基于真空吸附技术的薄壁焊接工艺

(郑州机电工程研究所，河南 郑州 450015)

0 引言

焊接变形是生产装备中的难题，尤其是薄壁件的焊接变形，控制焊接变形的方法很多，文献[1]和文献[2] 是利用校正和夹具工装控制焊接变形，文献[3]是通过焊接时焊缝的布局控制焊接变形。

真空吸附技术是一种利用大气压力进行工作的技术，该技术在工业很多领域得到了应用和推广，尤其是机械加工领域，文献[4]、文献[5]和文献[6]都是真空吸附技术在机械加工领域的成功运用。

本文利用真空吸附技术，介绍一种新型控制焊接变形的工艺方法。其原理是通过真空吸盘把薄壁件吸附在工装本体上，使得工件在吸附力的作用下紧贴在焊接工装上，在焊接过程中不产生松动和焊接变形，焊接完成释放真空吸盘气体使得焊接件与工装脱离。

1 真空吸附技术原理

1.1 真空吸附力

真空吸附是利用大气压强P0与吸附容器压强P1差作用于一定面积上的力而实现吸附的技术。吸附容器理论上为真空，而实际容器内的空气不可能为理论真空，里面存在一定的压强P1，其吸附力公式如下所示：

F=(P0-P1)*S

P0：大气压强1.01×105Pa；P1：实际容器的压强；S：作用在容器上的面积。

1.2 真空吸附原理

正常情况下，吸附容器内的压强和大气压强是相等的，即P0=P1。如果要实现P1小于P0，则需要把吸附容器抽为真空，通过真空泵可以实现吸附容器内为真空，使其内部压强P1远小于大气压强。

1.泵体；2.进气口；3.叶轮；4.排气口；5.椭圆形排气口；6.水环；7.进水孔。图1 真空泵原理图

真空泵属容积式泵，即利用容积大小的改变达到吸、排气的目的。如图1所示，叶轮偏心地装在泵体内，偏心距为e，当叶轮旋转时，水受离心力的作用，而在泵体壁上形成旋转水环，水环上部内表面与轮毂相切，沿箭头方向旋转。

在前半转的过程中，水环内表面逐渐与轮毂脱离，因此在叶轮叶片间形成空间并逐渐扩大，这样就在吸气口吸入空气。

在后半转的过程中，水环的内表面渐渐与轮毂靠近，叶片间的空间容积随着缩小，叶片间的空间容积改变一次，每个叶片间的水好像活塞一样往复一次，泵就连续不断地抽吸气体。

1.3 真空吸附系统组成

1.被抽容器(吸附工装)；2.压力表；3.气管路系统；4.阀门；5.储气罐(稳气罐)；6.真空泵；7.水箱。图2 真空吸附系统组成

真空系统由真空泵、储气罐、水箱、水管路、气管路、压力表、阀门和被抽容器(吸附工装)等组成。如图2所示，真空泵通过管路与水箱相连，真空泵运行前，应向泵内注入少量的水，通过储气罐起到稳定压力作用，在真空泵的运行下，被抽容器将抽为真空。

2 真空吸附焊接工装设计

2.1 结构设计

焊接工装是由工装本体、吸盘、铜导条、底部封板和气路系统等组成，如图3和图4所示。工装本体为焊接结构件，本体上加工有圆形槽，与工件组合可形成腔体容积，圆形槽与真空气路相连接，使用时圆形槽与工件形成的腔体容积抽为真空，从而实现吸盘的功能。

结构设计上共有A1n、B1n、C1n、A2n、B2n和C2n(n=1、2、……、12)等列吸盘组成，每列吸盘有n个吸口；使用时A1n、B1n、C1n用于吸附一块焊接工件，A2n、B2n、C2n用于吸附另一块焊接工装，吸附顺序分别为A1n—B1n—C1n和A2n—B2n—C2n。中间铜导条主要用于焊接时工装不与工装本体粘接。

2.2 工装吸附系统原理图

1.吸盘(工装本体)；2.真空安全阀；3.接头；4.阀组模块；5.真空泵；6.水槽。图5 工装吸附系统原理图

如图5所示，吸附系统是由吸盘(工装本体)、真空安全阀、接头、阀组模块、真空泵和水槽等所组成，其中阀组模块是由真空破坏阀、真空二通阀和真空压力继电器组成。其工作原理为：执行真空吸附时，真空阀打开，真空破坏阀切换于真空管侧打开，正压侧关断；负压通过管路、真空阀组到达吸盘，作用于工件上，达到吸附工件的目的；需解除工件吸附时，真空阀关闭，真空破坏阀切换至真空管侧关断，正压侧打开，吸盘与真空管路断开，与正压管路连接，正压空气进入吸盘，破坏真空吸附。

2.3 吸附力计算

根据上述分析，其单列吸附力为：

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代入公式可得单列吸附力：F1=8 kN。

设计时每块工件的吸附力为：F=3F1=24 kN。

因此，对工件的吸附力相当于2 400 kg的重物均匀压在工件上面，使工件在焊接过程中紧贴在工装本体上，不会发生大于工艺要求的焊接变形。

3 薄壁焊接工艺

3.1 焊接工艺关键点

通过吸附工装进行焊接时，需要注意几个关键内容：一是吸附顺序，按A、B、C顺序进行吸附，目的是避免工件内产生空腔，达不到理想的吸附力；二是保证工装本体表面洁净，工装使用前确保工装表面没有杂质和异物；三是工件拼焊接时需要留有0.5 mm～1.5 mm的间隙，便于焊缝焊透。

3.2 工艺优化措施

由于焊缝处吸力相对较弱，且焊接过程中产生较大应力，因此，需要对焊接工艺进行两方面的优化：一方面是在焊缝处的纵长方向利用两个压条进行压紧；另一方面是焊接前先进行间隔点焊，然后进行纵长缝的焊接。

4 结论

1)通过真空吸附技术应用在薄壁焊接领域，用于控制焊接变形，效果非常显著；

2)通过设计焊接专用吸附工装,合理布置吸盘位置,实现了薄壁钢板、薄壁铝板等的焊接，提高了装夹效率和焊接质量；

3)可推广实现筒体类零件的焊接。

[1] 李军，张文锋，方洪渊. 挤压法矫正薄壁焊接圆筒圆度的有限元模拟[J].焊接学报，2013(6)89-92

[2] 王攀锋，樊兆宝，安绍孔，郝志锋. 薄壁壳体环缝焊接矫圆技术[J].航空精密制造技术，2011(6)29-31

[3] 管艳飞,袁建峰,米萍萍,杨保杰. 箱体结构焊接变形分析及工艺控制措施[J]. 热处理技术与装备，2010(4)31-33

[4] 牟思惠. 气体动力真空吸附夹紧系统的研究[A]//第一届全国流体动力及控制工程学术会议论文集：第二卷[C].2000年

[5] 张洪双，何晖，郑东阳，牛耕. 柔性真空吸附夹具的设计与研究[J]. 机械设计与制造，2014(9)252-254

[6] 陈凡, 周继, 蒲如平. 数控车床用真空夹具系统设计[J]. 液压与气动，2010(7)40-42

[7] 沈则亮. 真空吸附铣削夹具的设计及其应用[J].机床与液压，2011(16)43-44