波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置、方法与流程

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1.本发明属于发动机波纹管密封技术领域，具体涉及一种波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置及方法。

背景技术：

2.某型液体火箭发动机波纹管式端面密封静环是将液压成型波纹管a与静环座b、法兰c以及焊接衬环d装配组合后，采用熔焊(氩弧焊、微束等离子焊、真空电子束焊)方法组焊而成，结构如图1所示。一旦波纹管式端面密封静环的焊缝失效，将会引起介质泄漏，严重时氧化剂和燃料串腔接触，导致发动机爆炸。目前的工艺流程为：静环座端焊缝焊接
→
法兰端焊缝焊接
→
两道焊缝的气密检查。静环座端焊缝焊接时不需装配法兰c，工艺装备结构较为简单且通用性较强。而法兰端焊缝需要保证产品的尺寸公差与形位公差，因此焊接工艺装备较为复杂，且与气密检查分别使用两套工艺装备 (以下简称焊接工装与气检工装)。现有技术虽能够在一定程度上满足目前液体火箭发动机的生产交付要求，但仍存在以下一些不足之处：
3.(1)现有波纹管式端面密封静环的生产及检验过程中，焊接工装与气检工装各自承担其自身的功能，不具有通用性，从而导致工艺流程复杂、准备工序多、生产周期长、生产能耗大。
4.(2)现有的焊接工装仅能起到焊接过程定位以及散热作用，无法接通反面保护气，不具备焊缝背面氩气保护的功能，导致焊缝背面存在被氧化的风险，焊缝强度与疲劳性能较低。
5.(3)波纹管式端面密封静环的焊接与气密检查均需在波纹管a压缩状态进行，压缩量可调区间较小，精度要求高，采用两套工艺装备分别进行焊接与气密检查，需重复装夹、定位，装配定位精度与压缩量精度以及装配位置的一致性均难以保证。
6.(4)现有的气检工装未设置波纹管a同轴度限位功能，气密检查过程中波纹管a易被打压变形，导致气密检查后法兰c与静环座b两端的同轴度不满足要求，合格率较低。

