CN109128645B - 一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置及方法。所述装置包括前端的夹持旋转组件、中间的定位夹紧组件、尾端的零件顶紧组件，其中所述夹持旋转组件包括承力柱、滚动轴承、转动轴套、连接轴套、限位销和中心旋转轴；所述定位夹紧组件包括定位轴套、水嘴定位组合装置、焊缝定位组合装置和螺纹连接轴；所述零件顶紧组件包括关节轴承、轴承套、尾部定位柱；所述方法，采用上述装置实现夹持定位，实现特定焊接平面环形焊缝的快速精确定位，显著减小摩擦阻力，保证了筒体结构的焊接变形，能够显著提高装配效率，实现曲线筒体快速夹持定位，缓解装配应力和控制焊接过程中的应力变形，进一步提高了焊接质量。

Description

一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体地说是尤指激光焊接，涉及筒体轴线呈弧形变化的曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位方法及装置，也可适用于其他熔化焊接方法。

背景技术

筒体轴线呈弧形变化的曲线筒体类结构呈薄壁、壳型、悬臂梁受力结构，其典型结构形式如图1所示，筒径规格在50mm～300mm，焊接厚度在2mm～6mm，筒体结构的中心轴线呈弧形，弧形半径R常在500mm～3000mm。为保证高制造精度，采用热输入低、焊接变形小的激光焊接是实现整体化制造的最佳方法。

为保证筒体结构的焊接形面精度，往往采用内撑结构的拉马式焊接夹持方式，然而对于上述曲线筒体结构，在特定焊接平面内定位非常困难，焊接夹持装置的内撑形面块与套筒内表面不能全接触时，易产生刚性拘束。

同时，环形拼焊过程中，筒体一侧的对接面先受热快速熔化和凝固，产生很大的焊接应力，很容易克服内撑形面块与筒体内表面之间的接触摩擦力，将筒体未受热的另一侧对接面拉开一定间隙。激光束的光斑很小，当对接间隙较大时，漏过的激光能量多，易导致未熔合、焊漏等焊接缺陷。因此，焊接过程中应在焊接夹持装置的尾部将零件顶紧。上述曲线筒体结构的焊接旋转轴与筒体的筒底中心偏离距离较大，顶紧装置以筒体旋转轴为轴心，还需压紧筒体的筒底中心，故顶紧装置比较复杂，虽然借助滚动轴承，然而还面临旋转阻力过大的问题。

对于上述曲线筒体结构的特定焊接平面，焊接夹持装置的内撑形面块与筒体的内表面不能全接触时，易产生的刚性拘束力在焊接过程中无法有效释放，不仅影响焊接质量，而且还会产生较大的焊接变形。同时，顶紧装置的旋转扭矩来源于焊接夹持装置的内撑形面块与筒体内表面之间的接触摩擦力，该摩擦力与两者之间的接触面积密切相关，当两者不能全接触时，摩擦力有时甚至会不足以带动顶紧装置实现旋转功能。另外，焊接夹持装置夹持筒体时，受转台驱动实现旋转功能；顶紧装置采取另一个转台实现旋转功能时，两个转台无法实现严格意义上的同步，会造成附加应力进而影响焊接质量。

为提高上述曲线筒体类结构的焊接质量、降低拘束应力，满足筒径规格在50mm～300mm、焊接厚度在2mm～6mm、中心轴线弧形半径R在500mm～3000mm的曲线筒体结构生产需求，提出一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位方法及装置，能够显著提高焊接效率，并大幅降低旋转过程中的摩擦力。

发明内容

本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种适用于筒径规格在50mm～300mm、焊接厚度在2mm～6mm、中心轴线弧形半径R在500mm～3000mm的曲线筒体类结构的高效激光焊接夹持定位方法及装置，实现垂直于弧形轴线的特定焊接平面环形焊缝的快速精确夹持定位和装配，有效缓解装配应力和旋转焊接过程中的摩擦阻力，不仅提高装配效率、降低拘束应力，而且能够进一步提高焊接质量。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，包括前端的夹持旋转组件、中间的定位夹紧组件、尾端的零件顶紧组件，其中

所述夹持旋转组件包括承力柱、滚动轴承、转动轴套、连接轴套、限位销和中心旋转轴，中心旋转轴可转动地置于连接轴套内，转动轴套套在连接轴套外固定为一体，转动轴套可转动地置于承力柱的开孔内，限位销可穿过转动轴套和承力柱，限制转动轴套于承力柱的相对转动；

所述定位夹紧组件包括定位轴套、水嘴定位组合装置、焊缝定位组合装置和螺纹连接轴，所述定位轴套和焊缝定位组合装置均套于连接轴套外并固定，所述定位轴套的安装面设有凹槽，限定曲线筒体结构开口端的位置，所述螺纹连接轴的一端和中心旋转轴固定，螺纹连接轴的另一端与焊缝定位组合装置通过滚动轴承连接，螺纹连接轴的中间螺杆与螺纹滑块螺接，焊缝定位组合装置沿径向设有滑块导向槽，滑块导向槽上设有滑块，滑块沿着滑块导向槽实现径向运动，螺纹滑块和滑块通过伞状支撑杆和铰链实现连接，若干个伞状支撑杆沿周向呈伞状均匀分布，通过中心旋转轴的旋转实现螺纹滑块在轴向运动，驱动伞状支撑杆及伞状支撑杆另一端的滑块沿径向张开或收缩，滑块上设置有用于撑紧曲线筒体的内撑形面块，内撑形面块设有凹槽，该凹槽中心与曲线筒体结构的对接平面重合，当内撑形面块运动至与曲线筒体结构对接平面两侧附近的内表面刚性接触时，实现零件夹紧；

