薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装及成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属材料的焊接工装及其焊接成型方法，特别是涉及一种适用于薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装及其焊接成型方法。
【背景技术】
[0002]现代飞行器朝着高马赫、长飞行时间方向发展，要求飞行器结构具有良好的高温承载能力与高温持久性能，这对飞行器的使用材料提出了更高的要求。一种薄壁复杂曲面舱体为某型号产品上的关键部件，其结构如图1、2、3所示，其中图3为焊后舱体的结构示意图，图1为焊前骨架结构示意图，图2为焊前蒙皮结构示意图，将蒙皮焊接到骨架上即可得到舱体。
[0003]针对这种带有内部加强筋的空间复杂曲面薄壁舱体结构，如果采用锻件整体机械加工成型，那么存在材料利用率非常低、加工周期长、成本高等缺点；如果采用真空电子束焊接，存在适应性差、效率低下、成本高的缺点；而采用电弧焊接，则存在难度大、变形不易控制、焊接质量不稳定的缺点。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，同时提供薄壁复杂曲面舱体的激光焊接成型方法，解决现有薄壁复杂曲面舱体成型方法中存在的加工周期长、材料利用率低、生产效率低、成本高、适应性差等问题。
[0005]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，包括支承架体、包带组件、前盖板和后盖板，所述支承架体用来固定薄壁复杂曲面舱体，所述包带组件包括包带和连接件，包带的两端各固定有一个所述连接件，包带上开设有定位通孔，连接件用来连接包带与支承架体，所述前、后盖板上均设有一环向密封圈，前、后盖板分别用来固定在薄壁复杂曲面舱体的前、后面板上，环向密封圈朝向舱体布置，盖板上设有气体通孔。
[0006]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，其中所述支承架体包括基座和支承座，所述基座包括底板，底板上固定设有两个前立柱和两个后立柱，两个前立柱间连接有前横梁，两个后立柱间连接有后横梁，前后横梁上均设有腰形通孔，所述底板的相对两侧各螺纹固定有一限位杆，所述限位杆位于前后立柱之间，每个立柱的侧面上均设有一支耳，支耳上开设有第一通孔，所述支承座包括下底板和上面板，下底板和上面板通过两个侧板连接，下底板两侧各设有一个第二通孔，所述第二通孔的两侧各设有一个第三通孔，第一、三通孔均用来与所述连接件连接，支承座通过第二通孔安插在限位杆上，所述前后立柱上分别固定有前限位块和后限位块，所述腰形通孔内安装有限位螺栓，所述限位螺栓用来将薄壁复杂曲面舱体固定在支承架体上。
[0007]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，其中所述前、后盖板分别通过钩型螺栓组件固定在薄壁复杂曲面舱体的前、后面板上，所述钩型螺栓组件包括钩型螺栓、长筒螺母和旋杆，所述钩型螺栓为一 L型件，其包括螺杆和钩，所述钩上设有凸起块，所述长筒螺母为一管状件，其内表面设有螺纹，长筒螺母的端部设有一穿透孔，所述穿透孔用来安装旋杆。
[0008]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，其中所述连接件为活节螺栓和紧固螺栓，所述包带的两端均为凹形端且形成环套，所述活节螺栓为杆形件，活节螺栓的上端设有与轴向垂直的连接孔，下端设有螺纹，所述紧固螺栓穿过连接孔及环套将活节螺栓固定在包带的凹形端。
[0009]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，其中所述前盖板上设有气体通孔。
[0010]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，其中所述限位杆为杆状件，其由圆柱、六边形台阶、圆形台阶和螺柱依次固定连接组成。
[0011]本发明中的薄壁复杂曲面舱体的激光焊接工装，其中所述基座的底板上螺纹固定有起吊螺栓。
[0012]本发明中的利用上述工装激光焊接薄壁复杂曲面舱体的成型方法，包括以下步骤:
[0013](1)将热成型后的舱体蒙皮和骨架用干净的棉布擦除表面的油污，再用细砂纸打磨去除表面的氧化皮直到表面呈现光亮的金属光泽，打磨后采用混合酸溶液对舱体蒙皮和舱体骨架进行浸泡3min?5min去除残留的氧化皮，浸泡后用清水清除舱体蒙皮和舱体骨架上的残留酸液，再用超声波清洗设备对舱体蒙皮和舱体骨架进行清洗，清洗晾干待用；
[0014](2)装配舱体骨架，包括以下子步骤:
