(鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

焊接變形是生產(chǎn)裝備中的難題，尤其是薄壁件的焊接變形，控制焊接變形的方法很多，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2] 是利用校正和夾具工裝控制焊接變形，文獻(xiàn)[3]是通過(guò)焊接時(shí)焊縫的布局控制焊接變形。

真空吸附技術(shù)是一種利用大氣壓力進(jìn)行工作的技術(shù)，該技術(shù)在工業(yè)很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用和推廣，尤其是機(jī)械加工領(lǐng)域，文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]都是真空吸附技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域的成功運(yùn)用。

本文利用真空吸附技術(shù)，介紹一種新型控制焊接變形的工藝方法。其原理是通過(guò)真空吸盤把薄壁件吸附在工裝本體上，使得工件在吸附力的作用下緊貼在焊接工裝上，在焊接過(guò)程中不產(chǎn)生松動(dòng)和焊接變形，焊接完成釋放真空吸盤氣體使得焊接件與工裝脫離。

1 真空吸附技術(shù)原理

1.1 真空吸附力

真空吸附是利用大氣壓強(qiáng)P0與吸附容器壓強(qiáng)P1差作用于一定面積上的力而實(shí)現(xiàn)吸附的技術(shù)。吸附容器理論上為真空，而實(shí)際容器內(nèi)的空氣不可能為理論真空，里面存在一定的壓強(qiáng)P1，其吸附力公式如下所示：

F=(P0-P1)*S

P0：大氣壓強(qiáng)1.01×105Pa；P1：實(shí)際容器的壓強(qiáng)；S：作用在容器上的面積。

1.2 真空吸附原理

正常情況下，吸附容器內(nèi)的壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)是相等的，即P0=P1。如果要實(shí)現(xiàn)P1小于P0，則需要把吸附容器抽為真空，通過(guò)真空泵可以實(shí)現(xiàn)吸附容器內(nèi)為真空，使其內(nèi)部壓強(qiáng)P1遠(yuǎn)小于大氣壓強(qiáng)。

1.泵體；2.進(jìn)氣口；3.葉輪；4.排氣口；5.橢圓形排氣口；6.水環(huán)；7.進(jìn)水孔。圖1 真空泵原理圖

真空泵屬容積式泵，即利用容積大小的改變達(dá)到吸、排氣的目的。如圖1所示，葉輪偏心地裝在泵體內(nèi)，偏心距為e，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水受離心力的作用，而在泵體壁上形成旋轉(zhuǎn)水環(huán)，水環(huán)上部?jī)?nèi)表面與輪轂相切，沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)。

在前半轉(zhuǎn)的過(guò)程中，水環(huán)內(nèi)表面逐漸與輪轂脫離，因此在葉輪葉片間形成空間并逐漸擴(kuò)大，這樣就在吸氣口吸入空氣。

在后半轉(zhuǎn)的過(guò)程中，水環(huán)的內(nèi)表面漸漸與輪轂靠近，葉片間的空間容積隨著縮小，葉片間的空間容積改變一次，每個(gè)葉片間的水好像活塞一樣往復(fù)一次，泵就連續(xù)不斷地抽吸氣體。

1.3 真空吸附系統(tǒng)組成

1.被抽容器(吸附工裝)；2.壓力表；3.氣管路系統(tǒng)；4.閥門；5.儲(chǔ)氣罐(穩(wěn)氣罐)；6.真空泵；7.水箱。圖2 真空吸附系統(tǒng)組成

真空系統(tǒng)由真空泵、儲(chǔ)氣罐、水箱、水管路、氣管路、壓力表、閥門和被抽容器(吸附工裝)等組成。如圖2所示，真空泵通過(guò)管路與水箱相連，真空泵運(yùn)行前，應(yīng)向泵內(nèi)注入少量的水，通過(guò)儲(chǔ)氣罐起到穩(wěn)定壓力作用，在真空泵的運(yùn)行下，被抽容器將抽為真空。

