托布輪滑機構焊接成形工藝優化*

顏科紅

(無錫科技職業學院制造技術系，江蘇 無錫 214028 )

托布輪滑機構焊接成形工藝優化*

顏科紅

(無錫科技職業學院制造技術系，江蘇 無錫 214028 )

針對托布輪滑機構焊接變形問題，分析焊接變形缺陷成因；根據托布輪滑機構裝配尺寸精度要求，基于工業機器人自動焊接設備，采用“一體式”焊接夾具裝夾，優化焊接成形工藝，進行托布輪滑機構焊接制作。經實踐驗證，“一體式”焊接夾具結構穩定可靠，焊接成形工藝合理，有效解決焊接變形問題，滿足托布輪滑機構安裝工藝要求，具有一定實用價值。

托布輪滑機構；工業機器人；焊接夾具；焊接變形

托布輪滑機構是拉幅定形機上用于將布料夾緊在機架導軌上進行烘干定形的機構[1]。其在機器兩側左右對稱布置，為了保證布料沿著導軌喂布時兩邊受力均勻，不致使布料產生褶皺，因此對托布輪滑機構的位置精度提出了很高的要求[2]。某公司生產的拉幅定型機，其托布輪滑機構采用1Cr19Ni9Ti材料焊接而成。現有的焊接工藝使機構產生嚴重的焊接變形，無法達到規定的精度要求。實際生產中，只能通過調整機器上其他多個部件的相互位置的方法，進行裝配，需要耗費大量時間和精力。為了解決焊接變形而導致機器裝配過程中整形修正的時間過長的問題，因此，有必要對托布輪滑機構成型和焊接工藝進行改進。

1 托布輪滑機構裝配精度要求

圖1為托布輪滑機構的裝配結構圖。整個機構由定位板1、滑板2、支板3、連接板4四個零件組成，厚度均為5 mm，材料為1Cr19Ni9Ti不銹鋼。焊接時除保證外形尺寸外，還要保證3孔之間的距離審查尺寸。另外，件1定位板和件3支板的兩側面有0.04 mm平行度的要求，位置精度很高。因此，焊接時必須采用專用夾具進行裝夾以保證這些精度要求。

2 原有焊接工藝及存在問題

原有焊接夾具及工件在夾具中的位置如圖2所示。焊接過程分為兩步：步驟1為將件1定位板、件3支板和件4連接架放于圖2所示的夾具中，并利用零件上已有孔進行定位裝夾，然后將3個零件焊接起來；步驟2為將機構從夾具中取出，采用點焊將件2滑板焊接上去。

這種焊接工藝存在的問題是：(1)連接架4沒有定位和裝夾，其他兩個零件在夾具中也沒有完全定位和裝夾，由于焊接時發熱量大，導致零件焊接變形嚴重，保證不了圖紙要求的精度。(2)拆下工件時，由于制件產生焊接變形，導致插在孔內的定位銷不易退出，操作很不方便，且定位銷容易誤傷手，作業過程變得復雜。(3)所設計的夾具只能用于件1、3、4的焊接，且操作空間狹小，如圖2虛線所示的支板和連接架焊接位置，需要通過人工轉動夾具才能完成，同時滑板2的焊接主要靠人工夾持工件焊接，既危險又無精度可言。(4)采用該種焊接方法對工人的技能要求很高，并且不同工人焊接質量也不同，焊接質量無法保證。

3 “一體式”焊接夾具結構設計

針對原有焊接夾具存在的問題，考慮到預留焊槍焊接空間問題，整個焊接過程仍然分兩步進行，筆者設計了一種全新的“一體式”焊接夾具，如圖3所示。該夾具主要由一個底座、3塊擋板和兩根限位銷組成。為減小夾具體積，采用螺釘、螺栓連接鎖緊。底座6有兩個完全和連接架內表面貼合的斜面，用于對連接架定位；同時鉆有3個通孔，左右分別加工出深20 mm的螺紋，用于采用螺釘連接將小擋板1、大擋板2和底座6進行整體連接，同時將托布機構上的定位板、連接架和支板進行固定。前擋板上的限位銷3用于對支板完全定位。為了保證托布輪滑機構上3孔的距離審查尺寸，因此直接利用這3個孔進行定位，步驟1托布輪滑機構在夾具中的裝配位置如圖4所示。

在進行步驟2滑板的焊接時，首先將大擋板2和限位銷3拆下，然后利用限位銷4將滑板2定位壓緊，進行雙面點焊，如圖5所示。相比之前滑板焊接時無夾具保證的情況，采用“一體式”焊接夾具進行焊接，可以保證步驟1和步驟2的基準統一，且操作更容易，精度更容易保證。

本夾具設計時考慮到托布輪滑機構在拉幅定型機上左右對稱布置，因此在焊接另一件對稱件時，只需將小擋板1和大擋板2左右交換裝配，即可滿足對稱件焊接的裝夾要求，并不需準備兩套夾具，適應性很好。

采用“一體式”焊接夾具對整個托布輪滑機構進行焊接可以有效控制工件的焊接變形。這是因為該夾具對工件進行了完全定位和夾緊，并且采用的是大面積接觸夾緊的方法，相比原先直接的螺釘鎖緊，夾緊力更靠近焊縫且更均勻，因此這種剛性固定，有利于焊接變形得到有效控制。

