组件整体安装定位及焊接工艺改进

李 应 梁 欣 马晓宇 崔志宏 李旭光 牛永进 陈 霞



组件整体安装定位及焊接工艺改进

李 应 梁 欣 马晓宇 崔志宏 李旭光 牛永进 陈 霞

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012）

人工划线确定各零部件相对位置的定位方法，在实际生产中存在累积误差，通过设计定位支架以及改进焊接方法，有效控制组件焊接变形，保证了支撑装置、回转支耳、油缸座装配精度和装配效率。最终的复检合格率达到了100%。

组件；焊接变形；装配精度

1 引言

目前，在大型设备的生产过程中，特别是一些关键件，对工艺的要求越来越高。其中，某大型臂架支撑装置、油缸座、回转支耳焊接变形[1]超出设计指标是近些年暴露出的工艺瓶颈问题之一，由此导致了某大型臂架的失效。

在某大型臂架支撑装置的焊接过程中，焊后尺寸公差为±1.5mm，超出焊接保证尺寸公差±0.5mm，此工序在工艺中为关键工序，造成焊接后尺寸超差，回转筒的回转支耳在支撑装置回转时有卡滞现象，该故障的直接原因是支撑装置焊接过程中，支撑装置与后横梁焊后焊缝受力收缩不均，导致支撑装置焊后超出尺寸要求，追溯其根本原因是原工艺方案通过人工划线定位的方法来确定支撑装置位置，此工艺方法虽然可以保证各件的相对位置关系，但误差较大，各误差累积后可能会导致焊后尺寸不满足要求，造成回转筒在运动过程出现卡滞以及回转支耳回转时的卡滞，从而影响正常功能。

为解决该故障，提出整体组装[2]焊接定位，同时通过焊接方法研究，有效控制焊接变形，保证了支撑装置、回转支耳、油缸座的装配精度要求。

2 研究内容和实施途径

2.1 总体思路

a. 结合产品结构特征及产品关键定位尺寸及形位公差、精度要求，构思并确定支撑装置、油缸座、回转支耳整体定位的设计思路与方案，确保支撑装置、油缸座、回转支耳安装后的中垂面与车架中心重合，以及油缸座回转孔与支撑装置、回转支耳间的相对定位尺寸及相关形位公差要求。

b. 构思并确定支撑装置、回转支耳整体焊接定位工艺装备设计思路与方案，确保支撑装置回转中心与回转支耳的回转中心相对距离及同轴度要求。

c. 支撑装置、回转支耳是安装在底盘后横梁的重要受力部件，对回转筒起支撑及回转作用，油缸座是安装在车架底部的关键受力部件，提供升降油缸和回转装置的安装支点。

d. 焊接变形控制[3]，支撑装置、回转支耳、油缸座的焊接定位为关键工序，焊接质量的好坏直接影响到支撑装置、回转支耳、油缸座的最终安装尺寸和精度要求，而焊接应力是造成产品尺寸和精度出现偏差的主要原因。因此，焊接时必须根据产品结构特点和焊缝的分布情况确定最合理的焊接顺序，尽量减少约束，使每条焊缝能自由收缩。以便将焊接应力降到最小，焊接时采用对称焊、严格控制焊接参数等方法，控制焊接变形。

2.2 定位支架设计方案

定位支架加工成与支撑装置安装孔相配合的孔、端面、装配基准平面及端面对称中心线，基准平面与定位支架上安装孔轴线平行，通过定位支架中心线与车架中心线的重合度确定支撑装置与底盘车架中心的对称度及回转支耳与车架中心的对称度。

支撑装置、回转支耳与定位支架由销轴连接，通过对定位支架的调整，满足支撑装置、回转支耳与车架的尺寸及形位公差要求。定位支架前端有支撑体，支撑体中心有销轴孔，定位支架以支撑体销轴孔中心和后横梁中心确定中心线，此中心线与底盘车中心线重合。后横梁是回转装置、回转支耳的连接支撑件，其连接关系为：升降油缸下支耳安装在油缸座回转支耳上、上支耳安装在支撑架支耳上，起升油缸伸缩带动支撑架绕回转轴旋转，支撑架安装精度对升降油缸侧向偏载力有重大影响。因此要求油缸座所在中垂面与车纵向对称面对称度不大于0.5mm，油缸座65mm孔的轴线与整车纵向对称面的垂直度不大于0.4mm，此外定位支架须具有一定的刚度及强度，还需保证支撑装置、回转支耳装焊的定位尺寸。

图1 组件整体位置图

支撑装置、回转支耳为对称件，左右各一件，安装放置如图1所示，定位支架设计须满足起吊及运输过程、防止变形要求。

定位支架作用：a.保证支撑装置焊接后的对称度及左右支撑装置的定位尺寸公差±0.5mm；b.保证回转支耳的对称度及左右回转支耳的定位尺寸公差±0.5mm；c.保证支撑装置与回转支耳同轴度；d.保证支撑装置与回转支耳回转中心与油缸座回转中心定位尺寸及平行度要求。

