引言

鈦合金是一種優(yōu)秀材料，相比傳統(tǒng)材質(zhì)而言，鈦合金焊接件耐候性更好、防腐性更強(qiáng)、磁導(dǎo)率更低、比強(qiáng)度更優(yōu)秀、表面處理費(fèi)用更低、材料利用率更高，所以被廣泛應(yīng)用在化工、醫(yī)療、海洋等行業(yè)，尤其是在環(huán)境需求更苛刻的航空航天業(yè)。

鈦合金化學(xué)活性大，焊接時(shí)容易和空氣中的氧氣和氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物和氫化物，導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能降低；另一方面，鈦合金導(dǎo)熱性差，可焊性較差。焊接時(shí)，容易出現(xiàn)不均勻的粗大晶粒組織，焊完空冷時(shí)，熱應(yīng)力無法及時(shí)釋放，易生成不穩(wěn)定的馬氏相，導(dǎo)致焊件變形嚴(yán)重。因鈦的彈性模量小，當(dāng)發(fā)生大的焊接變形時(shí)，矯正非常困難。目前，鈦合金焊接生產(chǎn)主要停留在小批量生產(chǎn)階段，難以形成規(guī)?；?yīng)。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)焊接的大批量生產(chǎn)。

1、國內(nèi)焊接設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀

目前鈦及鈦合金焊接件加工主要是采取鎢極氬弧焊工藝，其具體步驟為：3人1組，1人負(fù)責(zé)扶工件，1人負(fù)責(zé)手持氬弧焊焊槍進(jìn)行焊接，1人持氬氣拖罩對(duì)工件進(jìn)行氣氛保護(hù)。

傳統(tǒng)鈦及鈦合金焊接工藝成本高、效率低，只適合小批量生產(chǎn)，且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

2、新型焊接加工設(shè)備構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)了一種鈦及鈦合金的焊接加工設(shè)備，其裝配主要包括殼體、焊接工作臺(tái)、焊接機(jī)械手和系統(tǒng)，如圖1所示。

2.1殼體

設(shè)備殼體為蛋殼形，包括相互連接的主殼體和設(shè)于主殼體的其中一封頭位置的隔熱門。

焊接工作臺(tái)和焊接機(jī)械手均設(shè)于殼體內(nèi)，設(shè)備殼體設(shè)有用于向其內(nèi)部輸送惰性氣體的通氣口和出氣口、用于檢測(cè)其內(nèi)部溫度的溫度檢測(cè)裝置、用于檢測(cè)其內(nèi)部氣壓的壓力檢測(cè)裝置和用于采集支撐臺(tái)上工件三維數(shù)據(jù)的3D激光掃描儀。

設(shè)備殼體外形為蛋形密閉壓力容器，為產(chǎn)品焊機(jī)提供恒溫、恒壓的氬氣環(huán)境，可以有效防止工件氧化和焊接熔池異常。

2.2焊接工作臺(tái)

焊接工作臺(tái)包括用于放置工件的支撐臺(tái)和用于帶動(dòng)支撐臺(tái)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)A，如圖2所示。動(dòng)力機(jī)構(gòu)A包括用于帶動(dòng)支撐臺(tái)沿水平ｘ軸方向運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)1和用于帶動(dòng)支撐臺(tái)繞豎直ｚ軸方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)2。

伺服電機(jī)1和導(dǎo)軌安裝于一基座上，通過絲桿螺母組件帶動(dòng)滑臺(tái)沿導(dǎo)軌進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)2安裝于滑臺(tái)的外部，通過變速箱和齒輪帶動(dòng)支撐臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，變速箱和齒輪安裝于滑臺(tái)的內(nèi)部，支撐臺(tái)可轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在滑臺(tái)上。

2.3焊接機(jī)械手

焊接機(jī)械手包括用于對(duì)工件進(jìn)行焊接的焊槍和用于帶動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)B，如圖3所示。

動(dòng)力機(jī)構(gòu)B包括用于帶動(dòng)焊槍沿水平ｙ軸方向運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)3、用于帶動(dòng)焊槍繞水平ｙ軸方向在與工件焊縫呈30°～60°夾角內(nèi)擺動(dòng)的伺服電機(jī)4。

伺服電機(jī)3安裝于一機(jī)架上，通過絲桿螺母組件帶動(dòng)支撐架沿水平導(dǎo)桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)4安裝于支撐架上，帶動(dòng)機(jī)械臂殼體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械臂由固定臂、伺服電機(jī)5、冷卻機(jī)構(gòu)和焊槍等組成，如圖4（A）所示。

伺服電機(jī)5安裝于機(jī)械臂殼體內(nèi)，通過一絲桿螺母組件帶動(dòng)焊槍沿一豎向?qū)U靠近和遠(yuǎn)離支撐臺(tái)。冷卻機(jī)構(gòu)包括向已成型焊縫處吹送冷氬氣的冷卻槍和用于帶動(dòng)冷卻槍圍繞焊槍旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，焊槍和伺服電機(jī)6安裝于同一安裝板上。伺服電機(jī)6帶動(dòng)冷卻槍旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)整冷卻槍相對(duì)焊槍的位置，保證冷卻槍始終對(duì)準(zhǔn)剛焊接完成的焊縫。

焊槍包括筒體、設(shè)于筒體內(nèi)并用于向工件的待成型焊縫處送出焊絲的送絲輥以及設(shè)于筒體內(nèi)并與焊絲導(dǎo)電接觸的導(dǎo)電塊，焊絲作為填充金屬和導(dǎo)電電極，如圖4（B）所示。

