薄壁圓管精密激光焊接夾具設計與分析*

閆 勃 郭永環 范希營 曹艷麗 趙瑾玥

(江蘇師范大學機電工程學院，江蘇 徐州 221116)

隨著工業技術的發展，傳統焊接技術已不能適應制造業的高精尖發展趨勢。激光焊接憑借其精度較高、可控性強、能量密度高、熱影響區以及焊后變形小等優勢，在航空航天、精密機械、汽車工業及生物醫療等領域得到較為廣泛的應用[1-3]。在航空航天領域，固體火箭發動機的殼體是典型的大長徑比薄壁筒體結構，目前多采用對接激光精密焊接的方式對多節筒體進行加工制造，成為國內外航天研究機構的研究熱點[4]。現有的激光焊接工裝夾具多用于焊接板材，而針對薄壁圓管的激光焊接工裝夾具較少[5-7]。為了便于拆卸，夾具一般設置在需焊接圓管工件的外部，利用卡盤裝夾，再調整軸向位移完成對接；由于卡盤卡爪的夾持面有限，因此容易導致薄壁圓管外壁因局部受卡爪壓力而內縮變形，不僅定位精度不高、易損傷外壁表面，而且無法減小激光焊接后產生的變形。另外，對于需多節圓管進行對接激光焊接的大長徑比薄壁圓管結構工件，傳統的夾具通常需多次裝夾，無法通過一次裝夾定位完成所有多節圓管的對接焊接，而多次裝夾無法滿足如固體火箭發動機殼體等此類有嚴格同軸度要求的大長徑比薄壁圓管結構工件激光焊接工藝要求。

1 薄壁圓管激光焊接的工藝要求

由于薄壁圓管結構工件采用激光焊接工藝時，要求對接拼縫具有較高的精度，通常需要將徑向跳動控制在0.05 mm以內，且激光焊接無法采用跟蹤裝置來達到實時定位的目的，因此需進行一次裝夾，以保證同軸度的拼接定位穩定。現有的激光焊接夾具難以根據不同長度和直徑的薄壁圓管進行調節夾持進而實現精密加工，造成焊接工藝的生產效率降低，經濟成本升高。激光焊接薄壁圓管工件時，工件會發生局部加熱和快速冷卻，導致焊接后的工件中產生殘余應力和局部變形[8-10]。針對上述問題，設計的本夾具能夠在便于激光焊接的前提下，僅通過一次裝夾定位，即可完成所有多節圓管的對接焊接，滿足較高的定位精度，減小焊后圓管的殘余應力和軸向變形，特別適用于如固體火箭發動機殼體等此類同軸度有嚴格要求的大長徑比薄壁圓管結構工件的激光焊接工序。

2 夾具的設計

2.1 夾具的主要結構

如圖1所示為本薄壁圓管精密激光焊接組合夾具結構簡圖。本夾具包括支撐主軸、后定位盤、前定位板、徑向定位夾緊裝置總成和軸向調節裝置。

支撐主軸1的后端軸向定位安裝在圓盤結構的后定位盤的軸心位置、且支撐主軸1與后定位盤3滾動配合安裝；徑向定位夾緊裝置總成安裝在后定位盤3與前定位板17之間的支撐主軸上，包括至少兩套前后間隔設置的徑向定位夾緊裝置13和定位設置在相鄰兩套徑向定位夾緊裝置之間的中隔套12；將軸向調節裝置安裝在徑向定位夾緊裝置總成的前后兩端。

2.2 夾具設計的主要創新點

本夾具設計主要創新點如下：

(1)裝夾長度可調

根據薄壁圓管的長度不同，調節夾具軸向長短。目前設計了兩種機構可以實現此軸向調節，如圖1a所示的軸向調節裝置是空心伸縮液壓缸結構，分別設置為多件、且多件后軸向調節伸縮缸和前軸向調節伸縮缸相對于支撐主軸1中心對稱設置；支撐主軸1的后端穿入后軸向調節伸縮缸的中心孔內、且支撐主軸1的后端與后軸向調節伸縮缸的缸體端軸向定位安裝連接，前軸向調節伸縮缸的缸體同軸固定安裝在軸向壓緊法蘭套筒14內，且支撐主軸1的前端穿入前軸向調節伸縮缸的中心孔內。設計的另一種軸向調節裝置是如圖2所示的螺紋連接結構；后軸向調節機構包括同軸固定安裝在后定位盤上的后外螺紋軸套和配合安裝在后外螺紋軸套上的后內螺紋軸套；軸向壓緊法蘭套筒的小徑段外表面上設有外螺紋，前軸向調節機構包括與軸向壓緊法蘭套筒的小徑段外螺紋配合的前內螺紋軸套。軸向調節裝置可使兩徑向定位夾緊裝置緊靠中隔套，保證待焊接的薄壁圓管工件對接焊縫位于中隔套的外側，實現夾具可根據薄壁圓管工件的長短調節的功能。