4 優化托布輪滑機構焊接成形工藝

隨著工業機器人技術的研究、發展及應用，焊接機器人作為先進的智能焊接設備，在高質、高效的焊接生產中發揮了極其重要的作用，推動著焊接行業跨入一個新的時代[3-5]。對焊縫形狀較復雜、中、小批量產品的生產，焊接機器人尤其適合[6]。其在提高焊接質量和生產效率以及產品穩定性方面具有無可替代的優勢，并能很大程度上改善勞動條件，因而應用越來越廣泛[7]。托布輪滑機構需要焊接的區域焊縫形狀為曲線，擬采用川崎E系列電弧焊機器人進行焊接。

圖6為采用機器人焊接托布輪滑機構，為了保證托布輪滑機構的支架和定位板的平行度位置精度要求，除采用文中設計的“一體式”夾具進行裝夾外，在焊接工藝上也進行了優化。首先每隔30 mm將連接架和定位板、支板三者采用點焊的方式連接起來，然后再采用小電流快速焊接的方式將工件焊接起來，這樣做的優點是可以使焊接時夾具和工件受力更均勻，不至由于先焊接某側而在焊縫收縮時產生傾向于單側的拉伸應力；小電流快速焊接的方式能最大程度地減少焊接區溫度上升過高，從而減小焊接時產生的變形量[8]。焊接完成后并不立即松開夾具，而是讓工件自然冷卻后再將其取出。考慮到不銹鋼消除應力處理的溫度范圍為500～600 ℃,這同時也是不銹鋼的敏化溫度區，并且通常接頭各區在焊后具有良好的塑性和韌性[9]，因此對托布輪滑機構不進行去應力退火處理。

圖7為采用新舊兩種焊接工藝下以定位板為基準測得的定位板焊接變形量誤差對比圖。可以看出在原焊接工藝下工件變形嚴重，平行度根本不能達到精度要求，采用優化后的焊接工藝進行焊接時，平行度能滿足精度要求。

優化后的焊接工藝能夠使產品達到圖紙精度要求，原因主要有兩方面：(1)相比手工焊，焊接機器人能夠平穩地控制焊槍的運行，焊接速度均勻，焊接質量更高且不受工人技術水平高低的影響。(2)焊接夾具可以控制和減小產品焊接時的殘余塑性應變，在冷卻過程中夾具對焊縫附近的塑性變形區的收縮可減小殘余塑性應變，由于優化后的焊接夾具定位更準確，且連接架與基座完全貼合，剛性更好，對焊縫附近區域的約束更強烈，因而冷卻時的塑性拉伸作用越大，控制焊接變形效果更好。

5 結語

本文通過對原有托布輪滑機構焊接工藝進行分析，找出工件不能達到精度的具體原因。針對焊接變形嚴重的情況，設計制造出剛性好、穩定可靠、操作方便的“一體式”焊接夾具，并改用工業機器人自動焊接設備代替人工焊接，有效控制了焊接變形，使焊后托布輪滑機構組件尺寸及幾何公差均達到圖樣要求。

[1]盛慧英.染整機械[M]．北京:中國紡織出版社，2004.

[2]董曉嶺，劉洋，周光偉.一種用于印刷機械的托布裝置及其工作方法：中國，101830106[P].2010-09-15.

[3]Sikstrom F, Ericsson M, Christiansson A K,et al. Tools for simulation based fixture design to reduce deformation in advanced fusion welding[J]. Intelligent Robotics and Applications,2008,5315:398-407.

[4]林尚揚, 陳本善.焊接機器人及其應用[M].北京:機械工業出版社,2000.

[5]陳國梁.焊接機器人在車輛減振器焊接中的應用[J].機械設計與制造,2010(11):30-40.

[6]張正兵, 李曉娜.機器人在焊接中的應用[J].電焊機，2008，38(6)：44-47.

[7]中國焊接協會成套設備與專用機具分會,中國機械工程學會焊接學會機器人與自動化專業委員會.焊接機器人實用手冊[M]．北京:機械工業出版社,2014.

[8]孫愛萍，郝國榮，杜彩坤,等. 焊接工藝對09Mn2VD鋼管低溫韌性的影響[J]. 熱加工工藝，2013(9)：196-197.

[9]王璐.奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊接工藝[J].農機使用與維修,2008(4):16-17.

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Welding process optimization for fabric roller parts

YAN Kehong

(Mechatronics Engineering Department, Wuxi College of Science and Technology, Wuxi 214028, CHN)

The causes of the deformation defects were analyzed aiming at the deformation problem for welding of fabric roller parts. Considering the high assembly accuracy of fabric roller parts, it was fabricated with adopting an “integrated” welding fixture and optimizing welding process, based on industrial robot automatic welding equipment. It was proved by practice that the new “integrated” welding fixture structure is stable and reliable, and the weld forming process is reasonable, which leads to good effect and less deformation and can meet the manufacturing requirement for fabric roller parts. It can give some reference for the welding fixture design of similar products.

fabric roller parts; industrial robot; welding fixture; welding deformation

TG457.22

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.024

顏科紅，女，1980年生，工學碩士，講師，數控教研室主任，研究方向為機械制造及自動化。

(編輯 孫德茂)

2016-05-03)

160929

*無錫市智能制造名師工作室專項資金(錫教高職[2015]38號)