基于真空吸附技術(shù)的薄壁焊接工藝

(鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

焊接變形是生產(chǎn)裝備中的難題，尤其是薄壁件的焊接變形，控制焊接變形的方法很多，文獻[1]和文獻[2] 是利用校正和夾具工裝控制焊接變形，文獻[3]是通過焊接時焊縫的布局控制焊接變形。

真空吸附技術(shù)是一種利用大氣壓力進行工作的技術(shù)，該技術(shù)在工業(yè)很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用和推廣，尤其是機械加工領(lǐng)域，文獻[4]、文獻[5]和文獻[6]都是真空吸附技術(shù)在機械加工領(lǐng)域的成功運用。

本文利用真空吸附技術(shù)，介紹一種新型控制焊接變形的工藝方法。其原理是通過真空吸盤把薄壁件吸附在工裝本體上，使得工件在吸附力的作用下緊貼在焊接工裝上，在焊接過程中不產(chǎn)生松動和焊接變形，焊接完成釋放真空吸盤氣體使得焊接件與工裝脫離。

1 真空吸附技術(shù)原理

1.1 真空吸附力

真空吸附是利用大氣壓強P0與吸附容器壓強P1差作用于一定面積上的力而實現(xiàn)吸附的技術(shù)。吸附容器理論上為真空，而實際容器內(nèi)的空氣不可能為理論真空，里面存在一定的壓強P1，其吸附力公式如下所示：

F=(P0-P1)*S

P0：大氣壓強1.01×105Pa；P1：實際容器的壓強；S：作用在容器上的面積。

1.2 真空吸附原理

正常情況下，吸附容器內(nèi)的壓強和大氣壓強是相等的，即P0=P1。如果要實現(xiàn)P1小于P0，則需要把吸附容器抽為真空，通過真空泵可以實現(xiàn)吸附容器內(nèi)為真空，使其內(nèi)部壓強P1遠小于大氣壓強。

1.泵體；2.進氣口；3.葉輪；4.排氣口；5.橢圓形排氣口；6.水環(huán)；7.進水孔。圖1 真空泵原理圖

真空泵屬容積式泵，即利用容積大小的改變達到吸、排氣的目的。如圖1所示，葉輪偏心地裝在泵體內(nèi)，偏心距為e，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，水受離心力的作用，而在泵體壁上形成旋轉(zhuǎn)水環(huán)，水環(huán)上部內(nèi)表面與輪轂相切，沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)。

在前半轉(zhuǎn)的過程中，水環(huán)內(nèi)表面逐漸與輪轂脫離，因此在葉輪葉片間形成空間并逐漸擴大，這樣就在吸氣口吸入空氣。

在后半轉(zhuǎn)的過程中，水環(huán)的內(nèi)表面漸漸與輪轂靠近，葉片間的空間容積隨著縮小，葉片間的空間容積改變一次，每個葉片間的水好像活塞一樣往復(fù)一次，泵就連續(xù)不斷地抽吸氣體。

1.3 真空吸附系統(tǒng)組成

1.被抽容器(吸附工裝)；2.壓力表；3.氣管路系統(tǒng)；4.閥門；5.儲氣罐(穩(wěn)氣罐)；6.真空泵；7.水箱。圖2 真空吸附系統(tǒng)組成

真空系統(tǒng)由真空泵、儲氣罐、水箱、水管路、氣管路、壓力表、閥門和被抽容器(吸附工裝)等組成。如圖2所示，真空泵通過管路與水箱相連，真空泵運行前，應(yīng)向泵內(nèi)注入少量的水，通過儲氣罐起到穩(wěn)定壓力作用，在真空泵的運行下，被抽容器將抽為真空。

2 真空吸附焊接工裝設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

焊接工裝是由工裝本體、吸盤、銅導(dǎo)條、底部封板和氣路系統(tǒng)等組成，如圖3和圖4所示。工裝本體為焊接結(jié)構(gòu)件，本體上加工有圓形槽，與工件組合可形成腔體容積，圓形槽與真空氣路相連接，使用時圓形槽與工件形成的腔體容積抽為真空，從而實現(xiàn)吸盤的功能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計上共有A1n、B1n、C1n、A2n、B2n和C2n(n=1、2、……、12)等列吸盤組成，每列吸盤有n個吸口；使用時A1n、B1n、C1n用于吸附一塊焊接工件，A2n、B2n、C2n用于吸附另一塊焊接工裝，吸附順序分別為A1n—B1n—C1n和A2n—B2n—C2n。中間銅導(dǎo)條主要用于焊接時工裝不與工裝本體粘接。

