焊接工装在挖斗支耳板制造中的应用

郭国林，吴永祥，郭兰中，杨 莉，顾玥琦

（常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500）

焊接工装是指在焊接结构件生产的装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具、机械装置或设备.大多数焊接工装是为某种焊接组合件的装配焊接工艺而专门设计的，属于非标准装置，往往需要各制造厂根据焊接件产品结构特点、生产条件和实际需要自行设计制造.工程机械专用焊接设备的落后和缺乏，严重制约着焊接质量和焊接效率，使工程机械的产量难以满足国家工程建设的需求.在此背景下，本文设计了一套挖掘机挖斗支耳板专用焊接工装.

图1 挖斗支耳板结构

1 焊接件结构分析

挖斗支耳板结构如图1所示.挖斗支耳板是由一块带孔的驼峰状钢板和两个轴套组成，材料为Q345，焊接速度要求3转/分.根据焊接件的结构特点，焊缝为环焊缝，在结构上对称布置.这就要求所设计的焊接工装能够实现翻转和回转运动，其中回转运动完成同一平面两端环焊缝的焊接；翻转运动则可以使另外一面焊缝置于平焊位置，再通过电机带动完成环焊任务.这两个运动通过采用翻转内框和外框来实现.外框和内框都为框架式结构，采用型材焊接而成.

2 焊接工装对焊接件定位要求分析

焊接件在工装中的定位分析是工装设计的重要技术要求.支耳板在焊接过程中保持一个正确的位置，才能确保焊接质量，提高焊接效率.

2.1 焊接件定位基准的选取

根据图1所示的焊接件结构特点和焊接位置分布情况，焊接件水平定位的目的是保证两端轴孔中心与减速器输出轴线同轴，工作时由电动机——减速器——拖板——外框——内框带动焊接件转动，完成环焊缝的焊接.其水平方向的定位基准主要有两种方式：选取焊接件两端孔或选取焊接件对称中心.比较两种定位方式：若选取两端孔定位，虽然通过加工定位轴与孔配合即可，装卸也方便，但是支耳板两面均有焊缝，翻转比较困难，工装设计繁琐复杂，会增加设计成本，影响焊接效率；而选取焊接件对称中心作为水平方向基准.只需在装夹支耳板的内框横梁上加工内槽放置焊接件，横梁中心安装定位销与焊接件中心预先开好的中心孔配合，就可以保证焊接件两端轴孔中心与减速器输出轴线重合，焊接时绕轴孔中心转动进行焊接.定位中心（焊接件对称中心）与焊接回转中心存在偏心，偏心距等于焊接件轴孔中心与定位中心距离，通过外框回转实现另一端焊缝的焊接.

2.2 焊接件夹具设计

设计和选用合理的焊接夹具，可以防止支耳板焊接时移动和变形.典型的焊接夹紧装置可以分为三个部分：力源装置、中间传力机构和夹紧元件[1].由于支耳板安装在内框上，根据这一特点采用手动夹紧装置，手动夹紧的力源是人力.由于支耳板焊接的特殊性，夹具夹紧的作用点要考虑几点：首先夹紧力的作用点的选择应不破坏工件定位已确定的位置；其次是夹紧力作用点数目增多，能使工件夹紧均匀，提高夹紧的稳定性，尤其是对于支耳板这种薄板类的零件.根据以上焊接夹紧装置的特点，采用由简单夹紧件和传力件利用杠杆原理和自锁原理组成的复合夹紧机构.它的特点是可以扩大夹紧力、有自锁作用和夹紧可靠.具体选用的夹紧装置是能够快速夹紧工件，夹头开度大且适应性好，在薄板装焊作业中应用广泛的铰链-杠杆机构.这类夹紧机构由两组杠杆（手柄杠杆和夹紧杠杆）通过与一组连接板的铰链组合而成，连接板位于手柄杠杆和夹紧杠杆中间，手柄杠杆的施力点与夹紧杠杆的受力点通过连接板的铰接连接在一起，而两组杠杆的支点都与支座铰接，支点的位置是固定的，手柄杠杆为垂直式[2].夹头采用橡胶，手柄热压一层隔热绝缘材料.夹头可以上下、左右调整，以适应不同厚度工件夹紧的要求.

