CN104097019B - 大直径薄壁件激光焊接机夹具 - Google Patents

Abstract

大直径薄壁件激光焊接机夹具，包括支撑定位部分、对缝机构和夹紧机构，支撑定位部分包括固定架和设在固定架上的夹具体，夹具体两端的左右两侧均设有一块用于支撑大直径薄壁件的弧形板，夹具体顶部沿长度方向开设有安装槽，安装槽底部设有垫板，垫板上设有两块垫铁，垫铁上表面为内高外低的斜面，垫铁上表面与水平面的夹角为3°，两块垫铁之间形成一道通气槽，两块垫铁的相同一端分别设有定位块和定位钉，其中一块垫铁上设有与定位钉同一端的吸盘挡块。本发明设计合理、结构简单，解决了大长径比薄壁件激光焊接不易对接的问题，避免在对焊中产生咬边、材料流失和焊接弧坑等问题的出现。

Description

大直径薄壁件激光焊接机夹具

技术领域

本发明涉及一种夹具，特别涉及一种大直径薄壁件激光焊接机夹具。

背景技术

核电是重要的清洁能源之一，多数发达国家已经将核能作为电力的主要能源。核电站的核岛主要由核反应堆、核主泵、蒸汽发生器和稳压器四部分组成。核主泵按结构划分为屏蔽式泵和轴密封式两类。屏蔽式核主泵的定子和转子被包裹在耐腐蚀的屏蔽套内，其主要作用是用来防止转子铜条和定子绕组与反应堆冷却剂接触。屏蔽套分为定子屏蔽套和转子屏蔽套。定子屏蔽套是保护定子的绕组绝缘，转子上的屏蔽套是将转子铜条与系统隔离开来，并减少铜在其他区域出现。屏蔽套材料为耐腐蚀非磁性金属哈氏合金，为了保证电机具有高性能，并尽量减少屏蔽套内的涡流损耗，屏蔽套应越薄越好，同时考虑电机效率和转子刚度要求，应该选择合适的细长比。定子屏蔽套厚度0.381mm，直径600mm，长度2000mm。屏蔽套式典型的大长径比超薄壁高精度部件，屏蔽套与转子装配时必须在10秒内高精度热套完成，加工和装配难度极大。目前没有一套成熟可行的屏蔽套加工设备，完全依靠进口。由于试件为超薄大长径比件，形状特殊，并且激光焊接要求焊接接头的装配精度极高，目前，市场上的激光焊接机均不满足使用要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种对焊不咬边、焊接精度高、节约材料的大直径薄壁件激光焊接机夹具。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：大直径薄壁件激光焊接机夹具，包括支撑定位部分、对缝机构和夹紧机构，支撑定位部分包括固定架和设在固定架上的夹具体，夹具体两端的左右两侧均设有一块用于支撑大直径薄壁件的弧形板，夹具体顶部沿长度方向开设有安装槽，安装槽底部设有垫板，垫板上设有两块垫铁，垫铁上表面为内高外低的斜面，垫铁上表面与水平面的夹角为3°，两块垫铁之间形成一道通气槽，两块垫铁的相同一端分别设有定位块和定位钉，其中一块垫铁上设有与定位钉同一端的吸盘挡块；

对缝机构包括均设在通气槽内的主对缝器和辅助对缝器，主对缝器和辅助对缝器的构造相同，主对缝器和辅助对缝器均包括气缸、精密直线轴承、压板和对缝体，压板和对缝体位于通气槽内并通过螺钉连接，气缸设在固定架上，气缸上端的活塞杆穿过夹具体并与压板下表面连接传动，对缝体两端分别通过一个精密直线轴承与垫板滑动连接，压板和对缝体的侧部分别设有行程挡块，两块垫铁相对侧的侧部分别设有一道与行程挡块配合的行程槽，主对缝器的压板和对缝体之间的上侧设有一块凸出于压板上表面的定位板，垫板上垂直设有导向孔，压板底面设有滑动配合在导向孔内的导向柱；