技术实现要素：

7.针对以上技术需求，本发明提出了一种波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，同时具备焊接过程中可通反面保护气、精密焊接辅助散热及气密检查的功能，杜绝了焊接过程与气密检查过程重复装夹定位，降低了焊缝背面氧化风险，实现了产品尺寸一致性和波纹管两端零件同轴度精度的精确控制。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
9.本发明公开了一种波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，包括支撑座、上压板、下压板、连接柱以及用于对波纹管、法兰和焊接衬环进行径向紧固的紧固机构；
10.所述支撑座设置在上压板和下压板之间，所述上压板与法兰顶部面配合，所述连接柱连接上压板和下压板，且所述上压板和下压板之间的距离可调节；
11.所述紧固机构包括可变形的环套和可装配在环套中的压芯，所述压芯能够挤压环套沿径向胀大；所述环套外侧面与所述法兰端的焊接衬环的内侧面配合；
12.所述支撑座上设置有用于放置装配好的波纹管、静环座、法兰以及焊接衬环的凹槽，所述凹槽内设置有用于与法兰外侧面间隙配合定位的第一限位面、用于与静环座最外侧面间隙配合定位的第二限位面、用于与法兰底部面配合的第一台阶面、用于限制静环座在凹槽内装配深度的第二台阶面、用于支撑定位环套的环套支撑面；
13.所述法兰的底部面、波纹管的外侧面、静环座的外侧面、凹槽的内侧面之间形成有第一空间，所述第一空间为密封空间，所述支撑座上设置有进气口和出气口，所述进气口和出气口均与所述第一密封空间连通；
14.所述法兰的内侧面、波纹管的内侧面、静环座的内侧面、凹槽的底部形成第二空间。
15.优选的，所述连接柱为螺栓螺母组件。
16.优选的，所述环套与压芯的配合面设置为楔形面；所述环套的楔形面上设置有多个缝隙状的开口，所述多个开口沿环套周向均匀分布。
17.优选的，所述紧固机构还包括调节螺栓，所述调节螺栓一端穿过所述压芯旋入支撑座中。
18.优选的，所述环套采用铬锆铜材料制成，所述压芯的材质硬度大于环套的材质硬度。
19.优选的，所述出气口中设置有密封堵头。
20.优选的，所述第一限位面与法兰外圆面的单边配合间隙为 0.01～0.06mm；所述第二限位面与静环座外圆面的单边配合间隙为 0.01～0.04mm。
21.优选的，所述第一限位面与第二限位面机加工后的同轴度≤0.03mm。
22.本发明还公开了一种波纹管式端面密封静环焊接及气密检查方法，具体包括以下步骤：
23.步骤1，静环座端与波纹管焊接；
24.步骤2，将法兰、焊接衬环、焊接后的静环座与波纹管共同装配至本发明所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置中，将上压板和下压板轴压紧至法兰与第一台阶面接触，然后使压芯向下移动对环套进行挤压，进而使法兰、波纹管及焊接衬环径向贴合紧密；
25.步骤3，通过进气口向第一空间内通入保护气体一段时间后开始进行法兰端与波纹管的焊接；
26.步骤4，焊接完成后，取出所述紧固机构；
27.步骤5，进行气密性检查：密封出气口，向第一空间中通入检查气体，待压力稳定后从装置上方给波纹管静环内腔注入示漏液体，示漏液体的液面高于最上面一条焊缝，观察气密性情况。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.(1)本发明装置将焊接工装与气密检查工装合成一个复合装置，通用性强，可简化工艺流程、减少准备工序、缩短生产周期长、减小生产能耗。
30.(2)本发明的装置不需重复装夹、定位，焊接完成后不用拆卸工艺装备即可完成气
密检查，保证了装配定位精度与压缩量精度以及装配位置的一致性。
31.(3)本发明装置可通过第二限位面实现静环座b与支撑座的间隙配合定位，通过第一限位面实现法兰c与支撑座的间隙配合定位，第一限位面和第二限位面在机加时保证了很好的同轴度，所以可以保证波纹管静环焊接及气密检查后静环座b与法兰c仍旧具有良好的同轴度。通过第二台阶面可以限制静环座b的装配深度，将上压板与下压板轴向压紧后，可以保证波纹管a气检前压缩量均在一定范围内，有效防止波纹管a气检后被过度拉长使总高尺寸超差，造成产品报废。
32.(4)本发明装置不仅具备焊接过程定位以及散热作用，还增加了焊缝背面氩气保护的功能，降低了焊缝背面存在被氧化的风险，提高了焊缝强度与疲劳性能。
附图说明