[0015](2.1)将限位杆固定在基座上，然后将支承座上的第二通孔穿过限位杆上端的圆柱放置在限位杆上面，将舱体骨架放在基座上的前后立柱上面，将前限位块、后限位块分别固定在基座的前、后两端面上，限制舱体的前后移动;将两个限位螺栓从舱体内部分别穿过前、后横梁上的腰形通孔并紧固限制舱体的前后移动；
[0016](2.2)使用钩型螺栓组件将前盖板固定在舱体的前面板上，前盖板上的环向密封圈与前面板接触；
[0017](2.3)使用钩型螺栓组件将后盖板固定在舱体的后面板上，后盖板上的环向密封圈与后面板接触；
[0018](3)示教编程步骤:
[0019]在盖上蒙皮之前对需焊接的焊缝进行示教编程，编程路径需保证激光行走路径在舱体骨架加强筋的中心，激光焊接枪头离舱体骨架加强筋的垂直距离要一致；
[0020](4)安装蒙皮步骤:
[0021]示教编程完成后将舱体蒙皮安放在舱体骨架上面的下陷处，将四件包带组件的包带与舱体蒙皮紧密贴合，两件包带组件两端的活节螺栓分别穿过第一通孔，另外两件包带组件两端的活节螺栓分别穿过第三通孔，之后用八个螺母分别拧入包带组件的活节螺栓上面，用工具将螺母拧紧使得舱体骨架和蒙皮紧密接触间隙小于0.2mm;
[0022 ] (5)激光定位焊接，包括以下子步骤:
[0023](5.1)焊接开始前将氩气通过前盖板中的气体通孔通入舱体内部，充气5min;
[0024](5.2)将舱体蒙皮与舱体骨架周边相连接部位的止口对接接头定位焊接，激光通过包带组件上的定位通孔照射到舱体表面上，每次只焊接一个定位通孔中的焊缝，焊完一个再焊接下一个，直到所有通过定位通孔裸露出来的焊缝都定位完成；
[0025](5.3)采用示教完成的程序定位焊接舱体蒙皮中间位置的环向T型接焊缝，激光通过包带组件上的定位通孔照射到舱体表面上，每次只焊接一个定位通孔中的焊缝，焊完一个再焊接下一个，直到所有通过定位通孔裸露出来的焊缝都定位完成；
[0026](5.4)采用示教完成的程序定位焊接舱体蒙皮中间位置的纵向T型接焊缝，定位焊接的纵向T型焊缝应避开包带位置，焊点不能落在包带上面；
[0027](6)拆除包带步骤:
[0028]所有焊缝激光定位焊接完成后，拆除包带组件，首先将4件包带组件活节螺栓上的螺母拧下来，再将活节螺栓从基座上的第一通孔和支承座上的第三通孔中取出，然后将包带组件从舱体上去除；
[0029](7)连续激光焊接，包含以下子步骤:
[0030](7.1)移动激光焊接枪头到周边止口对接焊缝，测量好激光焊枪头到蒙皮表面的距离，不发射激光试行走一遍，保证所行路径中每点到激光焊枪头的距离一致，且激光入射方向与舱体蒙皮表面的切线相垂直，然后出激光连续焊接周边止口对接焊缝；
[0031](7.2)移动激光焊枪头到舱体蒙皮中间位置的环向T型接焊缝，测量好激光焊枪头到蒙皮表面的距离，不发射激光试行走一遍，保证所行路径中每点到激光焊枪头的距离一致，且激光入射方向与舱体蒙皮表面的切线相垂直，出激光连续焊接蒙皮中间位置的环向T型接焊缝；
[0032](7.3) —条环向T型接焊缝焊完后重复(7.2)步骤，完成所有环向T型接焊缝；
[0033](7.4)移动激光焊枪头到舱体蒙皮中间位置的纵向T型接焊缝，测量好激光焊枪头到蒙皮表面的距离，不发射激光试行走一遍，保证所行路径中每点到激光焊枪头的距离一致，且激光入射方向与舱体蒙皮表面的切线相垂直，出激光连续焊接蒙皮中间位置的纵向T型接焊缝；
[0034](7.5) —条纵向T型接焊缝焊完后重复(7.4)步骤，完成所有环向T型接焊缝。
[0035]本发明中的利用上述工装激光焊接薄壁复杂曲面舱体的成型方法，步骤(2.2)中，环向密封圈与前面板紧密接触，环向密封圈与前面板之间的缝隙不超过0.1mm;步骤(2.3)中，环向密封圈与后面板紧密接触，环向密封圈与后面板之间的缝隙不超过0.1_。
[0036]本发明中的利用上述工装激光焊接薄壁复杂曲面舱体的成型方法，步骤(5.2)中，激光定位焊接参数:每个定位点长度为3mm?5mm，相邻两定位点的间距为30mm?35mm，激光定位功率为1000??1200w，激光脉宽比为15ms/10ms，其中15ms为高电平，定位焊接速度为1.5m/min?1.8m/min，离焦量为0mm?+3mm，焊缝正面保护氩气流量为20L_30L/min;
[0037]步骤(5.3)、(5.4)中，激光定位焊接参数:每个定位点长度为3mm?5mm，相邻两定位点的间距为30mm?35mm，激光定位功率为1200w?1500w，激光脉宽比为15ms/10ms，其中15ms为高电平，定位焊接速度为1.5m/min?1.8m/min，离焦量为0mm?+3mm焊缝正面保护氩气流量为20L-30L/min;
[0038]步骤(7.1)中，激光焊接参数:激光焊接功率1600w?1800w，激光脉宽比为15ms/10ms，其中15