2.4系統(tǒng)

系統(tǒng)分為監(jiān)視系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2部分，監(jiān)視系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)視器、壓力監(jiān)視器和3D激光掃描儀組成。溫度監(jiān)視器由溫度傳感器和溫度控制器組成，溫度控制器可以調(diào)節(jié)殼體內(nèi)環(huán)境溫度。

壓力監(jiān)視器由氣壓傳感器和氣壓控制器組成，氣壓控制器可以通過調(diào)節(jié)氬氣的輸入量調(diào)節(jié)殼體內(nèi)氣壓。3D激光掃描儀可采集焊接半成品外形實(shí)際數(shù)據(jù)，并向系統(tǒng)反饋。

控制系統(tǒng)為PLC控制系統(tǒng)，主要控制動(dòng)力機(jī)構(gòu)A和動(dòng)力機(jī)構(gòu)B協(xié)同動(dòng)作以使焊槍靠近和遠(yuǎn)離支撐臺(tái)上工件、使焊槍依次經(jīng)過支撐臺(tái)上工件的各個(gè)焊接位置以及使焊槍與工件焊縫的夾角可調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)控制伺服電機(jī)6帶動(dòng)冷卻槍繞焊槍（中軸線）旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)整冷卻槍相對(duì)焊槍的位置，保證冷卻槍始終對(duì)準(zhǔn)剛焊接完成的焊縫。

控制系統(tǒng)通過監(jiān)視系統(tǒng)控制焊接時(shí)的溫度和環(huán)境氣壓，與此同時(shí)，根據(jù)3D激光掃描儀收集的工件實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的程序進(jìn)行修正。

3、加工工藝

3.1焊接前處理

將下料鈦合金焊接件點(diǎn)焊成焊接半成品，不滿焊，然后打開設(shè)備隔熱門，將工件放到支撐臺(tái)上，保證焊接半成品和支撐臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系。關(guān)閉隔熱門，抽取真空到1×10^-2ｍBAｒ，注入氬氣，保證1～2MPa的壓力；啟動(dòng)3D激光掃描儀，采集焊接半成品外形實(shí)際數(shù)據(jù)，并對(duì)PLC控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行修正，防止空焊、漏焊或者焊槍撞擊工件的事件，完成焊接設(shè)備準(zhǔn)備。

將工件的3D模型導(dǎo)入U(xiǎn)G等加工編程軟件，通過UG軟件將焊接路徑編制為機(jī)器可識(shí)別的G代碼。

將G代碼輸入到設(shè)備中，設(shè)備將G代碼轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC電器型信號(hào)，從而完成工件焊接程序準(zhǔn)備。

3.2焊接過程

啟動(dòng)焊接程序，通過動(dòng)力機(jī)構(gòu)A和動(dòng)力機(jī)構(gòu)B帶動(dòng)支撐臺(tái)和焊槍進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可以控制焊槍走出空間3D曲線，完成對(duì)鈦合金焊接件的3D焊接。焊接過程中，通過控制通入氬氣的流量和溫度保證設(shè)備腔內(nèi)溫度不超過300℃，送絲（焊絲）速度大概在10～15mm/min，按照焊絲直徑和焊接速度，控制電流大小在40～120A，控制焊接速度在40～80mm/min。

3.3焊接后處理

焊接完成后，暫不開啟隔熱門，啟動(dòng)溫度控制裝置，將爐內(nèi)溫度升至400～500℃，保溫1～2ｈ，勻速降溫至100℃后，方可打開隔熱門，取出工件空冷。

通過以上過程，可以有效地完成工件的時(shí)效處理，去除焊接時(shí)工件產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形。

4、設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)

分析與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文設(shè)計(jì)的焊接設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）可以批量生產(chǎn)鈦及鈦合金焊接件，整個(gè)焊接過程自動(dòng)化程度高，降低了對(duì)技能工人的依賴，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成品率高。

2）適合各種形狀、各種厚度的鈦及鈦合金焊接件，可以有效解決行業(yè)內(nèi)薄板焊接的難題。

3）焊接加工時(shí)，可以邊焊接，邊冷卻，工件不會(huì)因焊接時(shí)溫差產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形。焊接后通過溫度調(diào)節(jié)，可以有效去除焊接內(nèi)應(yīng)力，防止焊接件服役時(shí)失效。

4）整個(gè)焊接過程全部在氬氣環(huán)境中進(jìn)行，避免出現(xiàn)氧化皮的同時(shí)，也避免了焊縫中產(chǎn)生氣泡的問題。

5）避免了傳統(tǒng)焊接和熱處理所需的工序轉(zhuǎn)移時(shí)間，生產(chǎn)效率高。

當(dāng)然，本設(shè)備也存在很多不足的地方，比如氬氣消耗量大、電力消耗高等，不過因?yàn)樯a(chǎn)效率的提高和人工成本的降低，對(duì)整個(gè)焊接生產(chǎn)成本影響有限。

5、結(jié)束語

本文提出的全自動(dòng)鈦及鈦合金焊接設(shè)備，自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量高，生產(chǎn)效率高、可以適應(yīng)大批量焊接生產(chǎn)需求，可以有效解決焊異形件、薄板件等行業(yè)難題。

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作者簡(jiǎn)介：

王長(zhǎng)江（1985—），男，江蘇無錫人，本科，工程師，研究方向：鈦及鈦合金制備技術(shù)和設(shè)備。