33.图1是波纹管与静环座、法兰以及焊接衬环装配示意图。
34.图2是本发明实施例记载的装置在焊接辅助状态下的使用状态示意图。
35.图3是图2的俯视图。
36.图4是本发明实施例记载的装置在气密检查状态下的使用状态示意图。
37.图中各标号的含义：
38.a-波纹管，b-静环座，c-法兰，d-焊接衬环；
39.1-支撑座，2-上压板，3-下压板，4-连接柱，5-紧固机构，6-第一密封圈， 7-第二密封圈，8-第一空间，9-第二空间，10-接管嘴，11-密封堵头，12-第三密封圈；
40.101-第一限位面，102-第二限位面，103-第一台阶面，104-第二台阶面， 105-环套支撑面，106-进气口，107-出气口；
41.501-环套，502-压芯，503-开口，504-调节螺栓。
具体实施方式
42.以下详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于以下特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。
43.在发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
44.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
45.本发明的具体实施例公开了波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，如
图2和图3所示，该装置包括支撑座1、上压板2、下压板3、连接柱4以及用于对波纹管、法兰和焊接衬环进行径向紧固的紧固机构5。
46.支撑座1设置在上压板2和下压板3之间，上压板2与法兰c顶部面配合，本实施例中，上压板2和下压板3均为环形板，上压板2与法兰c 顶部的台阶面配合，下压板3套在支撑座1底部的凸起上。当然，下压板3 可与支撑座1底部一体化设置而成，为了方便拆装，优选本实施例方案。
47.连接柱4连接上压板2和下压板3，且上压板2和下压板3之间的距离可调节，具体的：连接柱4设置为螺栓螺母组件，通过调节螺母来调整上压板2的位置，方便操作且稳定性好。连接柱4围绕支撑座1圆周均匀分布，挤压时保证上压板2和下压板3受力均匀，图3所示设有5个螺栓螺母组件，为均布分布，相邻两个紧固螺栓安装孔的角度为72
°
。
48.其中，本实施例的紧固机构5包括可变形的环套501和可装配在环套 501中的压芯502，压芯502能够挤压环套501沿径向胀大，环套501外侧面与所述法兰c端的焊接衬环d的内侧面配合。
49.为了实现环套501的可变形，将环套501与压芯502的配合面设置为楔形面，并在环套501的楔形面上设置有多个缝隙状的开口503，这些开口503 沿环套501周向均匀分布。开口503用于压芯502挤压环套501变形，本实施例中开口宽度为0.3mm，开口503从环套501顶部延伸至距离环套501 底部1/3处，开口503的数量根据环套变形量设定。
50.为了实现对压芯502的挤压，本发明的紧固机构5中还设置有一个调节螺栓504，调节螺栓504一端穿过压芯502旋入支撑座1中。支撑座1 底部孔中设置为与调节螺栓504表面螺纹匹配的螺纹孔，这样通过调整调节螺栓504在支撑座1中的旋入深度，使压芯502向下移动，可将环套501 胀大，从而使法兰c、波纹管a及焊接衬环d径向贴合，本实施例可将它们之间的间隙调整至小于0.03mm。
51.需要注意的是，在焊接时环套501上端面需略低于焊接衬环d上端面，一般环套501上端面距离焊接衬环d上端面约1mm，这样的伸出高度可以保证焊缝成形良好。
52.作为本实施例的优选实施方案，环套501采用铬锆铜材料制成，环套 501的材质其一保证焊接时具有良好的散热效果，其二避免传统黄铜类材质焊接时由于锌元素挥发导致的焊缝组织不纯净。压芯502的材质硬度最好大于环套的材质硬度，压芯502一般采用不锈钢或碳钢，与环套501存在一定硬度差，方便撑开环套501。
53.支撑座1上设置有用于放置装配好的波纹管a、静环座b、法兰c以及焊接衬环d的凹槽，凹槽内设置有第一限位面101、第二限位面102、第一台阶面103、第二台阶面104和环套支撑面105。
54.其中，第一限位面101用于与法兰c外侧面间隙配合定位，本实施例中第一限位面101为设置在凹槽内壁上的与法兰c外侧圆周面直径配合的竖向环形面。第一限位面101与法兰c外圆面的单边配合间隙为 0.01～0.06mm。
