本發(fā)明涉及一種用于異形薄壁金屬氣囊的焊接夾具、焊接系統(tǒng)及焊接方法，屬于薄壁焊接。

背景技術(shù)：

1、金屬氣囊是一種新型的高比功率驅(qū)動裝置，在航空航天領(lǐng)域可應(yīng)用于如火箭級間分離、整流罩分離、飛行器翼面折展、布撒武器拋放彈等多種空天飛行器的變體與分離動作。相較于傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置，金屬氣囊自身體積小、質(zhì)量輕，具備輸出功率體積比高、響應(yīng)迅速等顯著優(yōu)勢。與此同時，金屬氣囊是一種典型的小尺寸薄壁結(jié)構(gòu)，充氣前的初始結(jié)構(gòu)為扁平狀，需通過特定的焊接工藝將兩層金屬箔材疊置焊接而成，為了提升金屬氣囊充氣膨脹后的某些力學(xué)性能，金屬氣囊的一組對邊往往設(shè)計(jì)成內(nèi)凹的弧形或其他特殊曲線，形成異形薄壁金屬氣囊，因此具有不規(guī)則不連續(xù)的焊縫結(jié)構(gòu)。

2、激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，基于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于各類零件的精密焊接中。但對于金屬氣囊這類結(jié)構(gòu)，由于焊縫形狀不規(guī)則和母材薄易變性等固有特點(diǎn)，在激光疊焊時易產(chǎn)生飛濺、氣孔等缺陷，影響氣囊的氣密性；另一方面，母材也可能因熱變形和熱應(yīng)力不均勻產(chǎn)生翹曲、燒蝕、熔穿等問題。目前尚未有成熟的焊接工藝得以應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)中有對于常規(guī)矩形形狀的薄壁金屬氣囊的焊接工藝及焊接夾具，其具體采用激光疊焊雙向約束夾具，形成連續(xù)的直縫焊道，實(shí)現(xiàn)沿金屬氣囊四邊的密封焊接，但是該種夾具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了同時實(shí)現(xiàn)氣嘴及四邊的焊接，必須通過加設(shè)多個限位蓋板類的結(jié)構(gòu)并結(jié)合螺栓等結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)對氣囊上壁母材及氣囊下壁母材的緊密貼合。而對于小尺寸薄壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)所有焊縫設(shè)置于同一塊上壓蓋板上時，由于尺寸限制容易導(dǎo)致沒有過多空間加設(shè)螺栓等連接結(jié)構(gòu)，則蓋板中間氣嘴位置的圓形孔會懸空，不利于夾緊和定位，同時也會因縫隙較大犧牲一定的壓覆面積。并且更主要的，現(xiàn)有的對于矩形金屬氣囊母材的焊接工藝均是激光槍頭一道走完全程，當(dāng)用于具有不規(guī)則不連續(xù)的焊縫結(jié)構(gòu)的異形薄壁金屬氣囊的焊接時，在焊縫幾何閉合處，極易發(fā)生頂點(diǎn)熱累積產(chǎn)生的燒蝕和熔穿，焊縫位置熱應(yīng)力分布不均勻，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

3、因此迫切需要一種焊接裝置和焊接方法，保證焊縫連續(xù)可靠、氣密性好，實(shí)現(xiàn)小尺寸的異形薄壁金屬氣囊的焊接成型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決上述技術(shù)問題，進(jìn)而提供了一種用于異形薄壁金屬氣囊的焊接夾具、焊接系統(tǒng)及焊接方法。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

3、一種用于異形薄壁金屬氣囊的焊接夾具，包括支撐底板、第一焊縫蓋板及第二焊縫蓋板，其中支撐底板的頂部開設(shè)有限位凹槽，限位凹槽的底部開設(shè)有背保凹槽及氣嘴凹槽，氣囊氣嘴位于氣嘴凹槽內(nèi)，背保凹槽為閉環(huán)結(jié)構(gòu)且其橫截面形狀與金屬氣囊的焊縫形狀隨形設(shè)置，支撐底板上還開設(shè)有與背保凹槽連通的第一進(jìn)氣通道及第一出氣通道，第一焊縫蓋板上開設(shè)有第一至第三焊道通孔，分別對應(yīng)金屬氣囊左右兩端的焊縫及氣囊氣嘴與氣囊下壁母材之間連接的圓形焊縫，第二焊縫蓋板上開設(shè)有第四至第五焊道通孔，分別對應(yīng)金屬氣囊前后兩端的焊縫，第一焊縫蓋板的底端加工有與限位凹槽對應(yīng)配合的第一限位凸臺，第二焊縫蓋板的底端加工有與限位凹槽對應(yīng)配合的第二限位凸臺，對金屬氣囊左右兩端的焊縫及氣囊氣嘴與氣囊下壁母材之間連接的圓形焊縫施焊時，氣囊下壁母材夾裝在第一限位凸臺與支撐底板的限位凹槽之間，且第一焊道蓋板與支撐底板之間固接，對金屬氣囊前后兩端的焊縫施焊時，氣囊上壁母材及氣囊下壁母材疊設(shè)在第二限位凸臺與支撐底板的限位凹槽之間，且第二焊道蓋板與支撐底板之間固接。

4、進(jìn)一步地，所述背保凹槽內(nèi)隨形嵌裝有背面保護(hù)塊，所述背面保護(hù)塊為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，背面保護(hù)塊的上部加工有焊縫凹槽，背面保護(hù)塊的側(cè)壁加工有與焊縫凹槽連通的第二進(jìn)氣通道及第二出氣通道，且所述第二進(jìn)氣通道與所述第一進(jìn)氣通道正對布置，所述第二出氣通道與所述第一出氣通道正對布置。