2 真空吸附焊接工裝設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊接工裝是由工裝本體、吸盤、銅導(dǎo)條、底部封板和氣路系統(tǒng)等組成，如圖3和圖4所示。工裝本體為焊接結(jié)構(gòu)件，本體上加工有圓形槽，與工件組合可形成腔體容積，圓形槽與真空氣路相連接，使用時(shí)圓形槽與工件形成的腔體容積抽為真空，從而實(shí)現(xiàn)吸盤的功能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上共有A1n、B1n、C1n、A2n、B2n和C2n(n=1、2、……、12)等列吸盤組成，每列吸盤有n個(gè)吸口；使用時(shí)A1n、B1n、C1n用于吸附一塊焊接工件，A2n、B2n、C2n用于吸附另一塊焊接工裝，吸附順序分別為A1n—B1n—C1n和A2n—B2n—C2n。中間銅導(dǎo)條主要用于焊接時(shí)工裝不與工裝本體粘接。

2.2 工裝吸附系統(tǒng)原理圖

1.吸盤(工裝本體)；2.真空安全閥；3.接頭；4.閥組模塊；5.真空泵；6.水槽。圖5 工裝吸附系統(tǒng)原理圖

如圖5所示，吸附系統(tǒng)是由吸盤(工裝本體)、真空安全閥、接頭、閥組模塊、真空泵和水槽等所組成，其中閥組模塊是由真空破壞閥、真空二通閥和真空壓力繼電器組成。其工作原理為：執(zhí)行真空吸附時(shí)，真空閥打開(kāi)，真空破壞閥切換于真空管側(cè)打開(kāi)，正壓側(cè)關(guān)斷；負(fù)壓通過(guò)管路、真空閥組到達(dá)吸盤，作用于工件上，達(dá)到吸附工件的目的；需解除工件吸附時(shí)，真空閥關(guān)閉，真空破壞閥切換至真空管側(cè)關(guān)斷，正壓側(cè)打開(kāi)，吸盤與真空管路斷開(kāi)，與正壓管路連接，正壓空氣進(jìn)入吸盤，破壞真空吸附。

2.3 吸附力計(jì)算

根據(jù)上述分析，其單列吸附力為：

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代入公式可得單列吸附力：F1=8 kN。

設(shè)計(jì)時(shí)每塊工件的吸附力為：F=3F1=24 kN。

因此，對(duì)工件的吸附力相當(dāng)于2 400 kg的重物均勻壓在工件上面，使工件在焊接過(guò)程中緊貼在工裝本體上，不會(huì)發(fā)生大于工藝要求的焊接變形。

3 薄壁焊接工藝

3.1 焊接工藝關(guān)鍵點(diǎn)

通過(guò)吸附工裝進(jìn)行焊接時(shí)，需要注意幾個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容：一是吸附順序，按A、B、C順序進(jìn)行吸附，目的是避免工件內(nèi)產(chǎn)生空腔，達(dá)不到理想的吸附力；二是保證工裝本體表面潔凈，工裝使用前確保工裝表面沒(méi)有雜質(zhì)和異物；三是工件拼焊接時(shí)需要留有0.5 mm～1.5 mm的間隙，便于焊縫焊透。

3.2 工藝優(yōu)化措施

由于焊縫處吸力相對(duì)較弱，且焊接過(guò)程中產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此，需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行兩方面的優(yōu)化：一方面是在焊縫處的縱長(zhǎng)方向利用兩個(gè)壓條進(jìn)行壓緊；另一方面是焊接前先進(jìn)行間隔點(diǎn)焊，然后進(jìn)行縱長(zhǎng)縫的焊接。

4 結(jié)論

1)通過(guò)真空吸附技術(shù)應(yīng)用在薄壁焊接領(lǐng)域，用于控制焊接變形，效果非常顯著；

2)通過(guò)設(shè)計(jì)焊接專用吸附工裝,合理布置吸盤位置,實(shí)現(xiàn)了薄壁鋼板、薄壁鋁板等的焊接，提高了裝夾效率和焊接質(zhì)量；

3)可推廣實(shí)現(xiàn)筒體類零件的焊接。

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[2] 王攀鋒，樊兆寶，安紹孔，郝志鋒. 薄壁殼體環(huán)縫焊接矯圓技術(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2011(6)29-31

[3] 管艷飛,袁建峰,米萍萍,楊保杰. 箱體結(jié)構(gòu)焊接變形分析及工藝控制措施[J]. 熱處理技術(shù)與裝備，2010(4)31-33

[4] 牟思惠. 氣體動(dòng)力真空吸附夾緊系統(tǒng)的研究[A]//第一屆全國(guó)流體動(dòng)力及控制工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集：第二卷[C].2000年

[5] 張洪雙，何暉，鄭東陽(yáng)，牛耕. 柔性真空吸附夾具的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(9)252-254

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