设计的焊接夹具结构如图2所示，夹紧杠杆转角90度，手柄杠杆转角170度.夹具通过螺栓安装在焊接工装的内框横梁上，两端各装一个，以定位中心为基准对称分布，焊接件拆装迅速、方便.CO2气体保护焊是非接触加工，对焊接件力度要求不高，只要定位准确，能固定住焊件即可完成焊接.

图2 焊接夹具

3 焊接工装设计

为了实现对支耳板双面环焊缝的焊接，所设计的焊接工装应该考虑翻转和回转两种运动方式[3-5].通过电动机和二级齿轮减速器使焊接速度降到要求的3转/分，匀速焊接支耳板上的每条焊缝，如图3所示.焊接工装主要由电动机、减速器、内框、外框、拖板、转座、底座、立柱和焊接装置等组成.焊接工装的工作原理：支耳板通过焊接夹具固定在内框横梁上，内框两端的轴连接在外框中，由电动机带动焊接件转动，再通过翻转内框，焊接工件的两面焊缝.当一端的上下两条焊缝焊好后，转动外框，焊接工件另一端焊缝.另外，不同型号的挖掘机支耳板尺寸不同，即两孔中心距不同.在设计时考虑采用丝杆螺母机构带动拖板左右直线运动，移动转座的位置，从而可以调节支耳板两端孔中心距，再通过焊枪位置调节，适用不同尺寸支耳板的焊接.

3.1 翻转机构设计

焊接件结构特点要求翻转机构操作方便，省力，安全.因此在设计中，采用了框架式的结构形式.根据支耳板重量，选用100 mm×60 mm和140 mm×60 mm的两种矩形型材管，框架的两端采用直径为40 mm的轴安装在外框上.

内框结构如图4所示，这种设计既满足了支耳板焊接的要求，同时也降低了工装制造的成本.支耳板在内框两端还设计有定位孔，通过定位销与外框连接，使内框上的支耳板处于水平位置，便于施焊，还能确保焊枪和焊接件保持恒定的距离.当支耳板的一面焊好后，只需取出定位销，翻转180度即可焊接支耳板的另一面.

图3 支耳板焊接工装

3.2 回转机构设计

由于内外框加上支耳板的重量小，采用手动转动外框.当支耳板的一侧完成焊接后，操作者将焊接件水平转动180度即可以进行另一侧焊接.关于外框的定位，采取的方法是在转座轴线和外框轴孔的左右两侧对应位置加工定位孔，当外框转动到所需角度时，用定位销完成对外框回转角度的精确定位.这种设计降低了制造成本，同时也提高了焊接效率.焊接回转结构如图5所示.

图4 内框翻转机构

图5 外框回转机构

4结 论

挖斗支耳板专用焊接工装选用铰链-杠杆夹紧机构，安装和拆卸支耳板简便、夹紧迅速，提高了工作效率，焊接过程中有效保证了焊件的位置精度和形状精度；焊接工装设计了翻转和回转机构，实现了支耳板双面环焊缝的焊接；通过传动机构设计，焊接速度达到了3转/分的要求，改善了手工焊接时出现咬边、未融合和未焊透等焊接缺陷.

[1]王政.焊接工装夹具及变位机械[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]陈焕明.焊接工装设计[M].北京：航空工业出版社，2006.

[3]郑永强.BZ2-800双回转式焊接变位机[J].工程机械，1995（1）：2-3.

[4]王政.焊接机械装备[M].北京：机械工业出版社，1999.

[5]田锡唐.焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1995.