CN104607798A - 一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装及方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，具有承力框架，装夹机构和预热焊接系统；承力框架包括立柱，立柱上设有上支撑板，中支撑板和下支撑板；装夹机构包括安装在上支撑板下方的夹紧气缸，与夹紧气缸可拆式连接的定位套，定位套的内径与细空心杆的外径相匹配，定位套的内部设有辅助旋转的钢球，定位套的下方设有与定位套同轴线的空心定位件，空心定位件的外径与粗空心杆的内径相匹配并通过止推轴承设置在中支撑板上，空心定位件的下方设有与其轴连接的伺服电机；预热焊接系统包括电磁感应加热器，激光焊接器和温度传感器。该焊接工装和方法具有预热和焊接过程联动的优点，提高工件焊接自动化程度和工作效率，简化工件制造工艺。

Description

一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装及方法

技术领域

本发明创造涉及一种焊接工装，特别是一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装。

背景技术

空心结构可以减少工件的自重并实现轻量化，因此空心阶梯杆广泛应用于轴类、杆类的机械装置中，但是空心阶梯杆的结构复杂，其阶梯杆间的焊接可以采用激光焊接。而对于材质为中碳钢的工件，其在常温下可焊性较差，且焊接过程极易产生缺陷，若采用现有的设备和工艺直接对材质为中碳钢的工件进行空心阶梯杆之间的焊接很难完成焊接任务或达到焊接技术要求。因此研发一种适用于中碳钢空心阶梯杆的焊接工装及工艺是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明创造针对现有技术不足，提供一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，该焊接工装通过预热焊接系统与装夹机构的配合同时完成对工件的定位、夹紧、旋转、预热和焊接，具有预热和焊接过程联动的优点，不仅提高工件焊接自动化程度和工作效率，还简化工件制造工艺，节约制造成本。

本发明创造采用的技术方案为：

一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，具有承力框架，承力框架内设有装夹机构，预热焊接系统安装在承力框架上并与装夹机构配合；

所述承力框架包括立柱，立柱由上至下依次设有上支撑板，中支撑板和下支撑板；

所述装夹机构包括安装在上支撑板下方的夹紧气缸，位于夹紧气缸下方并与夹紧气缸可拆式连接的定位套，定位套的内径与中碳钢空心阶梯杆中细空心杆的外径相匹配，定位套的内部设有辅助旋转的钢球，定位套的下方设有与定位套同轴线的空心定位件，空心定位件的外径与中碳钢空心阶梯杆中粗空心杆的内径相匹配，空心定位件为有色金属空心定位件并通过止推轴承设置在中支撑板上，空心定位件的下方设有伺服电机，伺服电机安装在下支撑板上并通过轴与空心定位件连接；

所述预热焊接系统包括电磁感应加热器，激光焊接器，温度传感器，所述激光焊接器和温度传感器分别安装在立柱上，其安装位置分别与细空心杆和粗空心杆连接处的焊缝位置相对应。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，所述空心定位件为中空薄壁结构，空心定位件的下端设有与空心定位件内部连通的冷却介质管。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，所述空心定位件的热膨胀系数与粗空心杆热膨胀系数的比为1:0.34-0.95。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，所述空心定位件为锌及其合金空心定位件，铅及其合金空心定位件，铝及其合金空心定位件，铜及其合金空心定位件。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，所述温度传感器分别与电磁感应加热器，激光焊接器，伺服电机线连接。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，所述温度传感器为非接触式测温温度传感器。

本发明创造还提供一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，应用一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装进行焊接，包括以下步骤，

1)装夹，将粗空心杆套设在空心定位件上，细空心杆置于定位套中，通过夹紧气缸控制定位套将细空心杆与粗空心杆进行轴向定位；

2)预热夹紧，将电磁感应加热器套设在粗空心杆的外部，对粗空心杆进行预热，空心定位件受热膨胀对粗空心杆产生径向夹紧；

3)焊接，温度传感器对焊缝的温度进行监测，并将监测的温度信号传输给激光焊接器和伺服电机，伺服电机根据接受的温度信号驱动空心定位件旋转；同时激光焊接器根据接受的温度信号对焊缝进行焊接，直至完成焊接；

4)解除装夹，冷却使空心定位件松开对粗空心杆的径向装夹，定位套在夹紧气缸的带动下上移，松开对中碳钢空心阶梯杆的轴向装夹，取出已完成焊接的中碳钢空心阶梯杆。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，所述步骤4)解除装夹中的冷却，是通过冷却介质管向空心定位件内部注入冷却介质，使空心定位件迅速冷却收缩，松开对粗空心杆的径向装夹。

所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，所述步骤2)对粗空心杆进行预热至温度250℃-300℃。