夹紧机构位于支撑定位部分上方。

所述夹紧机构包括框架和设在框架下方的电磁吸盘架，框架内上部通过上吊环连接有弹簧平衡器，弹簧平衡器下部设有连杆，连杆下端通过下吊环与电磁吸盘架连接，框架底面设有永磁铁，电磁吸盘架上设有电磁吸盘，电磁吸盘架上侧设有一道滑槽，下吊环滑动连接在滑槽内。

采用上述技术方案，夹紧机构设在机架上部，固定架设在机架的平台上，工件设在支撑定位部分上并位于夹紧机构下方，工件为大直径薄壁件，由弧形板支撑。

夹具体为铸造件。夹具体两侧对称的弧形板对工件起支撑作用，使工件定位时有所支撑，容易调整，因而使定位操作容易进行。

垫板是垫铁、主对缝器和辅助对缝器的等定位装置的安装基础。垫板的中面上钻有安装导向孔，导向柱安装在导向孔中，起到为主对缝器与辅助对缝器的定位导向的作用。垫板在每对导向孔的中间开有矩形通孔，用于通过气缸的活塞，以驱动主对缝器和辅助对缝器上下运动。

两块垫铁是具有斜面的铁条，对称安装在垫板上，两条垫铁的斜面作为定位面来保证安装中的参数θ。两条垫铁中间的空隙为通气槽，通气槽的宽度为30mm，既用来保证安装中的参数H，又起到保护气体通路的作用。垫铁在形成通气槽的侧面开有行程槽，其作用是与对缝机构的行程挡块一同限制主对缝器和辅助对缝器的极限位置。主对缝器和辅助对缝器分别与通气槽在尺寸上呈大间隙配合并加油润滑，保证主对缝器和辅助对缝器平滑升降。

对缝机构为成对使用，其中装有定位板的为主对缝器，没有安装定位板的为辅助对缝器，它们均安装在两块垫铁之间的通气槽内，主对缝器与辅助对缝器上均安装有精密直线轴承，导向柱与垫板上的导向孔配合形成直线运动副，由固定安装在固定架下部的气缸驱动实现上下运动，以完成对缝动作。

在焊接接头初始安装时，使焊接接头两侧工件伸出的悬臂长度相同，实现焊接接头对中，满足焊接接头对称安装的安装要求。焊接接头定位，保证焊接接头缝隙的方向与激光头进给的轨迹方向平行度，减小焊接轨迹误差中的系统误差。

辅助对缝器的作用是在主对缝器完成一边的定位并且降下后，在另一边向一定位边靠拢定位时，作为此边的支撑，帮助操作者将待定边准确的与已定位边靠合。

进行工件的定位和夹紧过程为：首先将工件放在夹具体上，启动气缸，升起三组主对缝器与辅助对缝器至上方极限位置。将工件的一边作为基准边铺在定位部分安装有定位钉的一侧的定位面上。调整此侧工件待焊边的位置，使其紧紧靠在主对缝器的定位板上，与待焊边相垂直的一边紧靠在定位钉上，完成了这一侧工件待焊边的初步定位。然后拉下夹紧机构中的两个电磁吸盘于工件的中段附近，启动电磁吸盘使电磁吸盘隔着工件吸紧在垫铁的定位面上，使定位好的工件初步固定。由于工件较大，电磁吸盘较小，并且采用较小的吸力，所以初步固定后仍然可以微调工件待焊边的位置，在确保定位准确后从靠近定位钉侧开始逐一拉下电磁吸盘，采用较大的吸力吸附在工作位置，将工件牢固固定。接下来操控气缸降下主对缝器，然后将工件的另一边拉至另一侧的定位面上，将与待焊边垂直的一边紧靠在定位块上，调整待焊边的位置，使它的下棱边与已定位好的基本边的下棱边靠拢。然后使用基准边固定时同样的方法完成吸紧固定。最后降下辅助对缝器。此时完成焊接接头的初始安装，在通气槽上部形成保护气体通路，为焊接进给做好准备。

