一種減小t型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置及方法
【專利摘要】一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置及方法，裝置：測量牽引桿設置在矩形凹槽中，測量滑塊套裝在測量牽引桿上，測量牽引桿的下端穿過矩形凹槽并與控制器內的拉力傳感器連接，拉伸牽引桿設置在矩形開口中，拉伸滑塊套裝在拉伸牽引桿上，拉伸牽引桿的下端與傳動板連接，傳動板與絲杠螺紋連接，絲杠的輸入端與步進電機的輸出軸連接，兩個圓柱滑桿對稱設置在絲杠的兩側，兩個圓柱滑桿均與傳動板滑動連接，控制器通過數據線與步進電機連接。方法：一、在長桁上加工定位圓孔；二、對蒙皮和長桁進行裝卡；三、設置預拉伸應力值并對長桁進行預拉伸；四、對蒙皮和預拉伸的長桁進行連續的雙側激光填絲焊接。本發明用于T型結構件焊接。
【專利說明】
一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種T型結構件的焊接裝置及方法，具體涉及一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置及方法。
【背景技術】
[0002]目前，由長桁和蒙皮構成的T型結構件是大型客機機身壁板的主要結構形式，這種結構目前主要采用傳統的鉚接方法進行連接。鉚接技術作為一種機械連接方式，其工藝簡單，強度穩定可靠，檢查和排除故障容易，特別適用于對安全性能要求極高且需要重復使用的商用客機的制造，但鉚接由于使用大量鉚釘及密封材料導致了機身重量增加，不利于機身輕量化的發展方向。同時，鉚接技術經過長期發展日趨完善，其發展潛力已經基本被充分挖掘，未來雖然還可以在質量上和技術上加以提升，但想要取得較大程度的發展所面臨的難度極高。
[0003]20世紀90年代初，德國空客公司聯合歐洲多家激光焊接研究機構和激光焊接設備制造商率先開展了機身壁板雙側激光焊接技術的研究工作來代替傳統的鉚接技術，以期通過制造工藝的改變來實現減輕機身重量的目的。該技術先后被成功應用于空客A318、A380系列飛機下機身壁板的批量化加工制造過程中，實現了減輕機身重量和降低制造成本這兩個最為重要的目標。
[0004]機身上的長桁-蒙皮T型結構件通常是由鋁合金或鋁鋰合金材料制成，然而這類材料的熱膨脹系數較大，彈性模量較小;此外，雙側激光焊接過程中激光束的高能量密度導致蒙皮和長桁的不均勻受熱，并在焊縫冷卻過程中發生局部收縮變形;加之，T型結構件的剛度較大，局部的收縮形變無法被釋放；以上諸多因素導致了這種長桁-蒙皮焊接后獲得的T型焊接結構件存在明顯的撓曲變形，以撓度d表示，如圖8所示。過大的撓曲變形使機身壁板產生較大殘余裝配應力，影響機身的服役性能，甚至會直接導致機身壁板組件無法安裝。為了消除T型結構件的撓曲變形。通常采用機身噴丸或去應力熱處理的方法，然而，機身噴丸極容易對機身表面造成傷害，同時該方法對工藝參數要求很嚴格;機身去應力熱處理會改變母材的原始熱處理狀態而破壞母材的力學性能。顯然，機身噴丸和去應力熱處理的方法均需要投入大量資金且難以實現，大大增加了飛機的制造成本并降低了生產效率。
[0005]如果能夠在雙側激光焊接之前對長桁進行預拉伸變形，將會在焊后顯著減小T型焊接結構的撓曲變形，無需復雜繁瑣的后續矯形處理，降低飛機制造成本并提高生產效率。
【發明內容】
[0006]本發明為解決T型結構件雙側激光焊接后存在撓曲變形，需要采用機身噴丸或去應力熱處理的方法消除撓曲變形的問題，而提出了一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置及方法。