本发明创造具有以下有益效果：

本发明创造一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装中的下支撑板、中支撑板、上支撑板和立柱构成整个工装的基础承力框架，通过承力框架对装夹机构和预热焊接系统进行支撑，保证焊接工装的整体稳定性，同时保证装夹机构中定位套与空心定位件的同轴。伺服电机位于下支撑板上，并通过一对齿轮驱动空心定位件，且空心定位件的外圆面对粗空心杆内孔实施装夹并限制其4个自由度；位于工装上部的定位套通过两侧立柱确保其轴线与位于下部的空心定位件同心；细空心杆依靠定位套实现定位，且四个自由度受到限制；同时，夹紧气缸通过定位套及钢球对细空心杆实现轴向方向的夹紧，且钢球确保细空心杆与粗空心杆同步转动。

电磁感应加热器对粗空心杆和空心定位件进行预热，由于空心定位件的热膨胀系数大于粗空心杆的热膨胀系数，则在达到规定的预热温度时，空心定位件与粗空心杆间靠热膨胀量的差异完成对粗空心杆的径向装夹；温度传感器监控粗空心杆的预热，并将监测到的温度传送给伺服电机和激光焊接器，实现预热与激光焊接的联动；焊接后，将冷却介质通过冷却介质管接入空心定位件中，使空心定位件与粗空心杆一起冷却，则空心定位件冷却收缩量大于粗空心杆冷却收缩量，使空心定位件松开对粗空心杆的径向装夹。空心定位杆选用热膨胀系数大于中碳钢的材质，如锌及其合金，铅及其合金，铝及其合金，铜及其合金等有色金属。上述结构使得本发明创造一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装具有定位、夹紧、带动工件旋转功能，还具有工件预热和焊接过程联动功能。利用本发明创造一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，既能提高工件焊接自动化程度，并提高工作效率，又能够简化工件定位夹紧过程。

利用本发明创造一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装进行焊接时，采用电磁感应加热器对工件预热，则预热速度快且可控性强；采用空心定位元件的径向膨胀实现定位夹紧，夹紧性好不损伤工件、且装拆迅速方便；采用激光焊接使得焊接过程可控，热影响区小，以温度传感器为主实现工件预热与激光焊接的联动有益于焊接全过程的自动化，提高工作效率。

该焊接工作及方法简化制造工艺，提高工作效率。不仅实现焊前对工件迅速准确预热，预热过程的实时监控，同时还实现了预热与焊接的联动；还保证焊接过程中工件的定轴旋转，实现精确装夹保证焊点相对于焊枪总成位置始终保持不变解决了现有技术中对中碳钢空心阶梯杆进行焊接的技术难点。

附图说明

图1为本发明创造一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装结构示意图。

其中，1-下支撑板，2-伺服电机，3-中支撑板，4-止推轴承，5-冷却介质管，6-空心定位件，7-粗空心杆，8-电磁感应加热器，9-温度传感器，10-细空心杆，11-上支撑板，12-夹紧气缸，13-钢球，14-定位套，15-激光焊接器，16-立柱。

具体实施方式

如图1所示一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，具有承力框架，承力框架内设有装夹机构，预热焊接系统安装在承力框架上并与装夹机构配合；承力框架包括立柱16，立柱16由上至下依次设有上支撑板11，中支撑板3和下支撑板1；装夹机构包括安装在上支撑板11下方的夹紧气缸12，位于夹紧气缸12下方并与夹紧气缸12可拆式连接的定位套14，定位套14的内径与中碳钢空心阶梯杆中细空心杆10的外径相匹配，定位套14与细空心杆10间隙配合，定位套14的内部设有辅助旋转的钢球13，定位套14的下方设有与定位套14同轴线的空心定位件6，空心定位件6的外径与中碳钢空心阶梯杆中粗空心杆7的内径相匹配，空心定位件6与粗空心杆7间隙配合，空心定位件6为有色金属空心定位件6并通过止推轴承4设置在中支撑板3上，空心定位件6的下方设有伺服电机2，伺服电机2安装在下支撑板1上并通过轴与空心定位件6连接，伺服电机2通过一对齿轮作用与轴带动空心定位件6旋转；预热焊接系统包括电磁感应加热器8，激光焊接器15，温度传感器9，激光焊接器15和温度传感器9分别安装在立柱16的中部，其安装位置分别与细空心杆10和粗空心杆7连接处的焊缝位置相对应。温度传感器9分别与电磁感应加热器8，激光焊接器15，伺服电机2线连接。温度传感器9为非接触式测温的红外温度传感器。