2.2 工裝吸附系統(tǒng)原理圖

1.吸盤(工裝本體)；2.真空安全閥；3.接頭；4.閥組模塊；5.真空泵；6.水槽。圖5 工裝吸附系統(tǒng)原理圖

如圖5所示，吸附系統(tǒng)是由吸盤(工裝本體)、真空安全閥、接頭、閥組模塊、真空泵和水槽等所組成，其中閥組模塊是由真空破壞閥、真空二通閥和真空壓力繼電器組成。其工作原理為：執(zhí)行真空吸附時，真空閥打開，真空破壞閥切換于真空管側(cè)打開，正壓側(cè)關(guān)斷；負(fù)壓通過管路、真空閥組到達吸盤，作用于工件上，達到吸附工件的目的；需解除工件吸附時，真空閥關(guān)閉，真空破壞閥切換至真空管側(cè)關(guān)斷，正壓側(cè)打開，吸盤與真空管路斷開，與正壓管路連接，正壓空氣進入吸盤，破壞真空吸附。

2.3 吸附力計算

根據(jù)上述分析，其單列吸附力為：

F1=n*(P0-P1)S

(1)

S=π*R2

(2)

n=12，P0=0.1 MPa，P1=0.01 MPa～0.015 MPa[7]，R=0.05 m。

(3)

取P1=0.015代入公式可得單列吸附力：F1=8 kN。

設(shè)計時每塊工件的吸附力為：F=3F1=24 kN。

因此，對工件的吸附力相當(dāng)于2 400 kg的重物均勻壓在工件上面，使工件在焊接過程中緊貼在工裝本體上，不會發(fā)生大于工藝要求的焊接變形。

3 薄壁焊接工藝

3.1 焊接工藝關(guān)鍵點

通過吸附工裝進行焊接時，需要注意幾個關(guān)鍵內(nèi)容：一是吸附順序，按A、B、C順序進行吸附，目的是避免工件內(nèi)產(chǎn)生空腔，達不到理想的吸附力；二是保證工裝本體表面潔凈，工裝使用前確保工裝表面沒有雜質(zhì)和異物；三是工件拼焊接時需要留有0.5 mm～1.5 mm的間隙，便于焊縫焊透。

3.2 工藝優(yōu)化措施

由于焊縫處吸力相對較弱，且焊接過程中產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此，需要對焊接工藝進行兩方面的優(yōu)化：一方面是在焊縫處的縱長方向利用兩個壓條進行壓緊；另一方面是焊接前先進行間隔點焊，然后進行縱長縫的焊接。

4 結(jié)論

1)通過真空吸附技術(shù)應(yīng)用在薄壁焊接領(lǐng)域，用于控制焊接變形，效果非常顯著；

2)通過設(shè)計焊接專用吸附工裝,合理布置吸盤位置,實現(xiàn)了薄壁鋼板、薄壁鋁板等的焊接，提高了裝夾效率和焊接質(zhì)量；

3)可推廣實現(xiàn)筒體類零件的焊接。

[1] 李軍，張文鋒，方洪淵. 擠壓法矯正薄壁焊接圓筒圓度的有限元模擬[J].焊接學(xué)報，2013(6)89-92

[2] 王攀鋒，樊兆寶，安紹孔，郝志鋒. 薄壁殼體環(huán)縫焊接矯圓技術(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2011(6)29-31

[3] 管艷飛,袁建峰,米萍萍,楊保杰. 箱體結(jié)構(gòu)焊接變形分析及工藝控制措施[J]. 熱處理技術(shù)與裝備，2010(4)31-33

[4] 牟思惠. 氣體動力真空吸附夾緊系統(tǒng)的研究[A]//第一屆全國流體動力及控制工程學(xué)術(shù)會議論文集：第二卷[C].2000年

[5] 張洪雙，何暉，鄭東陽，牛耕. 柔性真空吸附夾具的設(shè)計與研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2014(9)252-254

[6] 陳凡, 周繼, 蒲如平. 數(shù)控車床用真空夾具系統(tǒng)設(shè)計[J]. 液壓與氣動，2010(7)40-42

[7] 沈則亮. 真空吸附銑削夾具的設(shè)計及其應(yīng)用[J].機床與液壓，2011(16)43-44