[0007]裝置:一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置包括平臺、拉伸牽引桿、拉伸滑塊、測量牽引桿、測量滑塊、控制器、步進電機、絲杠、傳動板、軸承座、兩個圓柱滑桿、四個底座支架和四個滑桿固定座，四個底座支架分別固定在平臺下面的四角處，平臺上設有矩形凹槽和矩形開口，矩形凹槽和矩形開口沿同一直線分別設置在平臺的兩端，測量牽引桿設置在矩形凹槽中，測量滑塊套裝在測量牽引桿上，測量牽引桿的下端穿過矩形凹槽并與控制器內的拉力傳感器連接，控制器固定在平臺上，拉伸牽引桿設置在矩形開口中，拉伸滑塊套裝在拉伸牽引桿上，拉伸牽引桿的下端與傳動板連接，傳動板設置在平臺的下面，傳動板與絲杠螺紋連接，絲杠的一端設置在軸承座中，絲杠的另一端與步進電機的輸出軸連接，兩個圓柱滑桿對稱設置在絲杠的兩側，兩個圓柱滑桿均與傳動板滑動連接，每個圓柱滑桿的兩端分別與其對應的滑桿固定座連接，滑桿固定座固定在平臺下面，控制器通過數據線與步進電機連接，拉伸滑塊的側端面設有拉伸滑塊定位銷，測量滑塊的側端面設有測量滑塊定位銷，拉伸滑塊定位銷與測量滑塊定位銷位于同側。
[0008]方法:一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸方法是通過以下步驟實現的:
[0009]步驟一、在長桁上加工定位圓孔:根據長桁的橫截面尺寸確定定位圓孔的水平距離f和豎直距離g，并利用鉆床在長桁兩側各加工一個定位圓孔；
[0010]步驟二、對蒙皮和長桁進行裝卡:將蒙皮平放于平臺上，使蒙皮上的待焊位置線與平臺的對稱中位線重合，將長桁豎直放置于蒙皮上并與待焊位置線重合，長桁兩端的定位圓孔分別與拉伸滑塊定位銷和測量滑塊定位銷配合，將長桁定位安裝于拉伸滑塊和測量滑塊上；
[0011 ]步驟三、設置預拉伸應力值并對長桁進行預拉伸:將長桁的橫截面尺寸:長邊高度
a、寬度b、短邊高度C、長桁厚度e及設定的預拉伸應力值0輸入控制器中，通過控制器控制步進電機和絲杠轉動，傳動板沿絲杠運動，傳動板帶動拉伸牽引桿和拉伸滑塊向平臺后側運動，拉伸長桁并帶動平臺前側的測量滑塊運動，測量滑塊經由測量牽引桿將實時拉力F傳遞給控制器中的拉力傳感器，并由控制器計算出實時拉伸應力值σ'，將實時拉伸應力值與預拉伸應力值σ進行比較，實現對步進電機和絲杠轉動進行反饋控制；
[0012]步驟四、對蒙皮和預拉伸的長桁進行連續的雙側激光填絲焊接:將兩個保護氣噴嘴、兩個激光束、兩個焊絲分別對稱放置于長桁兩側，同側的保護氣噴嘴、激光束、焊絲的順序為由前至后依次設置，對長桁與蒙皮進行連續的雙側激光填絲焊接，以獲得T型結構件。
[0013]本發明與現有方法相比具有以下有益效果:
[0014]—、在長桁-蒙皮組焊之前，利用本發明的裝置及方法對長桁進行預拉伸，然后實施焊接，焊后獲得的T型結構件沒有撓曲變形;焊后無需對T型結構件進行噴丸或去應力熱處理，因此，不會對長桁和蒙皮母材的表面、原始熱處理狀態及力學性能造成破壞。與焊后噴丸矯形和去應力熱處理方法相比，大幅提高機身壁板生產效率，從而降低了生產成本。
[0015]二、本發明能夠與雙側激光填絲同步焊接系統進行整合，預拉伸后的長桁不必進行二次裝卡，將長桁直接定位裝卡于蒙皮上即可進行最終組焊，
[0016]三、本發明的工作原理簡單，普適性強，對T型結構件的材料沒有嚴格的限制，如鋁合金、鋁鋰合金、鎂合金、鈦合金、不銹鋼等材料均可。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明裝置的整體結構立體圖；
[0018]圖2是圖1的仰視立體圖；
[0019]圖3是【具體實施方式】六中步驟一在長桁I上預加工定位圓孔1-1相對位置的示意圖；
[0020]圖4是【具體實施方式】六中步驟二將蒙皮2平放于平臺4上，使蒙皮2上的待焊位置線N-N與平臺4的對稱中位線M-M重合的示意圖；
[0021]圖5是【具體實施方式】六中步驟二長桁I豎直放置于蒙皮2上并與待焊位置線N-N重合的示意圖；
[0022]圖6是長桁I的橫截面尺寸示意圖；
[0023]圖7是【具體實施方式】六中步驟四將雙保護氣噴嘴18、雙激光束19、雙焊絲20置于T型結構兩側接合縫處并對T型結構整體進行連續的雙側激光填絲焊接的示意圖；