气缸是主对缝器和辅助对缝器的驱动器。气缸安装在固定架上，气缸的活塞均对准主对缝器和辅助对缝器底部中间。根据工艺动作的需求，气缸的活塞向上运动，驱动主对缝器和辅助对缝器向上升起。气缸的活塞向下运动时，主对缝器和辅助对缝器由于重力而降下。

定位钉、定位块均安装在垫铁上，作用是消除工件的自由度，使工件定位。吸盘挡块则用来确定电磁吸盘的吸附位置。

主对缝器和辅助对缝器是本发明中唯一可以运动的部件。其中，主对缝器和辅助对缝器的结构完全类似。为保证精度，主对缝器和辅助对缝器采用分体式结构。

对缝体是对缝器的主体，它的精度决定着对缝器的对缝精度。在对缝体与垫板之间安装有精密直线轴承，与在垫板上安装的导向柱形成直线运动副，保证对缝器实现高精度的上下移动，从而保证重复定位精度。压板通过螺钉嵌入安装在对缝器体侧部上的方槽内，压板上方有缺口，安装后使对缝器的上方形成一个槽，该槽用以安装定位板。压块上的缺口部分钻有紧定螺钉的通孔，用以安装紧定螺钉以固定定位板。定位板是一块140×10×5mm的矩形板，定位板放置并通过螺钉固定在对缝器上的槽中，保证了定位板工作面处于对缝器的中面，也即处于通气槽的中面。行程挡块安装在主对缝器的两侧，装配完成后，行程挡块嵌入在垫铁的行程槽内。当主对缝器升起至行程挡块与行程槽的顶面接触时，主对缝器保持在上方极限位置并可承受一定的向下压力。辅助对缝器可以做成整体结构，其余结构与主对缝器完全类似。

夹紧机构与定位支撑部分分开设计，夹紧机构设在机架上。在工件定位好需要夹紧固定时再拉下，置于固定位置并通电激励夹紧工件。夹紧机构的总体结构比较简单，弹簧平衡器是执行电磁吸盘悬吊、拉伸、缩回的执行器。弹簧平衡器上方的上吊环与框架连接。电磁吸盘架用于安装电磁吸盘，电磁吸盘通过螺钉固定在电磁吸盘架上，电磁吸盘架上安装有下吊环，下吊环与弹簧平衡器的钢丝绳端通过连杆连接，将电磁吸盘悬吊在弹簧平衡器的钢丝绳端。电磁吸盘架上方开有滑槽，下吊环可以在滑槽中滑动。当吸盘完成夹紧动作后，将下吊环滑动至滑槽的最外侧，以免钢丝绳索与焊接进给系统中的吊架相互干涉。

本发明保证在焊接过程中焊接接头部分工件满足局部变形对焊缝的要求。为保证以上要求，本发明设计了一对称安装的垫铁作为定位面，两定位面与水平面之间的夹角θ=3°，两定位面之间留出通气槽。使基准边的一侧的工件紧贴在定位面上，定位面消除基准边的三个自由度。在定位面上设计定位钉，使工件上与待焊边垂直的一边靠在定位钉上，定位钉消除工件的一个自由度。采用主对缝器和辅助对缝器，并在主对缝器上安装定位板，定位板的工作面在通气槽的中面上。使工件的基准边的下棱边靠在定位板上。定位板与基准边是线面接触，消除了基准边剩余来的两个自由度。

综上所述，本发明设计合理、结构简单，解决了大长径比薄壁件激光焊接不易对接的问题，避免在对焊中产生咬边、材料流失和焊接弧坑等问题的出现。本发明保证待焊缝与激光进给轨迹的相对轨迹误差在所要求的误差范围内。

