浅谈焊接工艺装备的应用及设计原则

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焊接工艺装备简称焊接工装，它是用以安装焊接构件，使之占有正确位置的辅助器具。焊接工装设计是焊接工艺的重要组成部分，在结构件生产中起着举足轻重的作用，可以说没有焊接工装就没有好的产品。焊接构件种类繁多，专用性强，多数焊接工装属非标设备，一般是依据焊接构件的装配焊接工艺和产品结构特点、企业的生产条件以及实际需要而专门设计。事实表明，通过使用设计合理工装进行装配焊接，能够满足图纸尺寸要求、方便操作、焊接可达性好，可以有效保证产品的质量，并极大地提高劳动生产效率。

  

1    焊接工艺装备的作用

1.1  提高焊接构件的精度，保证其互换性

     采用合理的焊接工装，不仅可以精确地保证焊接构件装配定位焊时各零件的相对位置，而且可以防止或减少工件的焊接变形，减少焊件尺寸偏差，从而保证产品质量，并使产品具有互换性。

1.2  提高生产效率，降低制造成本

焊接构件的生产过程一般包括：焊前准备、装配、焊接、清理、校正、检验等工序，其焊前备料、装配及焊后等辅助工序所用时间远远超过工件焊接本身，因此针对焊接构件，提高其工效的最有效措施就是减少辅助工序的时间。除采用自动化焊接工艺，提高焊接自身的效率外，还要采用先进的装配工艺，即使用灵活高效的焊接工装。操作者可以直接在工装上快速装配、对位，免去了划线、弯尺对位等手工操作，节省了焊件装配定位和夹紧的繁锁工作，并可能减免焊后矫正变形和修补工序，同时也能简化检验工序，缩短了产品的生产周期。尤其对于批量生产，会使产品的制造成本大辐度降低。

1.3  减轻劳动强度，保障安全生产

采用合理的工装，工件定位迅速, 装夹方便、省力，减轻了焊件装配定位和夹紧时的繁重体力劳动，降低了对操作者技术水平的要求。另外，焊件翻转可以实现自动化，变位迅速，能使焊接条件较差的空间位置焊缝变为平焊缝，改善了劳动条件，也有利于焊接生产的安全管理。

  

2    焊接工装的特点

焊接工装是由焊接件的结构及焊接工艺所决定的，其结构特点将受焊接方法、装配焊接顺序、母材材质及结构刚性的制约，同时也受着产品生产纲领、生产批量、生产条件等限制, 由于焊接构件的特殊性，焊接工装与普通的机床夹具相比，其特点如下：

2.1  必须与焊接工艺要求相适应

由于焊接构件是多种零件的组合体，也就是说在同一焊接工装上装配的零件有多个，我们知道焊接顺序对工件焊接变形影响颇大，受组合体结构形式的限制，在复杂的构件装配过程中, 不可能将所有零件一次性全部装配完成，否则先装配的零件可能会直接影响后序装配零件的装配工作，有些结构件如果一次装配焊接完成，会产生较多缺陷或易产生较大焊接变形，复杂构件工艺上可能采取“先分部、后整体”的装配焊接方式，即先将部分零件装配、焊接、矫正完成形成部件，然后再进行后序零件的装配、焊接、矫正，这样可以避免造成一次装焊变形太大而难以矫正甚至无法矫正的后果。根据上述几种状况，那么所设计的工装必须符合装配焊接工艺要求，可能是把多个零件按顺序逐个地在工装上定位和夹紧，也可能是边装边焊，其定位夹紧可以是分别的，抑或是一批联动进行的, 总之所设计的工装，其动作次序和功能要求要与制造工艺过程相吻合。