[0024]圖8是現有方法焊接長桁-蒙皮獲得的T型結構件存在焊接撓曲變形的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]【具體實施方式】一:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式包括平臺4、拉伸牽弓丨桿6、拉伸滑塊7、測量牽引桿8、測量滑塊9、控制器10、步進電機11、絲杠12、傳動板16、軸承座17、兩個圓柱滑桿15、四個底座支架5和四個滑桿固定座14，四個底座支架5分別固定在平臺4下面的四角處，平臺4上設有矩形凹槽4-1和矩形開口 4-2，矩形凹槽4-1和矩形開口 4-2沿同一直線分別設置在平臺4的兩端，測量牽引桿8設置在矩形凹槽4-1中，測量滑塊9套裝在測量牽引桿8上，測量牽引桿8的下端穿過矩形凹槽4-1并與控制器10內的拉力傳感器連接，控制器10固定在平臺4上，拉伸牽引桿6設置在矩形開口4-2中，拉伸滑塊7套裝在拉伸牽弓丨桿6上，拉伸牽引桿6的下端與傳動板16連接，傳動板16設置在平臺4的下面，傳動板16與絲杠12螺紋連接，絲杠12的一端設置在軸承座17中，絲杠12的另一端與步進電機11的輸出軸連接，步進電機11固定在平臺4上，兩個圓柱滑桿15對稱設置在絲杠12的兩側，兩個圓柱滑桿15均與傳動板16滑動連接，每個圓柱滑桿15的兩端分別與其對應的滑桿固定座14連接，滑桿固定座14固定在平臺4下面，控制器10通過數據線與步進電機11連接，拉伸滑塊7的側端面設有拉伸滑塊定位銷7-1，測量滑塊9的側端面設有測量滑塊定位銷9-1，拉伸滑塊定位銷7-1與測量滑塊定位銷9-1位于同側。拉伸滑塊定位銷7-1和測量滑塊定位銷9-1用于分別與長桁I上加工的定位圓孔1-1配合，將長桁I定位安裝于平臺4上，且拉伸滑塊定位銷7-1的半徑、測量滑塊定位銷9-1的半徑與定位圓孔1-1的半徑相等。控制器10、步進電機11、絲杠12均可直接購置成品，其他零件均為鋼材加工而成，堅固耐用。
[0026]【具體實施方式】二:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的拉伸牽引桿6與傳動板16的配合表面、拉伸滑塊7與拉伸牽引桿6的配合表面、測量牽引桿8與矩形凹槽4-1的配合表面、測量滑塊9與測量牽引桿8的配合表面、圓柱滑桿15與傳動板16的配合表面均采用精確銑、磨削加工而成。這樣設計可以滿足配合精度要求。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0027]【具體實施方式】三:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的每個底座支架5上設有一個通孔5-1。螺栓能夠穿過通孔5-1而將底座支架5固定于地面或其他平臺上。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一或二相同。
[0028]【具體實施方式】四:結合圖2說明本實施方式，本實施方式與【具體實施方式】三不同的是它還增加有兩個加強筋13，兩個加強筋13對稱固定在兩個圓柱滑桿15的外側且固裝在平臺4上。這樣設計可以增加裝置的強度，以提高其穩定性。其它組成及連接關系與【具體實施方式】三相同。
[0029]【具體實施方式】五:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的軸承座17、兩個加強筋13、四個滑桿固定座14和四個底座支架5與平臺4制成一體。這樣設計可提高裝置的穩定性。其它組成及連接關系與【具體實施方式】四相同。
[0030]【具體實施方式】六:結合圖3?圖7說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現的:
[0031]步驟一、在長桁I上加工定位圓孔1-1:根據長桁I的橫截面尺寸確定定位圓孔1-1的水平距離f和豎直距離g，并利用鉆床在長桁I兩側各加工一個定位圓孔1-1，見圖3;
[0032]步驟二、對蒙皮2和長桁I進行裝卡:將蒙皮2平放于平臺4上，見圖4，使蒙皮2上的待焊位置線N-N與平臺4的對稱中位線M-M重合，將長桁I豎直放置于蒙皮2上并與待焊位置線N-N重合，見圖5，長桁I兩端的定位圓孔1-1分別與拉伸滑塊定位銷7-1和測量滑塊定位銷9-1配合，將長桁I定位安裝于拉伸滑塊7和測量滑塊9上，見圖5;