(2)裝夾直徑可變

根據薄壁圓管工件的直徑不同，調節夾具撐緊圓管。如圖1～4所示，設計的徑向定位夾緊裝置13包括后端面螺紋夾持盤6、徑向導向軸7、前端面螺紋夾持盤11、徑向伸縮卡爪8和卡爪定位伸縮導向盤9。徑向伸縮卡爪設置為3個，相對于支撐主軸中心均勻對稱設置，且徑向伸縮卡爪的前后兩端面分別設有與后端面螺紋夾持盤和前端面螺紋夾持盤的螺旋端面螺紋卡接配合的牙型結構。轉動旋轉把手16即可通過軸上的軸向滑移導向結構5帶動螺紋夾持盤6與11，通過牙型結構即可實現徑向伸縮卡爪8沿徑向伸縮導向通道對工件的夾緊與放松，從而實現根據工件的直徑大小調節夾具撐緊工件的功能。

(3)工件的裝夾與退出省時

實現薄壁圓管工件的快速裝夾與退出，限制焊接后工件的軸向變形。前定位板17的板面上設有沿前后方向貫穿前定位板17的U形通槽結構、并且U形通槽結構與軸向壓緊法蘭套筒14的小徑段尺寸配合。放松右側螺母，即可放松壓緊定位裝置，取下前定位板17便可實現工件的快速退出；反之，即可實現工件的快速裝夾。

(4)夾具損壞可防

有效解決焊透圓管造成的工裝夾具損壞問題。在焊接過程中，若出現因焊接的停留時間過長或功率過大，導致圓管被焊穿，容易將圓管與夾具焊接到一起。因此在兩個徑向定位夾緊裝置13間設計了中軸套12。即使薄壁圓管被焊透，落下熔滴，也不會損壞中心軸，不會對夾具的整體結構造成損壞，有效解決焊透圓管造成的工裝夾具損壞問題。

3 具體工作方式

使用本大直徑薄壁圓管精密激光焊接組合夾具對同軸度有嚴格要求的薄壁圓管工件18進行對接激光焊接時，以只有一個具有旋轉動力裝置的動力卡盤4的激光焊接機為例，如圖1a所示，先將組合夾具整體通過后定位盤3夾持定位在動力卡盤4的卡爪上進行同軸找正；再通過頂尖支撐主軸1的前端，以保證其同軸度的準確性，待鎖緊動力卡盤4后，撤除即可；然后根據薄壁圓管結構工件18的前后長度調整軸向調節裝置、使徑向定位夾緊裝置總成整體在支撐主軸1上前后移動并使薄壁圓管結構工件18的對接縫位置位于中隔套12的外側，根據工件的內徑尺寸控制旋轉把手16正向或反向旋轉使支撐主軸1通過軸向滑移導向結構5帶動兩端面螺紋夾持盤6和11，同步相對于卡爪定位伸縮導向盤9正向旋轉，徑向伸縮卡爪8即通過牙型結構沿徑向伸縮導向通道伸出；拆除前定位板17，將兩件需對接激光焊接的薄壁圓管結構工件18依次自支撐主軸1的前端套入后重新安裝前定位板17，然后通過調節壓緊定位結構，利用軸向壓緊法蘭套筒14將前定位板17壓接在薄壁圓管結構工件18上、并將其推送壓接在后定位盤3的板面上，控制旋轉把手16旋轉使徑向伸縮卡爪8沿徑向伸縮導向通道伸出并通過弧形頂面頂靠在薄壁圓管結構工件18的內壁上后，鎖緊壓緊定位結構和旋轉把手16，即完成需對接激光焊接的薄壁圓管結構工件18的穩固徑向及軸向定位，重新安裝頂尖進行定位支撐后啟動激光焊接機進行對接激光焊接即可。完成激光對縫焊接后，

可先松開壓緊定位結構、并將前定位板17拆除，再控制旋轉把手16反向旋轉，使徑向伸縮卡爪8沿徑向伸縮導向通道縮入，即可將薄壁圓管結構工件18整體取出。

4 結語

(1)針對現有夾具難以夾持不同長度和直徑的圓管工件，設計了新型的徑向夾緊和軸向調節機構，即徑向伸縮卡爪與前后軸向調節機構，在保證裝夾精度的同時，有效提高了夾具的通用性，為夾具結構設計提供了參考。

(2)夾具使用的軸向滑移導向結構，實現了對接圓管工件的一次裝夾定位，并具有較高的定位精度。為實現薄壁圓管工件的快速裝夾與退出，設計使用的U形通槽結構，不僅限制了工件的軸向變形，也提高了工件的裝夾效率。

(3)合理的結構設計可以減小工件的焊接變形，這使得焊接后的薄壁圓管工件具有較高的同軸度和合理的焊后尺寸，同時有助于實現自動化焊接。