本发明可以填补目前市场上缺乏超薄大长度工件纵向焊缝夹具的空白。同时也为克服制造主泵屏蔽套难点提出了新的方法。本发明对激光焊接机的夹具进行了详细的设计发明。在夹定位部分中，设计了主对缝器与辅助对缝器，它们可以根据工艺动作的需要升起与降落，是可以移动的定位基准。在夹具装置的设计中使用了弹簧平衡器作为电磁吸盘的悬挂装置，弹簧平衡器抵消了电磁吸盘的重力，实现了夹紧过程中的无重力操作，使得装夹过程轻松方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中主对缝器的结构示意图；

图3是图2中A-A剖视图；

图4是本发明中夹紧机构的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的大直径薄壁件激光焊接机夹具，包括支撑定位部分、对缝机构和夹紧机构，支撑定位部分包括固定架1和设在固定架1上的夹具体2，夹具体2两端的左右两侧均设有一块用于支撑大直径薄壁件的弧形板3，夹具体2顶部沿长度方向开设有安装槽，安装槽底部设有垫板4，垫板4上设有两块垫铁5，垫铁5上表面为内高外低的斜面，垫铁5上表面与水平面的夹角为3°，两块垫铁5之间形成一道通气槽6，两块垫铁5的相同一端分别设有定位块7和定位钉8，其中一块垫铁5上设有与定位钉8同一端的吸盘挡块9。

对缝机构包括均设在通气槽6内的主对缝器26和辅助对缝器27，主对缝器26和辅助对缝器27的构造相同，主对缝器26和辅助对缝器27均包括气缸10、精密直线轴承11、压板12和对缝体13，压板12和对缝体13位于通气槽6内并通过螺钉连接，气缸10设在固定架1上，气缸10上端的活塞杆穿过夹具体2并与压板12下表面连接传动，对缝体13两端分别通过一个精密直线轴承11与垫板4滑动连接，压板12和对缝体13的侧部分别设有行程挡块14，两块垫铁5相对侧的侧部分别设有一道与行程挡块14配合的行程槽，主对缝器26的压板12和对缝体13之间的上侧设有一块凸出于压板12上表面的定位板15，垫板4上垂直设有导向孔，压板12底面设有滑动配合在导向孔内的导向柱16。主对缝器26和辅助对缝器27的区别在于主对缝器26安装有定位板15，辅助对缝器27无定位板15。

夹紧机构位于支撑定位部分上方。

夹紧机构包括框架17和设在框架17下方的电磁吸盘架18，框架17内上部通过上吊环19连接有弹簧平衡器20，弹簧平衡器20下部设有连杆21，连杆21下端通过下吊环22与电磁吸盘架18连接，框架17底面设有永磁铁23，电磁吸盘架18上设有电磁吸盘24，电磁吸盘架18上侧设有一道滑槽28，下吊环22滑动连接在滑槽28内。图1中的夹紧机构仅仅保留了电磁吸盘架18和电磁吸盘24。

夹紧机构设在机架上部，固定架1设在机架的平台上，工件25设在支撑定位部分上并位于夹紧机构下方，工件25为矩形板材经卷筒后进行纵缝对焊，由弧形板3支撑。

夹具体2为铸造件。夹具体2两侧对称的弧形板3对工件25起支撑作用，使工件25定位时有所支撑，容易调整，因而使定位操作容易进行。

垫板4是垫铁5、主对缝器26和辅助对缝器27的等定位装置的安装基础。垫板4的中面上钻有安装导向孔，导向柱16安装在导向孔中，为主对缝器26与辅助对缝器27起定位导向的作用。垫板4在每对导向孔的中间开有矩形通孔，用于通过气缸10的活塞，以驱动主对缝器26和辅助对缝器27上下运动。

两块垫铁5是具有斜面的铁条，对称安装在垫板4上，两条垫铁5的斜面作为定位面来保证安装中的参数θ。两条垫铁5中间的空隙为通气槽6，通气槽6的宽度为30mm，既用来保证安装中的参数H，又起到保护气体通路的作用。垫铁5在形成通气槽6的侧面开有行程槽，其作用是与对缝机构的行程挡块14一同限制主对缝器26和辅助对缝器27的极限位置。主对缝器26和辅助对缝器27分别与通气槽6在尺寸上呈大间隙配合并加油润滑，保证主对缝器26和辅助对缝器27平滑升降。