[0033]步驟三、設置預拉伸應力值并對長桁I進行預拉伸:將長桁I的橫截面尺寸:長邊高度a、寬度b、短邊高度C、長桁厚度e及設定的預拉伸應力值0輸入控制器10中，見圖6，通過控制器1控制步進電機11和絲杠12轉動，傳動板16沿絲杠12運動，傳動板16帶動拉伸牽引桿6和拉伸滑塊7向平臺4后側運動，拉伸長桁I并帶動平臺4前側的測量滑塊9運動，測量滑塊9經由測量牽引桿8將實時拉力F傳遞給控制器10中的拉力傳感器，并由控制器10計算出實時拉伸應力值σ'，將實時拉伸應力值σ'與預拉伸應力值σ進行比較，實現對步進電機11和絲杠12轉動進行反饋控制；
[0034]步驟四、對蒙皮2和預拉伸的長桁I進行連續的雙側激光填絲焊接:將兩個保護氣噴嘴18、兩個激光束19、兩個焊絲20分別對稱放置于長桁I兩側，同側的保護氣噴嘴18、激光束19、焊絲20的順序為由前至后依次設置，見圖7，對長桁I與蒙皮2進行連續的雙側激光填絲焊接，以獲得T型結構件。
[0035]【具體實施方式】七:結合圖6說明本實施方式，本實施方式是步驟三中長桁I的預制拉伸應力值σ及實時拉伸應力值(/均應小于長桁I的屈服強度os。其它步驟與【具體實施方式】六相同。
[0036]【具體實施方式】八:結合圖7說明本實施方式，本實施方式是步驟四中，在進行連續的雙側激光填絲焊接時，保持預置拉伸應力值σ恒定不變。其它步驟與【具體實施方式】六相同。
[0037]【具體實施方式】九:結合圖7和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟四中，在進行連續的雙側激光填絲焊接的同時，通過控制器1控制步進電機11和絲杠12轉動，使長桁I內的實時拉伸應力值σ'以恒定速率降低，即從焊接開始時的預拉伸應力值0恒速減小到焊接結束時的零。其它步驟與【具體實施方式】六或八相同。
[0038]【具體實施方式】十:結合圖7說明本實施方式，本實施方式是步驟四中，雙側激光填絲焊接時采用惰性氣體氬氣(Ar)或氦氣(He)對雙側激光焊縫3進行實時保護。其它步驟與【具體實施方式】九相同。
【主權項】
1.一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置，所述裝置包括平臺(4)、拉伸牽引桿(6)、拉伸滑塊(7)、測量牽引桿(8)、測量滑塊(9)、控制器(10)、步進電機(11)、絲杠(12)、傳動板(16)、軸承座(17)、兩個圓柱滑桿(15)、四個底座支架(5)和四個滑桿固定座(14)，四個底座支架(5)分別固定在平臺(4)下面的四角處，平臺(4)上設有矩形凹槽(4-1)和矩形開口(4-2)，矩形凹槽(4-1)和矩形開口(4-2)沿同一直線分別設置在平臺(4)的兩端，測量牽弓丨桿⑶設置在矩形凹槽(4-1)中，測量滑塊(9)套裝在測量牽引桿⑶上，測量牽引桿⑶的下端穿過矩形凹槽(4-1)并與控制器(10)內的拉力傳感器連接，控制器(10)固定在平臺(4)上，拉伸牽引桿(6)設置在矩形開口(4-2)中，拉伸滑塊(7)套裝在拉伸牽引桿(6)上，拉伸牽引桿(6)的下端與傳動板(16)連接，傳動板(16)設置在平臺(4)的下面，傳動板(16)與絲杠(12)螺紋連接，絲杠(12)的一端設置在軸承座(17)中，絲杠(12)的另一端與步進電機(11)的輸出軸連接，兩個圓柱滑桿(15)對稱設置在絲杠(12)的兩側，兩個圓柱滑桿(15)均與傳動板(16)滑動連接，每個圓柱滑桿(15)的兩端分別與其對應的滑桿固定座(14)連接，滑桿固定座(14)固定在平臺(4)下面，控制器(10)通過數據線與步進電機(11)連接，拉伸滑塊(7)的側端面設有拉伸滑塊定位銷(7-1)，測量滑塊(9)的側端面設有測量滑塊定位銷(9-1)，拉伸滑塊定位銷(7-1)與測量滑塊定位銷(9-1)位于同側。2.根據權利要求1所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置，其特征在于:拉伸牽引桿(6)與傳動板(16)的配合表面、拉伸滑塊(7)與拉伸牽引桿(6)的配合表面、測量牽引桿(8)與矩形凹槽(4-1)的配合表面、測量滑塊(9)與測量牽引桿(8)的配合表面、圓柱滑桿(15)與傳動板(16)的配合表面均采用精確銑、磨削加工而成。3.