55.第二限位面102用于与静环座b最外侧面间隙配合定位，本实施例中第二限位面102为设置在凹槽内壁上的与静环座b最外侧圆周面直径配合的竖向环形面。本实施例的第二限位面102与静环座b外圆面的单边配合间隙为0.01～0.04mm，第一限位面101与第二限位面102机加工后的同轴度≤0.03mm。
56.第一台阶面103用于与法兰c底部面配合，本实施例中第一台阶面103 为设置在凹
槽内壁上的与法兰c底部面位置配合的水平环形面，且该水平环形面与第一限位面101连接，其截面为l型。通过上压板2压紧至法兰a 与支撑座1上的第一台阶面103接触，保证轴向密封且波纹管a为压缩状态，且当波纹管a被压缩后，可以保证波纹管a根部与法兰c待焊部位根部紧密贴合，焊接时不会发生虚焊、焊漏等问题，可大大提高焊缝及波纹管 a根部的疲劳强度，提高焊接可靠性。
57.第二台阶面104用于限制静环座b在凹槽内装配深度，本实施例中第二台阶面104为设置在凹槽内壁上的与静环座b的底部面位置配合的水平环形面，同样，该水平环形面与第二限位面102连接，其截面也为l型；通过第二台阶面104可以限制静环座b的装配深度，将上压板2与下压板3 轴向压紧后，可以保证波纹管a气检前压缩量均在一定范围内，本实施例中可将压缩量控制在0.9mm
±
0.1mm范围内，有效防止波纹管a气检后被过度拉长使总高尺寸超差，造成产品报废。
58.环套支撑面105用于支撑定位环套501，环套支撑面105为凹槽结构，环套501装入该槽中。
59.法兰c的底部面、波纹管a的外侧面、静环座b的外侧面、凹槽的内侧面之间形成有第一空间8，第一空间8为密封空间，用于通入保护气体。法兰c的内侧面、波纹管a的内侧面、静环座b的内侧面、凹槽的底部形成第二空间9，如图4所示，第二空间9用于装载检漏介质，检查焊缝的气密性。
60.支撑座1上设置有进气口106和出气口107，进气口106和出气口107 均与第一密封空间8连通，用于通入焊接保护气，进气口106和出气口107 一般对称设置，保证保护气体流通整个第一空间8。第一空间8一方面可作为通入焊接保护气的空间，另一方面用于通入气密检查气体，用于检查焊缝的气密性。当用于焊接功能时，出气孔107作为焊接保护气的排气孔；当用于气密试验功能时，在出气口107内装入密封堵头11进行密封。进气口106 设置有接管嘴10，用于接入进气管。
61.为了方便采用密封堵头11对出气口107进行封堵，将出气口107设置为沉头孔，密封堵头11采用螺钉，孔中设置有与螺钉匹配的内螺纹，并通过第三密封圈12对螺钉与出气口107之间进行密封。
62.另外，本实施例的第一台阶面103与法兰c底部面之间、静环座b与凹槽的接触面之间均进行密封处理，具体的分别通过第一密封圈6和第二密封圈7进行密封。
63.本实施例的第一密封圈6、第二密封圈7、第三密封圈12均为o型橡胶圈。
64.本发明的另一实施例公开了一种波纹管式端面密封静环焊接及气密检查方法，该方法具体包括以下步骤：
65.步骤1，静环座b端与波纹管a焊接，此焊接步骤还不需装配法兰c，可采用目前市面上常用的工艺装备和焊接工艺。
66.步骤2，将法兰c、焊接衬环d、焊接后的静环座b与波纹管a共同装配至上述实施例记载的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置中，将上压板2和下压板3轴压紧至法兰c与第一台阶面103接触，然后使压芯502向下移动对环套501进行挤压，进而使法兰c、波纹管a及焊接衬环d径向贴合紧密；
67.步骤3，通过进气口106向第一空间8内通入保护气体(如氩气等)一段时间后开始进行法兰c端与波纹管a的焊接。一般通入氩气的时间为 3～5min，保证焊接时，焊缝背面为
氩气氛围，焊接过程中保护气体持续通入。
68.最好的，在通气时将装置倒置，保证氩气充分接触静环座b与波纹管a 的焊接处，通氩气3～5min后，再将装置转回至原始状态，即静环座b与波纹管a的焊接朝上。
69.步骤4，焊接完成后，取出紧固机构5。如图4所示为取出紧固机构5 后的示意图。
70.步骤5，进行气密性检查：密封出气口107，具体的通过密封堵头封堵出气口107，然后向第一空间8中通入检查气体，待压力稳定后从装置上方给波纹管静环内腔注入示漏液体(如纯净水或乙醇，优选乙醇)，示漏液体的液面高于最上面一条焊缝，一般高出2mm左右即可，观察气密性情况。
71.可以看出，采用本发明的装置不需重复装夹、定位，焊接完成后不用拆卸工艺装备即可完成气密检查，整个过程保证了装配定位精度与压缩量精度以及装配位置的一致性。