对缝机构为成对使用，其中装有定位板15的为主对缝器26，没有安装定位板15的为辅助对缝器27，它们均安装在两块垫铁5之间的通气槽6内，主对缝器26与辅助对缝器27上均安装有精密直线轴承11，导向柱16与垫板4上的导向孔配合形成直线运动副，由固定安装在固定架1下部的气缸10驱动实现上下运动，以完成对缝动作。

在焊接接头初始安装时，使焊接接头两侧工件25伸出的悬臂长度相同，实现焊接接头对中，满足焊接接头对称安装的安装要求。焊接接头定位，保证焊接接头缝隙的方向与激光头进给的轨迹方向平行度，减小焊接轨迹误差中的系统误差。

辅助对缝器27的作用是在主对缝器26完成一边的定位并且降下后，在另一边向一定位边靠拢定位时，作为此边的支撑，帮助操作者将待定边准确的与已定位边靠合。

进行工件25的定位和夹紧过程为：首先将工件25放在夹具体2上，启动气缸10，升起三组主对缝器26与辅助对缝器27至上方极限位置。将工件25的一边作为基准边铺在定位部分安装有定位钉8的一侧的定位面上。调整此侧工件25待焊边的位置，使其紧紧靠在主对缝器26的定位板15上，与待焊边相垂直的一边紧靠在定位钉8上，完成了这一侧工件25待焊边的初步定位。然后拉下夹紧机构中的两个电磁吸盘24于工件25的中段附近，启动电磁吸盘24使电磁吸盘24隔着工件25吸紧在垫铁5的定位面上，使定位好的工件25初步固定。由于工件25较大，电磁吸盘24较小，并且采用较小的吸力，所以初步固定后仍然可以微调工件25待焊边的位置，在确保定位准确后从靠近定位钉8侧开始逐一拉下电磁吸盘24，采用较大的吸力吸附在工作位置，将工件25牢固固定。接下来操控气缸10降下主对缝器26，然后将工件25的另一边拉至另一侧的定位面上，将与待焊边垂直的一边紧靠在定位块7上，调整待焊边的位置，使它的下棱边与已定位好的基本边的下棱边靠拢。然后使用基准边固定时同样的方法完成吸紧固定。最后降下辅助对缝器27。此时完成焊接接头的初始安装，在通气槽6上部形成保护气体通路，为焊接进给做好准备。

气缸10是主对缝器26和辅助对缝器27的驱动器。气缸10安装在固定架1上，气缸10的活塞均对准主对缝器26和辅助对缝器27底部中间。根据工艺动作的需求，气缸10的活塞向上运动，驱动主对缝器26和辅助对缝器27向上升起。气缸10的活塞向下运动时，主对缝器26和辅助对缝器27由于重力而降下。

定位钉8、定位块7均安装在垫铁5上，作用是消除工件25的自由度，使工件25定位。吸盘挡块9则用来确定电磁吸盘24的吸附位置。

主对缝器26和辅助对缝器27是本发明中唯一可以运动的部件。其中，主对缝器26和辅助对缝器27的结构完全类似。为保证精度，主对缝器26和辅助对缝器27采用分体式结构。

对缝体13是对缝器的主体，它的精度决定着对缝器的对缝精度。在对缝体13与垫板4之间安装有精密直线轴承11，与在垫板4上安装的导向柱16形成直线运动副，保证对缝器实现高精度的上下移动，从而保证重复定位精度。压板12通过螺钉嵌入安装在对缝器体侧部上的方槽内，压板12上方有缺口，安装后使对缝器的上方形成一个槽，该槽用以安装定位板15。压块上的缺口部分钻有紧定螺钉的通孔，用以安装紧定螺钉以固定定位板15。定位板15是一块140×10×5mm的矩形板，定位板15放置并通过螺钉固定在对缝器上的槽中，保证了定位板15工作面处于对缝器的中面，也即处于通气槽6的中面。行程挡块14安装在主对缝器26的两侧，装配完成后，行程挡块14嵌入在垫铁5的行程槽内。当主对缝器26升起至行程挡块14与行程槽的顶面接触时，主对缝器26保持在上方极限位置并可承受一定的向下压力。辅助对缝器27可以做成整体结构，其余结构与主对缝器26完全类似。