2.2  要考虑焊接过程中，不同零件因焊接加热、冷却而产生的应力和变形

因为焊接是一个不均匀加热和冷却过程，焊接时加热速度快、温度高, 而在某一峰值温度和保温时间却十分暂短，甚至只有几秒到十几秒，这样必然造成焊缝和热影响区的组织和性能的不均匀性，因而必然要产生复杂的应力和变形。不同的零、部件、不同的部位变形方向、大小都不尽相同, 因此在工装的设计中，要考虑焊接过程中，不同零件因焊接加热、冷却而产生的应力和变形。比如设置定位元件时，要充分考虑焊接应力和变形方向，通常在焊件平面内的伸缩变形不作限制，一般都是通过留收缩余量方法让其自由收缩，而角变形、弯曲变形或波浪变形等需用夹具加以限制，有时还需要利用夹具采取反变形措施。当焊接接头处于热状态时，焊件由于自身重力作用发生的变形也不容忽视。同时又要考虑在焊后工件应力很大的情况下，工件取出方便。一般在方便取装并保证焊件的主要精度要求的前提下，对参与组焊的个别零部件可以设计成欠定位，对一些本身要求精度较低的工件可以不作定位。另外，不同的零件所受的夹紧力也不尽相同，要根据某一零件的刚度及变形方向等, 来确定各个零件的夹紧力，一部分工件需要设计较大的夹紧力，而另一部分工件则可以只定位不需夹紧。有时还需要根据结构的具体情况，对某些零件给予反变形或作刚性固定。一般情况下，应避免重复定位，但一些薄板冲压件，由于刚性极差，为提高工件与定位件的接触刚度，防止工件变形，常有意识地采用重复定位，即另采用一些辅助定位点和辅助夹紧点来控制变形。特殊情况下为提高装夹效率，在不影响装配质量的前提下，局部位置允许采用欠定位。

2.3  要与焊接方法相适应

焊接方法不同，对工装结构和性能要求也不同，如薄板钨极氩弧焊要考虑在工装上设置铜垫板；焊接钛合金要考虑设置背面充氩保护装置；焊接高强钢则要考虑在工装上布设加热装置, 直流电弧焊要考虑磁偏吹状况等。有些用电作热源的焊接方法，要考虑焊件本身作为焊接回路电极，焊接工装要有导电或绝缘的功能，当焊接电流很大时，导电部位还需采取散热措施。

  

3    焊接工艺装备的设计要点

焊接构件的种类多种多样，相应的工装也千差万别，生产中最常使用的是装配焊接夹具，它主要起定位与夹紧的作用，因此对于焊接夹具设计, 主要是从定位、夹紧和夹具体三方面进行考虑。

3.1  定位方案设计

定位方案设计是夹具设计的关键, 其设计优劣将直接影响装配、焊接的质量和效率，因此，定位方案设计不仅要符合定位原理，而且应有足够的定位精度，同时还要从生产适应性、经济性等多方面进行综合分析，以便确定出最佳定位方案。定位方案设计主要包括确定工件的定位基准；设置定位元件的结构及布局；确定必限的自由度；对定位元件材料选择及技术要求等。

3.1.1 定位基准的确定

尽量使定位基准与设计基准重合, 以保证必要定位精度；尽量避免选择曲面作基准面，优先选择平面作为主要定位基准面；选择零部件窄而长的表面作为导向定位基准，窄而短的表面作为止推定位基准；尽可能利用零部件上经过机械加工的表面或孔作为定位基准。

3.1.2   定位元件的结构设置

根据基准的结构形状和表面情况, 进行定位元件的设置，选择平面作为主要定位基准面时，常用的定位元件有挡块、支承钉、支承板等；当以孔作为定位基准时，常用的定位元件为定位销、定位插销和衬套式定位器等；当工件以外圆柱面作为定位基准时，常采用的定位元件有V形块、定位套、半圆孔定位器等。通过这些定位元件对必限自由度进行限制，以达到定位稳定、安装方便、结构工艺性和刚性好的设计要求。

3.1.3   确定必限自由度

依据制造工艺过程，正确地确定选择移动和转动必限自由度，以使工装定位可靠。

3.1.4   定位元件材料选择及要求

定位元件的材料、硬度、精度及表面粗糙度要符合工装性能要求，一般可选用45、40Cr等优质碳素结构钢、合金钢或碳素工具钢制作，为提高表面硬度，保证装入夹具后，定位元件的刚度和强度满足使用要求，需对定位元件进行淬火处理。也可采用20、20Cr钢，但要对其表面进行表面渗碳处理，一般表面渗碳深度为0.8~1.2mm, 表面淬硬层硬度为50~60HRC。工装精度要高出工件精度3个等级，定位元件表面粗糙度比工件定位基准的表面粗糙度要好1~3级。

3.2    夹紧装置设计

为使工件与定位元件保持一定相对位置，防止装配、焊接过程中，工件在工装上移动和变形，保证工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠接触，需要设置夹紧装置对工件进行夹紧。

