一種焊接工裝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳偉衡，袁勝男，張 曄

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，西安 710201）

焊接是工業(yè)生產(chǎn)中最常用到的一種固定連接方式[1]，在焊接連接2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，通常將2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸放置在托架上，保持2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸固定不動(dòng)，焊接人員操作焊槍沿細(xì)長(zhǎng)軸的圓周方向旋轉(zhuǎn)1周，將2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸焊接為一體達(dá)到焊接目的，該焊接方式焊接效率較低，在對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸焊接時(shí)，細(xì)長(zhǎng)軸容易在托架上發(fā)生滾動(dòng)，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸的焊接質(zhì)量差；且焊接人員操作焊槍旋轉(zhuǎn)1周焊接2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，需要變換位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易造成2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸焊接不連續(xù)，進(jìn)而導(dǎo)致2個(gè)細(xì)長(zhǎng)軸的連接處焊接質(zhì)量差[2-3]。所以需要設(shè)計(jì)一種焊接工裝來(lái)保證焊接的工作效率及焊接質(zhì)量。

1 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 焊接工裝結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于軸管，相對(duì)來(lái)說(shuō)尺寸較小，管壁較薄，而且焊接后產(chǎn)品的尺寸精度要求也很高。

目前對(duì)金屬材料的焊接方法主要有：激光焊、電子束焊、等離子焊和氬弧焊等[4]。根據(jù)產(chǎn)品成品件、高精度和薄壁件的特點(diǎn)，擬采用激光焊進(jìn)行焊接[5]。激光焊的特點(diǎn)為高精度、焊接應(yīng)力低和焊后變形小，適合本產(chǎn)品的要求，但是激光焊對(duì)產(chǎn)品的組對(duì)及焊接工裝要求很高，所以根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出如圖1所示的工裝結(jié)構(gòu)。

1.2 焊接工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為焊接工裝的結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求，確定工裝各個(gè)零部件之間的相對(duì)尺寸，最終設(shè)計(jì)出如圖2所示的焊接工裝設(shè)計(jì)圖。

圖1 工裝結(jié)構(gòu)圖

2 激光焊接試驗(yàn)

進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)的軸管材料為TA2，軸管尺寸為直徑25 mm，壁厚1.5 mm，軸管長(zhǎng)度900 mm。根據(jù)圖2的工裝設(shè)計(jì)圖進(jìn)行加工，加工后進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，激光焊接完成后對(duì)焊接位置進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2 焊接工裝設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

結(jié)果表明，該工裝在焊接過(guò)程中能夠很好地保證焊接質(zhì)量，力學(xué)性能達(dá)到了產(chǎn)品的焊接技術(shù)要求，然后應(yīng)用三坐標(biāo)檢測(cè)儀器對(duì)其進(jìn)行形位尺寸檢測(cè)，圖3為三坐標(biāo)進(jìn)行直線度測(cè)量的測(cè)點(diǎn)示意圖，根據(jù)測(cè)點(diǎn)測(cè)試得到表2的直線度數(shù)據(jù)。

圖3 直線度測(cè)點(diǎn)示意圖

根據(jù)表2的直線度測(cè)量結(jié)果，直線度偏差為-0.14～0.15 mm，可以看出在該工裝的輔助下，激光焊接后產(chǎn)品的變形量很小，產(chǎn)品的焊接精度很高。

表2 直線度測(cè)量結(jié)果

3 薄壁軸管振動(dòng)時(shí)效處理

由于激光焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，需要采取振動(dòng)時(shí)效處理對(duì)焊接試驗(yàn)件進(jìn)行去應(yīng)力處理，并檢測(cè)振動(dòng)時(shí)效前后的應(yīng)力值。數(shù)據(jù)處理方法如下。

焊縫焊接殘余主應(yīng)力與主應(yīng)力夾角計(jì)算公式

式中：σ1，2為測(cè)點(diǎn)的殘余主應(yīng)力，MPa；ε0、ε45、ε90為測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的釋放微應(yīng)變，με；A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)。

應(yīng)變釋放系數(shù)A、B可由Kirsch理論解得

式中：E為構(gòu)架材質(zhì)的彈性模量，取0.21×106MPa；μ為構(gòu)架材質(zhì)的泊松比，取0.3；a為盲孔孔徑；r1、r2為盲孔中心到應(yīng)變片近孔端、遠(yuǎn)孔端距離。

測(cè)試工藝參數(shù)：孔徑a為1.5 mm；r1為2.0 mm；r2為4.0 mm。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 振動(dòng)時(shí)效前后應(yīng)力值

振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力測(cè)點(diǎn)如圖4所示，測(cè)量結(jié)果表明：時(shí)效前，軸管焊縫焊接殘余應(yīng)力不高；振動(dòng)時(shí)效后，軸管焊縫焊接殘余應(yīng)力整體降低40.5%，下降比例相對(duì)較大，且分布趨于均勻，達(dá)到了時(shí)效振動(dòng)的目的，滿足規(guī)范JB/T 10375—2002《焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》的要求，因此對(duì)加工過(guò)程中工件尺寸精度及應(yīng)力分布控制有很大的幫助。

圖4 振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力測(cè)點(diǎn)實(shí)物圖

4 結(jié)論

（1）在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，使用此焊接工裝，能夠很好地完成焊接作業(yè)，保證了產(chǎn)品的焊接尺寸精度。

（2）對(duì)激光焊接的軸管進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)，并且進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，振動(dòng)時(shí)效前軸管焊縫焊接殘余應(yīng)力不高；振動(dòng)時(shí)效后，軸管焊縫焊接殘余應(yīng)力整體降低40.5%，下降比例顯著，且分布趨于均勻，達(dá)到了時(shí)效振動(dòng)的目的。