夹紧机构与定位支撑部分分开设计，夹紧机构设在机架上。在工件25定位好需要夹紧固定时再拉下，置于固定位置并通电激励夹紧工件25。夹紧机构的总体结构比较简单，弹簧平衡器20是执行电磁吸盘24悬吊、拉伸、缩回的执行器。弹簧平衡器20上方的上吊环19与框架17连接。电磁吸盘架18用于安装电磁吸盘24，电磁吸盘24通过螺钉固定在电磁吸盘架18上，电磁吸盘架18上安装有下吊环22，下吊环22与弹簧平衡器20的钢丝绳端通过连杆21连接，将电磁吸盘24悬吊在弹簧平衡器20的钢丝绳端。电磁吸盘架18上方开有滑槽28，下吊环22可以在滑槽28中滑动。当吸盘完成夹紧动作后，将下吊环22滑动至滑槽28的最外侧，以免钢丝绳索与焊接进给系统中的吊架相互干涉。

本发明保证在焊接过程中焊接接头部分工件25满足局部变形对焊缝的要求。为保证以上要求，本发明设计了一对称安装的垫铁5作为定位面，两定位面与水平面之间的夹角θ=3°，两定位面之间留出通气槽6。使基准边的一侧的工件25紧贴在定位面上，定位面消除基准边的三个自由度。在定位面上设计定位钉8，使工件25上与待焊边垂直的一边靠在定位钉8上，定位钉8消除工件25的一个自由度。采用主对缝器26和辅助对缝器27，并在主对缝器26上安装定位板15，定位板15的工作面在通气槽6的中面上。使工件25的基准边的下棱边靠在定位板15上。定位板15与基准边是线面接触，消除了基准边剩余来的两个自由度。

上述实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.大直径薄壁件激光焊接机夹具，其特征在于：包括支撑定位部分、对缝机构和夹紧机构，支撑定位部分包括固定架和设在固定架上的夹具体，夹具体两端的左右两侧均设有一块用于支撑大直径薄壁件的弧形板，夹具体顶部沿长度方向开设有安装槽，安装槽底部设有垫板，垫板上设有两块垫铁，垫铁上表面为内高外低的斜面，垫铁上表面与水平面的夹角为3°，两块垫铁之间形成一道通气槽，两块垫铁的相同一端分别设有定位块和定位钉，其中一块垫铁上设有与定位钉同一端的吸盘挡块；

对缝机构包括均设在通气槽内的主对缝器和辅助对缝器，主对缝器和辅助对缝器的构造相同，主对缝器和辅助对缝器均包括气缸、精密直线轴承、压板和对缝体，压板和对缝体位于通气槽内并通过螺钉连接，气缸设在固定架上，气缸上端的活塞杆穿过夹具体并与压板下表面连接传动，对缝体两端分别通过一个精密直线轴承与垫板滑动连接，压板和对缝体的侧部分别设有行程挡块，两块垫铁相对侧的侧部分别设有一道与行程挡块配合的行程槽，主对缝器的压板和对缝体之间的上侧设有一块凸出于压板上表面的定位板，垫板上垂直设有导向孔，压板底面设有滑动配合在导向孔内的导向柱；

夹紧机构位于支撑定位部分上方；

所述夹紧机构包括框架和设在框架下方的电磁吸盘架，框架内上部通过上吊环连接有弹簧平衡器，弹簧平衡器下部设有连杆，连杆下端通过下吊环与电磁吸盘架连接，框架底面设有永磁铁，电磁吸盘架上设有电磁吸盘，电磁吸盘架上侧设有一道滑槽，下吊环滑动连接在滑槽内。