根據權利要求1或2所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置，其特征在于:所述每個底座支架(5)上設有一個通孔(5-1)。4.根據權利要求3所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置，其特征在于:所述裝置還包括兩個加強筋(13)，兩個加強筋(13)對稱固定在兩個圓柱滑桿(15)的外側且固裝在平臺(4)上。5.根據權利要求4所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸裝置，其特征在于:所述軸承座(17)、兩個加強筋(13)、四個滑桿固定座(14)和四個底座支架(5)與平臺(4)制成一體。6.—種利用權利要求1所述裝置實現減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸方法，其特征在于:所述方法是通過以下步驟實現的: 步驟一、在長桁(I)上加工定位圓孔(1-1):根據長桁(I)的橫截面尺寸確定定位圓孔(1-1)的水平距離f和豎直距離g，并利用鉆床在長桁(I)兩側各加工一個定位圓孔(1-1); 步驟二、對蒙皮(2)和長桁(I)進行裝卡:將蒙皮(2)平放于平臺(4上，使蒙皮(2)上的待焊位置線(N-N)與平臺(4)的對稱中位線(M-M)重合，將長桁(I)豎直放置于蒙皮(2)上并與待焊位置線(N-N)重合，長桁(I)兩端的定位圓孔(1-1)分別與拉伸滑塊定位銷(7-1)和測量滑塊定位銷(9-1)配合，將長桁(I)定位安裝于拉伸滑塊(7)和測量滑塊(9)上； 步驟三、設置預拉伸應力值并對長桁(I)進行預拉伸:將長桁(I)的橫截面尺寸:長邊高度a、寬度b、短邊高度C、長桁厚度e及設定的預拉伸應力值0輸入控制器(10)中，通過控制器(I O)控制步進電機(I I)和絲杠(I 2)轉動，傳動板(I 6)沿絲杠(12)運動，傳動板(I 6)帶動拉伸牽引桿(6)和拉伸滑塊(7)向平臺⑷后側運動，拉伸長桁(I)并帶動平臺⑷前側的測量滑塊(9)運動，測量滑塊(9)經由測量牽引桿⑻將實時拉力F傳遞給控制器(10)中的拉力傳感器，并由控制器(10)計算出實時拉伸應力值(/，將實時拉伸應力值σ'與預拉伸應力值σ進行比較，實現對步進電機(11)和絲杠(12)轉動進行反饋控制； 步驟四、對蒙皮(2)和預拉伸的長桁(I)進行連續的雙側激光填絲焊接:將兩個保護氣噴嘴(18)、兩個激光束(19)、兩個焊絲(20)分別對稱放置于長桁(I)兩側，同側的保護氣噴嘴(18)、激光束(19)、焊絲(20)的順序為由前至后依次設置，對長桁(I)與蒙皮⑵進行連續的雙側激光填絲焊接，以獲得T型結構件。7.根據權利要求6所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸方法，其特征在于:所述步驟三中長桁(I)的預制拉伸應力值σ及實時拉伸應力值(/均應小于長桁(I)的屈服強度Os。8.根據權利要求6所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸方法，其特征在于:所述步驟四中，在進行連續的雙側激光填絲焊接時，保持預置拉伸應力值σ恒定不變。9.根據權利要求6或8所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸方法，其特征在于:所述步驟四中，在進行連續的雙側激光填絲焊接的同時，通過控制器(10)控制步進電機(11)和絲杠(12)轉動，使長桁(I)內的實時拉伸應力值以恒定速率降低，即從焊接開始時的預拉伸應力值σ恒速減小到焊接結束時的零。10.根據權利要求9所述的一種減小T型結構件焊接撓曲變形的預拉伸方法，其特征在于:所述步驟四中，雙側激光填絲焊接時采用惰性氣體氬氣(Ar)或氦氣(He)對雙側激光焊縫(3)進行實時保護。
【文檔編號】B23K26/142GK105921895SQ201610378780
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】陶汪, 韓冰, 陳彥賓
【申請人】哈爾濱工業大學