一种焊接工装的设计及应用

陈伟衡，袁胜男，张 晔

（西安优耐特容器制造有限公司，西安 710201）

焊接是工业生产中最常用到的一种固定连接方式[1]，在焊接连接2个细长轴时，通常将2个细长轴放置在托架上，保持2个细长轴固定不动，焊接人员操作焊枪沿细长轴的圆周方向旋转1周，将2个细长轴焊接为一体达到焊接目的，该焊接方式焊接效率较低，在对细长轴焊接时，细长轴容易在托架上发生滚动，导致细长轴的焊接质量差；且焊接人员操作焊枪旋转1周焊接2个细长轴时，需要变换位置，费时费力，且容易造成2个细长轴焊接不连续，进而导致2个细长轴的连接处焊接质量差[2-3]。所以需要设计一种焊接工装来保证焊接的工作效率及焊接质量。

1 工装结构设计

1.1 焊接工装结构分析

对于轴管，相对来说尺寸较小，管壁较薄，而且焊接后产品的尺寸精度要求也很高。

目前对金属材料的焊接方法主要有：激光焊、电子束焊、等离子焊和氩弧焊等[4]。根据产品成品件、高精度和薄壁件的特点，拟采用激光焊进行焊接[5]。激光焊的特点为高精度、焊接应力低和焊后变形小，适合本产品的要求，但是激光焊对产品的组对及焊接工装要求很高，所以根据产品的实际需求，设计出如图1所示的工装结构。

1.2 焊接工装结构设计

图1为焊接工装的结构示意图，根据产品的实际需求，确定工装各个零部件之间的相对尺寸，最终设计出如图2所示的焊接工装设计图。

图1 工装结构图

2 激光焊接试验

进行激光焊接试验的轴管材料为TA2，轴管尺寸为直径25 mm，壁厚1.5 mm，轴管长度900 mm。根据图2的工装设计图进行加工，加工后进行激光焊接试验，激光焊接完成后对焊接位置进行力学性能试验，试验结果见表1。

表1 力学性能试验结果

图2 焊接工装设计图（单位：mm）

结果表明，该工装在焊接过程中能够很好地保证焊接质量，力学性能达到了产品的焊接技术要求，然后应用三坐标检测仪器对其进行形位尺寸检测，图3为三坐标进行直线度测量的测点示意图，根据测点测试得到表2的直线度数据。

图3 直线度测点示意图

根据表2的直线度测量结果，直线度偏差为-0.14～0.15 mm，可以看出在该工装的辅助下，激光焊接后产品的变形量很小，产品的焊接精度很高。

表2 直线度测量结果

3 薄壁轴管振动时效处理

由于激光焊接过程会产生焊接残余应力，需要采取振动时效处理对焊接试验件进行去应力处理，并检测振动时效前后的应力值。数据处理方法如下。

焊缝焊接残余主应力与主应力夹角计算公式

式中：σ1，2为测点的残余主应力，MPa；ε0、ε45、ε90为测点在3个方向上的释放微应变，με；A、B为应变释放系数。

应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得

式中：E为构架材质的弹性模量，取0.21×106MPa；μ为构架材质的泊松比，取0.3；a为盲孔孔径；r1、r2为盲孔中心到应变片近孔端、远孔端距离。

测试工艺参数：孔径a为1.5 mm；r1为2.0 mm；r2为4.0 mm。

计算结果见表3。

表3 振动时效前后应力值

振动时效应力测点如图4所示，测量结果表明：时效前，轴管焊缝焊接残余应力不高；振动时效后，轴管焊缝焊接残余应力整体降低40.5%，下降比例相对较大，且分布趋于均匀，达到了时效振动的目的，满足规范JB/T 10375—2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》的要求，因此对加工过程中工件尺寸精度及应力分布控制有很大的帮助。

图4 振动时效应力测点实物图

4 结论

（1）在进行焊接作业时，使用此焊接工装，能够很好地完成焊接作业，保证了产品的焊接尺寸精度。

（2）对激光焊接的轴管进行振动时效试验，并且进行应力检测，振动时效前轴管焊缝焊接残余应力不高；振动时效后，轴管焊缝焊接残余应力整体降低40.5%，下降比例显著，且分布趋于均匀，达到了时效振动的目的。