优选地，空心定位件6为中空薄壁结构，空心定位件6的下端设有与空心定位件6内部连通的冷却介质管5。空心定位件6的热膨胀系数与粗空心杆7热膨胀系数的比为1:0.34-0.95。空心定位件6为锌及其合金空心定位件6，铅及其合金空心定位件6，铝及其合金空心定位件6，铜及其合金空心定位件6等有色金属空心定位件6。

一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，包括以下步骤，

1)装夹，将粗空心杆7套设在空心定位件6上，细空心杆10置于定位套14中，通过夹紧气缸12控制定位套14下移将细空心杆10与粗空心杆7进行轴向定位；

2)预热夹紧，将电磁感应加热器8套设在粗空心杆7的外部，对粗空心杆7进行预热至温度250℃-300℃，空心定位件6受热膨胀对粗空心杆7进行径向夹紧；

3)焊接，温度传感器9对粗空心杆7和焊缝的温度进行监测，并将监测的温度信号传输给激光焊接器15和伺服电机2，伺服电机2根据接受的温度信号驱动空心定位件6旋转；同时激光焊接器15根据接受的温度信号对焊缝进行焊接，直至完成焊接；

4)解除装夹，通过冷却介质管5向空心定位件6内部注入冷却介质，使空心定位件6迅速冷却收缩，松开对粗空心杆7的径向装夹，定位套14在夹紧气缸12的带动下上移，松开对中碳钢空心阶梯杆的轴向装夹，最后取出已完成焊接的中碳钢空心阶梯杆。

Claims (9)

1.一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，其特征在于，具有承力框架，承力框架内设有装夹机构，预热焊接系统安装在承力框架上并与装夹机构配合；

所述承力框架包括立柱，立柱由上至下依次设有上支撑板，中支撑板和下支撑板；

所述装夹机构包括安装在上支撑板下方的夹紧气缸，位于夹紧气缸下方并与夹紧气缸可拆式连接的定位套，定位套的内径与中碳钢空心阶梯杆中细空心杆的外径相匹配，定位套的内部设有辅助旋转的钢球，定位套的下方设有与定位套同轴线的空心定位件，空心定位件的外径与中碳钢空心阶梯杆中粗空心杆的内径相匹配，空心定位件为有色金属空心定位件并通过止推轴承设置在中支撑板上，空心定位件的下方设有伺服电机，伺服电机安装在下支撑板上并通过轴与空心定位件连接；

所述预热焊接系统包括电磁感应加热器，激光焊接器，温度传感器，所述激光焊接器和温度传感器分别安装在立柱上，其安装位置分别与细空心杆和粗空心杆连接处的焊缝位置相对应。

2.根据权利要求1所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，其特征在于，所述空心定位件为中空薄壁结构，空心定位件的下端设有与空心定位件内部连通的冷却介质管。

3.根据权利要求1或2所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，其特征在于，所述空心定位件的热膨胀系数与粗空心杆热膨胀系数的比为1:0.34-0.95。

4.根据权利要求3所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，其特征在于，所述空心定位件为锌及其合金空心定位件，铅及其合金空心定位件，铝及其合金空心定位件，铜及其合金空心定位件。

5.根据权利要求1所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，其特征在于，所述温度传感器分别与电磁感应加热器，激光焊接器，伺服电机线连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装，其特征在于，所述温度传感器为非接触式测温温度传感器。

7.一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，其特征在于，应用权利要求1-7所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接工装进行焊接，包括以下步骤，

1)装夹，将粗空心杆套设在空心定位件上，细空心杆置于定位套中，通过夹紧气缸控制定位套将细空心杆与粗空心杆进行轴向定位；

2)预热夹紧，将电磁感应加热器套设在粗空心杆的外部，对粗空心杆进行预热，空心定位件受热膨胀对粗空心杆产生径向夹紧；

3)焊接，温度传感器对焊缝的温度进行监测，并将监测的温度信号传输给激光焊接器和伺服电机，伺服电机根据接受的温度信号驱动空心定位件旋转；同时激光焊接器根据接受的温度信号对焊缝进行焊接，直至完成焊接；

4)解除装夹，冷却使空心定位件松开对粗空心杆的径向装夹，定位套在夹紧气缸的带动下上移，松开对中碳钢空心阶梯杆的轴向装夹，取出已完成焊接的中碳钢空心阶梯杆。

8.根据权利要求7所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，其特征在于，所述步骤4)解除装夹中的冷却，是通过冷却介质管向空心定位件内部注入冷却介质，使空心定位件迅速冷却收缩，松开对粗空心杆的径向装夹。

9.根据权利要求7所述的一种中碳钢空心阶梯杆的焊接方法，其特征在于，所述步骤2)对粗空心杆进行预热至温度250℃-300℃。