構如圖1(a)所示，法蘭直徑為Φ190 mm，由于與筒段的柱面對接，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。原有的法蘭盤焊接工裝設計結構簡單，一方面壓緊力小，只能起到固定法蘭盤的作用，另一方面傳熱能力有限，散熱不好，不能夠控法蘭盤及壁板的焊接變形，如圖2所示。焊接時焊縫開敞性差，且工人為高空作業。

2 法蘭盤自動化焊接工裝研制

根據產品結構設計的法蘭盤自動焊接工裝如圖3所示。其主要由壁板托架、壓臂、舉升機構、壓盤、法蘭盤裝配底座、鎖緊機構及導軌組成。

由于法蘭盤在壁板上的分布位置不同(圖1)，因此法蘭盤自動焊工裝必須具備可調節位置的功能，在產品不動的情況下，通過移動工裝上的壓緊機構達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)為法蘭盤外壓緊機構，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) 法蘭盤外壓緊機構

圖4 法蘭盤自動化焊接工裝實物

Fig.4 Tool of flange automatic welding

圖4中的法蘭盤焊接墊板及外壓機構均分別安裝在兩個導軌副上，能夠沿著產品軸線方向做直線運動，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

對于自動化焊接工藝來說，裝配間隙的大小，直接影響自動化焊接質量。由于法蘭盤直徑小，且為環形焊縫，焊后殘余應力及機構拘束度大，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法蘭盤焊縫預制一定的壓應力，這樣能夠抵消部分焊接造成的拉應力，一方面改善焊縫內的應力分布，另一方面有利于控制焊接過程的穩定性及質量。

因過盈配合加大了裝配的難度，故采用液氮浸泡工藝對法蘭盤進行處理。液氮浸泡[2]工藝主要根據熱脹冷縮原理對法蘭盤進行液氮浸泡，充分冷卻收縮后裝配，待恢復室溫后實現法蘭與孔的緊配合。

為減少液氮浸泡裝配及隨后的焊接試驗次數，采用有限元法計算了法蘭盤過盈量對裝配壓縮應力的影響，并根據計算結果初步確定了法蘭焊接邊過盈量。采用八節點六面體單元對液氮浸泡后法蘭裝配應力進行了計算?？紤]為對稱結構，取其1/4進行計算，網格劃分見圖5，單元數為4 710個。

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

(a) 過盈量對裝配壓縮應力的影響 (b) 法蘭盤應力分布圖

圖6 法蘭過盈裝配仿真分析

Fig.6 Simulation analysis of flange interference assembly

根據仿真結果得出：法蘭盤過盈量取0.15～0.25 mm范圍之內，既有較大的裝配應力，又未發生裝配塑性變形，滿足自動焊接對裝配的技術要求。

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，把劃規長度調整為法蘭直徑的一半，劃出開孔位置；

(3)打排鉆開孔，錯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齊；

(5)裝配壁板與法蘭盤，壁板上的相位線應與法蘭盤的相位線對齊；

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

根據上述規律可以得到：采用以“大就小”的裝配方式出現的法蘭盤被砸裂為共性現象。經過對工裝、法蘭盤結構及裝配流程等相關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裂紋的原因。具體如下：用鋁錘砸壁板時，壁板與法蘭盤搭接的部位會給法蘭盤邊緣一個向下的力，然而焊漏槽邊緣支撐在法蘭盤下端，給其一個向上的力(圖8)。在這兩個力的作用下，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，在兩個力組成的扭轉力矩下，被壁板向下掰裂，從而產生裂紋。

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，把劃規長度調整為法蘭直徑的一半，劃出開孔位置；

(3)打排鉆開孔，錯修孔徑使其與法蘭尺寸相匹配；

(4)將壁板相位線對齊焊接墊板上的相位線，孔邊緣對齊焊漏槽中心；

(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?，以“小就大”的裝配方式裝配的法蘭盤沒有出現被砸裂的現象，裝配間隙為零，且為緊配合。

4 法蘭盤自動焊工藝研究

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

(a) 規范1 (b) 規范2

表1 焊接試驗結果

從表1來看，3種規范焊接的接頭常、低溫抗拉強度均滿足設計指標(≥225 MPa)要求，其中規范1得到的接頭常溫及低溫抗拉強度最好。

圖11為規范1焊接的接頭宏觀形貌，從金相分析可以發現板材母材晶粒細小，而鍛件晶粒粗大，且晶粒度存在不均勻性。

對接頭斷裂路徑進行統計，大部分接頭在靠近法蘭這一側斷裂，少數在板材側斷裂，見圖12。

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

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

5 法蘭盤自動焊工程試驗驗證

法蘭盤手工驗合裝配完成之后，裝配質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縫，焊接區直徑小，拘束度大，焊接收縮對焊接過程的穩定性影響較大[3-4]。為確保直流氦弧打底焊接過程順利進行，防止焊接過程中產生錯邊或對接間隙，因此需進行定位焊接。實驗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。

整個法蘭盤打底焊接過程穩定，但是熄弧時弧坑出現了裂紋，如圖17所示。然后又用同樣的方法焊接第二個法蘭盤，依然在打底焊熄弧時出現了裂紋。

焊接后發現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。通過分析認為出現裂紋的原因如下：由于焊接墊板面積與厚度大，導熱性強，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溫度下降速度不一致，導致了熄弧時弧坑出現了裂紋。

因為鋁合金導熱率高，焊接墊板散熱快，所以為保證焊接質量及防止法蘭盤打底焊熄弧裂紋出現，通過加入加熱裝置對焊接墊板、壁板及法蘭盤進行焊前預熱，預熱溫度控制在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整電流。加入加熱裝置后的焊接墊板見圖19。

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

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

6 結論

(1)設計了低溫貯箱筒段法蘭盤自動化焊接工裝。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，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。經過數次裝配試驗后發現：采用“大就小”的裝配方法容易出現法蘭盤被砸裂的現象，而采用“小就大”的裝配方法沒有出現法蘭被砸裂的現象，且裝配為緊配合，滿足自動化焊接要求。

(3)采用自動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℃)平均抗拉強度達到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，對法蘭盤及焊漏墊板進行預熱。通過焊前預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，降低了焊接應變速率，有效避免了焊接裂紋的產生。

[1] 周萬盛. 鋁及鋁合金的焊接[M]. 北京：機械工業出版社, 2006.

[2] 古可成, 高燕, 李啟東,等. 液氮浸泡后在空氣中暴露對ZL107力學性能的影響[J]. 沈陽工業大學學報, 2004, 26(5):488-490.

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

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

[5] 石琳, 古敏, 魯果昌,等. 焊接預熱和后熱的理論基礎及實際應用[J]. 石油和化工設備, 2015(2):48-52.

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、攪拌摩擦點焊、塞補焊及運載火箭貯箱焊接技術研究及應用推廣工作。E-mail:174323718@qq.com