3.2.1  对夹紧装置的基本要求

正确选择夹紧力的方向和作用点, 以获得工件在定位元件上正确位置；夹紧力要适当、可靠，在保证工件装配焊接过程中不松动的同时，又不得使工件产生变形和表面损伤；为减轻劳动强度，缩短辅助时间，提高生产效率，夹紧装置应力求操作方便、安全省力、夹紧迅速；夹紧机构应简单、紧凑，并具有足够的刚性。

3.2.2   夹紧力方向和大小的确定

夹紧力的方向应有利于减少工件变形和减少夹紧力，一般应选择垂直主要定位基准面。

夹紧力的大小应从以下几方面考虑：首先，夹紧力应能克服零件上的局部变形；其次，当工件在夹具上实现翻转或回转时，夹紧力能足以克服重力和惯性力，使工件仍牢牢地夹紧在转胎上。另外，当需要在夹具上实现焊件预反变形时，夹具应具有使焊件获得预定反变形量所需要的夹紧力, 同时夹紧力要足以克服焊接过程热应力引起的拘束应力。

3.2.3   夹紧机构的种类

常见的简单夹紧机构有楔式、螺旋式、偏心式、杠杆式、弹簧式、推拉式等。其中楔式夹紧机构是利用斜面将楔块的推力转变为夹紧力从而将工件夹紧的一种机构，而螺旋式夹紧机构的特点是结构简单、夹紧可靠，通用性强，这两种机构在实际生产中较为多见。

3.3    对夹具体的要求

夹具体是夹具的基础件，主要起连接各定位元件和夹紧器的作用，同时还用于支承焊件。夹具体设计必须满足以下要求：

3.3.1  在保证足够刚度和强度的前提下，力求结构简单、轻巧灵活。

3.3.2  尽可能地选择制造成本低廉，重量较轻的焊接结构，但由于焊接结构有焊接变形大、焊后需进行回火消应力的缺点，如果是在批量大，结构复杂或振动大的场合，宜选用抗压强度、刚度和抗振性能好的铸造结构。

3.3.3  尺寸稳定，结构工艺性能好，便于制造。

3.3.4  安装稳定可靠，同时要方便清理。

  

4      焊接工装的设计原则

4.1    实用性原则

       焊接工装既要有较好的使用性能, 又要保证装配工艺要求，同时力求结构简单、轻巧，操作时动作迅速，而且要便于制造。

4.2    经济性原则

在明确生产纲领的前题下，对产品进行焊接工艺分析，然后根据产品批量大小，制定工装设计方案。实际应用的焊接工装并不一定机构如何复杂，要根据工件的具体情况，提倡小夹具大效益的效果。比如有些工装可设计成只用于工件定位，其任务就是按产品图及工艺要求，把焊接件上的各零件或部件相互位置准确地固定下来，而勿需夹紧，装配工件时由对位操作者辅助焊工进行定位焊即可，此种工装既可以保证工件准确对位，又使工装制作复杂程度减少到最低。另外在进行工装设计时，应尽量考虑采用通用标准化元部件，使之与夹具体有机组合，灵活应用这种设计方法，可以简化工装，降低工装制作成本，而且能很好地保证工装制作精度。在可能的情况下，尽量设计通用焊接工装、组合夹具、可调夹具或柔性工装, 对这些工装无需调整或稍加调整，就能适用于相似类型构件的装配和焊接工作。根据产品生产纲领，如果是大批量生产，可以针对具体结构件，将现有设备稍加改制成为专机，更可以收到显著的经济效益。必要时可以选择采用机械化和自动化程度高的工装夹具，可以显著提升焊接技术水平，从而增强企业生产竞争能力。

4.3    可靠性原则

工装必须具有安全可靠性，保证工装在使用期内，凡受力构件都应有足够的强度和刚度。操作位置要设置在工人易接近的部位，以保障安全生产。

  

5    结束语

焊接工装是焊接生产工艺设计的主要任务之一，也是有效保证产品质量、提高生产效率的前提。焊接工装设计质量的优劣，对生产效率、加工成本、产品质量以及生产安全等有直接的影响。实际生产中，有些工装往往适用性差，这就要求焊接工装设计者在具有一定工装设计能力的同时，还必须掌握相应的焊接理论知识，尤其是对焊接变形机理，焊接装配顺序, 焊接变形预防或减少措施等方面要有更深的了解，这样方能设计出技术性能优、满足装配焊接工艺要求，同时生产适应性、经济性均可靠的工艺装备。