技术特征：

1.波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，包括支撑座(1)、上压板(2)、下压板(3)、连接柱(4)以及用于对波纹管(a)、法兰(c)和焊接衬环(d)进行径向紧固的紧固机构(5)；所述支撑座(1)设置在上压板(2)和下压板(3)之间，所述上压板(2)与法兰(c)顶部面配合，所述连接柱(4)连接上压板(2)和下压板(3)，且所述上压板(2)和下压板(3)之间的距离可调节；所述紧固机构(5)包括可变形的环套(501)和可装配在环套(501)中的压芯(502)，所述压芯(502)能够挤压环套(501)沿径向胀大；所述环套(501)外侧面与所述法兰(c)端的焊接衬环(d)的内侧面配合；所述支撑座(1)上设置有用于放置装配好的波纹管(a)、静环座(b)、法兰(c)以及焊接衬环(d)的凹槽，所述凹槽内设置有用于与法兰(c)外侧面间隙配合定位的第一限位面(101)、用于与静环座(b)最外侧面间隙配合定位的第二限位面(102)、用于与法兰(c)底部面配合的第一台阶面(103)、用于限制静环座(b)在凹槽内装配深度的第二台阶面(104)、用于支撑定位环套(501)的环套支撑面(105)；所述法兰(c)的底部面、波纹管(a)的外侧面、静环座(b)的外侧面、凹槽的内侧面之间形成有第一空间(8)，所述第一空间(8)为密封空间，所述支撑座(1)上设置有进气口(106)和出气口(107)，所述进气口(106)和出气口(107)均与所述第一密封空间(8)连通；所述法兰(c)的内侧面、波纹管(a)的内侧面、静环座(b)的内侧面、凹槽的底部形成第二空间(9)。2.如权利要求1所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述连接柱(4)为螺栓螺母组件。3.如权利要求1所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述环套(501)与压芯(502)的配合面设置为楔形面；所述环套(501)的楔形面上设置有多个缝隙状的开口(503)，所述多个开口(503)沿环套(501)周向均匀分布。4.如权利要求1所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述紧固机构(5)还包括调节螺栓(504)，所述调节螺栓(504)一端穿过所述压芯(502)旋入支撑座(1)中。5.如权利要求1或3或4所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述环套(501)采用铬锆铜材料制成，所述压芯(502)的材质硬度大于环套的材质硬度。6.如权利要求1所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述出气口(107)中设置有密封堵头(11)。7.如权利要求1所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述第一限位面(101)与法兰(c)外圆面的单边配合间隙为0.01～0.06mm；所述第二限位面(102)与静环座(b)外圆面的单边配合间隙为0.01～0.04mm。8.如权利要求1所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置，其特征在于，所述第一限位面(101)与第二限位面(102)机加工后的同轴度≤0.03mm。9.波纹管式端面密封静环焊接及气密检查方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，静环座(b)端与波纹管(a)焊接；
步骤2，将法兰(c)、焊接衬环(d)、焊接后的静环座(b)与波纹管(a)共同装配至权利要求1至8任一项所述的波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置中，将上压板(2)和下压板(3)轴压紧至法兰(c)与第一台阶面(103)接触，然后使压芯(502)向下移动对环套(501)进行挤压，进而使法兰(c)、波纹管(a)及焊接衬环(d)径向贴合紧密；步骤3，通过进气口(106)向第一空间(8)内通入保护气体一段时间后开始进行法兰(c)端与波纹管(a)的焊接；步骤4，焊接完成后，取出所述紧固机构(5)；步骤5，进行气密性检查：密封出气口(107)，向第一空间(8)中通入检查气体，待压力稳定后从装置上方给波纹管静环内腔注入示漏液体，示漏液体的液面高于最上面一条焊缝，观察气密性情况。

技术总结

本发明公开了波纹管式端面密封静环焊接辅助及气密检查装置、方法，该装置包括支撑座、上压板、下压板、连接柱以及用于对波纹管、法兰和焊接衬环进行径向紧固的紧固机构；支撑座设置在上压板和下压板之间，上压板与法兰顶部面配合，连接柱连接上压板和下压板，且上压板和下压板之间的距离可调节；紧固机构包括可变形的环套和可装配在环套中的压芯，压芯能够挤压环套沿径向胀大；环套外侧面与所述法兰端的焊接衬环的内侧面配合；本发明装置将焊接工装与气密检查工装合成一个复合装置，通用性强，可简化工艺流程、减少准备工序、缩短生产周期长、减小生产能耗。减小生产能耗。减小生产能耗。