5、進(jìn)一步地，支撐底板、第一焊縫蓋板及第二焊縫蓋板的材質(zhì)均為06cr19ni10，背面保護(hù)塊的材質(zhì)為h61。

6、進(jìn)一步地，焊縫凹槽的寬度大于激光的光斑直徑，第三焊道通孔為圓形孔且其直徑大于氣嘴凹槽的直徑。

7、進(jìn)一步地，第一焊道通孔、第二焊道通孔、第四焊道通孔及第五焊道通孔的縱截面均為y形孔結(jié)構(gòu)。

8、進(jìn)一步地，限位凹槽的深度及每個限位凸臺的高度均為1mm，限位凹槽的平面尺寸與氣囊下壁母材及氣囊上壁母材相同。

9、進(jìn)一步地，第一進(jìn)氣通道與第一出氣通道對稱布置在支撐底板的前后兩側(cè)。

10、進(jìn)一步地，所述限位凹槽及各限位凸臺的橫截面均為矩形結(jié)構(gòu)。

11、一種焊接系統(tǒng)，包括上述焊接夾具，還包括移動與控制系統(tǒng)、激光源系統(tǒng)、焊接激光槍頭及保護(hù)氣氣源，其中焊接激光槍頭安裝在移動與控制系統(tǒng)上，且通過光纖連接激光源系統(tǒng)，焊接夾具中的第一進(jìn)氣通道及第一出氣通道分別通過氣體管路連接保護(hù)氣氣源。

12、一種采用上述焊接系統(tǒng)的用于異形薄壁金屬氣囊的焊接方法，包括如下步驟：

13、步驟一、連接保護(hù)氣氣源，形成保護(hù)氣通道，打開保護(hù)氣氣源使保護(hù)氣體流經(jīng)保護(hù)氣通道，完全覆蓋焊縫激光走線并循環(huán)流通；

14、步驟二、將氣囊氣嘴嵌入氣嘴凹槽內(nèi)，將氣囊下壁母材嵌入限位凹槽內(nèi)，安裝第一焊縫蓋板與支撐底板，開啟激光源系統(tǒng)，利用移動與控制系統(tǒng)將焊接激光槍頭移動到第三焊道通孔的上方，開始焊接第一道焊縫，以將氣囊氣嘴與氣囊下壁母材疊焊為一體；

15、步驟三、拆卸第一焊縫蓋板，在氣囊下壁母材上方疊放氣囊上壁母材并再次安裝第一焊縫蓋板與支撐底板，將焊接激光槍頭移動到第一焊道通孔上方，開始焊接第二道焊縫，再將焊接激光槍頭移動到第二焊道通孔上，開始焊接第三道焊縫；

16、步驟四、拆卸第一焊縫蓋板，更換安裝第二焊縫蓋板至支撐底板上，將焊接激光槍頭移動到第四焊道通孔上方，開始焊接第四道焊縫，再將焊接激光槍頭移動到第五焊道通孔上方，開始焊接第五道焊縫，焊接完成合，第二至第五道焊縫交叉閉合，將氣囊下壁母材與氣囊上壁母材疊焊為一體；

17、步驟五、沿著焊縫外圍進(jìn)行剪裁或切割，形成單側(cè)進(jìn)氣的異形薄壁金屬氣囊。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果：

19、本發(fā)明的焊接夾具包含兩塊焊縫蓋板，其中第一焊縫蓋板置于支撐底板的上方，用于實(shí)現(xiàn)氣囊下壁母材與氣囊氣嘴之間一道圓形焊縫的焊接以及氣囊上壁母材與氣囊下壁母材之間兩道左右對稱焊縫的焊接；第二焊縫蓋板置于支撐底板1的上方，用于實(shí)現(xiàn)氣囊上壁母材與氣囊下壁母材之間兩道對稱焊縫的焊接；兩塊蓋板在不同工序中分別針對囊壁特定的焊縫處提供足夠的壓緊力。避免將所有焊縫設(shè)置于同一塊焊接蓋板上，進(jìn)而防止焊縫蓋板中間的氣囊氣嘴位置的圓形孔懸空，如此更有利于夾緊和定位，同時也有效避免因縫隙較大而犧牲一定的壓覆面積。

20、采用更換焊縫蓋板的方式，分別對薄壁金屬氣囊不同位置的焊縫進(jìn)行約束焊接，在焊縫幾何閉合處，用兩道激光交錯焊接的形式替代單道激光拐角焊接，有效避免了頂點(diǎn)熱累積產(chǎn)生的燒蝕和熔穿，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則焊縫的焊接成型。

21、在焊接過程中，焊接順序?qū)ψ冃吻闆r有顯著影響，進(jìn)而影響焊縫質(zhì)量。由于氣囊氣嘴焊接位置位于兩層箔材間，因此必須首先進(jìn)行施焊。本發(fā)明確定了氣囊氣嘴與氣囊下壁母材之間的焊接→左右兩對稱的異形焊縫→前后兩對稱的直線焊縫的閉環(huán)焊接順序，減小了焊縫位置熱應(yīng)力分布的不均勻性。

22、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，工序簡潔，焊縫連續(xù)可靠、氣密性好，能夠?qū)崿F(xiàn)具有不規(guī)則焊縫的異形薄壁金屬氣囊的焊接成型。