2.3 定位支架计算分析及结果

由定位支架总体结构图可推测最大变形应发生在油缸座机加时以及定位支架运输时产生的应力变形。通过模拟试验，在定位支架垂直方向加一个1.5倍的重力加速度，水平方向加一个0.5倍的重力加速度，并对定位支架应力变形的数据使用workbench进行有限元分析：运输工况下，定位架最大应力为0.27MPa，最大变形为0.054mm，由此定位支架的设计满足其指标要求，分析如图2、图3所示。

图2 定位支架应力计算云图

图3 定位支架有限元分析变形图

2.4 支撑装置、回转支耳、油缸座整体组装

定位支架定位油缸座、支撑装置、回转支耳的两端面，从而保证其定位尺寸及公差要求，由于油缸座、支撑装置、回转支耳的横向定位尺寸及其孔端面的尺寸精度、形位公差要求级别高，定位支架通过精密机床加工，在加工定位支架轴孔的同时，通过一次装夹，使得孔与孔之间的形位公差以及尺寸得到保证。

具体安装操作过程：a.将支撑装置、回转支耳、油缸座通过销轴将其先固定在定位支架上，如图4所示，然后将该组件与定位支架吊装至车架上；b.调整微伸收螺旋千斤顶及定位支架，使支撑装置、回转支耳，以及油缸座与车架贴合面完全贴合，中心线对中（横向），且与油缸座孔中心的中心距为2100mm与925mm；c.调整支撑装置、左右回转支耳的横向距离使其满足点焊要求，满足工艺尺寸后，点焊支撑装置、回转支耳以及油缸座，牢固后将销轴退出；d.吊离定位支架，将支撑装置、回转支耳、油缸座焊接牢靠，满足最终尺寸复检要求。

图4 定位支架后视图

2.5 焊接工艺改进

由于后横梁材质为HG785D，该材质为调质钢，焊接后不允许热校，受结构限制，又不便于冷校，所以通过焊接方法[4]及焊接顺序改进，使得焊接变形得到控制。

改进后焊接方法如下：

a. 混合气体保护焊（80%Ar+20%CO2），焊丝ER50-6，直径1.2mm，焊接规范为：焊接电流=100～200A，电弧电压=16～22V，气体流量：10～20L/min，焊接速度220～380mm/min。

b. 采用对称施焊法焊接支撑装置、回转支耳。

c. 支撑装置、回转支耳焊接顺序见图5。

图5 支撑装置、回转支耳焊接顺序

第一、二条焊接完成后，冷却至常温，再焊三、四、五、六、七、八、九、十条焊缝，待九、十条焊缝冷却至30～40℃时，再陆续焊接其余焊缝。

3 应用情况及创新点

3.1 应用情况

通过定位支架在12台车的组件安装定位焊接，使所有定位尺寸、形位公差得到了保证，提高了产品的一致性。经过大型臂架相关系统试验，产品一次交验率达到100%，验证了该工艺方法能够有效保证各件的组装精度，满足总体使用要求，12台车统计结果如表1所示。

表1 组装件关键尺寸焊接后尺寸

由表1可以得出，通过定位支架的使用，使得关键工序中的定位尺寸得到保证；针对大型臂架结构特点进行分析，并改进焊接工艺，采用对称焊及明确焊接顺序的方法，有效控制了焊接变形，保证了各组件的相对位置精度。

3.2 创新点

a. 某大型臂架支撑装置、回转支耳、油缸座组装定位采用新型工艺装备，替代了传统的平台划线法。

b. 优化工艺，通过缩比试件焊接试验筛选出最优的焊接顺序及焊接工艺参数。

c. 细化工艺，在工艺中明确支撑装置、回转支耳、油缸座组装、焊接成形后质量好坏的判别方法、状态、界限。

4 结束语

基于首台车出现的支撑装置焊接后超差情况，积极思考和钻研，认真试验，提出的整体组装定位及变形控制的改进方法，在下述情况下得到了成功应用：

a. 提出该改进方案后，在本批的在制产品上安装试验，完全满足设计的精度要求，并降低了装配难度。

b. 试验成功后，应用到大型臂架在制的其余各车上，节省了各组件独立的装配时间，效率提高了60%，校验合格率达到100%。

c. 基于成功经验，展开讨论，对所有承制的大型臂架进行详细分析和对比，推广到其它的大型臂架类似结构的装配中。

1 吴林. 焊接手册[M].（第二版）. 北京：机械工业出版社，2001

2 成大先. 机械设计手册[M].（第五版）. 北京：化学工业出版社，2002

3 马继勇，郭智，张长斌，等. 底盘后梁组装定位及焊接工艺改进[J]. 航天制造技术，2015(3)：16～18

4 田景玉，孙守红，刘剑. 一种QFN封装器件焊接故障分析[J]. 航天制造技术，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

李应（1980），工程师，飞行器设计专业；研究方向：工艺技术。

2018-03-15