所述零件顶紧组件包括关节轴承、轴承套、尾部定位柱，所述关节轴承包括内圈和带螺纹杆端的外圈，所述内圈的外球面镶有复合材料，在工作中可产生自润滑，关节轴承的外圈的螺纹杆端和轴承套的一端通过螺纹连接固定，轴承套的另一端固定有旋转手柄，轴承套外侧与尾部定位柱的开孔螺纹连接，通过旋转手柄的旋转，实现关节轴承的内圈与曲线筒体结构刚性接触。

作为优选，所述转动轴套和连接轴套通过销固定为一体，所述转动轴套与承力柱的开孔之间设有滚动轴承，滚动轴承外侧设有轴承挡板和紧固件。

作为优选，所述定位轴套和焊缝定位组合装置均与连接轴套通过销固定。

作为优选，所述螺纹连接轴的一端和中心旋转轴通过螺纹连接，并通过销固定。

作为优选，所述定位轴套的安装面设有通气孔，用于焊接过程中向曲线筒体结构内部整体充装惰性保护气体。

作为优选，所述焊缝定位组合装置的侧面设有防护罩。

作为优选，所述夹持旋转组件、定位夹紧组件、零件顶紧组件均通过紧固件和定位销固定在底板上。

一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位方法，采用上述装置实现夹持定位，并包括以下步骤：

通过中心旋转轴旋转带动螺纹滑块的轴向运动，使内撑形面块沿焊缝定位组合装置的径向导向槽实现径向运动，周向均匀分布的内撑形面块整体径向张开夹持零件；

内撑形面块设置中间凹槽，凹槽中心与激光焊接对接面重合，激光焊接对接面与筒体旋转轴垂直，筒体装配时由限位销和定位线对筒体开口端进行周向限位，由定位轴套的安装面对筒体开口端进行轴向限位；水嘴开孔理论向下，通过水嘴定位组合装置对水嘴的周向位置进行确认，当满足上述装配情况，内撑形面块实现垂直于弧形轴线的特定焊接平面环形焊缝的精确定位，且与筒体焊接区域的内表面充分接触；

通过关节轴承将筒体尾部顶紧，关节轴承在旋转过程中同时承受径向负载和轴向负载以及低旋转摩擦力，对环形焊缝焊接过程中产生的轴向焊接应力起到刚性拘束作用。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：

第一，针对筒体轴线呈弧形变化的曲线筒体类结构激光焊接夹持定位要求，提出利用轴向和周向限位实现垂直于筒体弧形轴线的特定焊接平面环形焊缝的快速精确定位，利用伞状支撑带动内撑形面块在设定焊接平面内的整体径向张开实现零件内部撑紧夹持。

第二，在筒体尾部引入关节轴承实现顶紧功能，显著降低旋转过程中的摩擦阻力，并且对环形焊缝焊接过程中产生的焊接应力起到刚性拘束作用，保证了筒体结构的焊接变形，进一步提高了焊接质量。

第三，采用所设计的激光焊接夹持定位装置，能够显著提高装配效率，实现曲线筒体类结构的快速夹持定位，有效缓解装配应力和控制焊接过程中的应力变形。

附图说明

图1是现有技术中曲线筒体结构的典型结构型式之一；

图2是本发明一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置的结构示意图；

图3 是图2中的A-A向视图；

图4是本发明中涉及的曲线筒体结构激光焊接系统；

图5是本发明中关节轴承内部结构原理图；

其中，上述图中的附图标记如下：

1-中心旋转轴；2-连接轴套；3-转动轴套；4-滚动轴承；5-限位销；6-承力柱；7-轴承挡板；8-定位轴套；9-通气孔；10-焊缝定位组合装置；11-螺纹连接轴；12-螺纹滑块；13-伞状支撑杆；14-滑块；15-滑块导向槽；16-内撑形面块；17-防护罩；18-曲线筒体结构；19-水嘴定位组合装置；20-关节轴承；21-锁紧螺母；22-轴承套；23-尾部定位柱；24-旋转手柄；25-铆钉；26-底板；27-定位销；29-激光焊缝位置；30-水嘴；31-转向节；32-焊接夹持定位装置；33-激光焊缝；34-激光束作用位置；35-内圈；36-外圈。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，包括前端的夹持旋转组件、中间的定位夹紧组件、尾端的零件顶紧组件，其中

所述夹持旋转组件包括承力柱6、滚动轴承4、转动轴套3、连接轴套2、限位销5和中心旋转轴1，中心旋转轴1可转动地置于连接轴套2内，转动轴套3套在连接轴套2外固定为一体，转动轴套3可转动地置于承力柱6的开孔内，限位销5可穿过转动轴套3和承力柱6，限制转动轴套3于承力柱6的相对转动；

所述定位夹紧组件包括定位轴套8、水嘴定位组合装置19、焊缝定位组合装置10和螺纹连接轴11，所述定位轴套8和焊缝定位组合装置10均套于连接轴套2外并固定，所述定位轴套8的安装面设有凹槽，限定曲线筒体结构18开口端的位置，所述螺纹连接轴11的一端和中心旋转轴1固定，螺纹连接轴11的另一端与焊缝定位组合装置10通过滚动轴承4连接，螺纹连接轴11的中间螺杆与螺纹滑块12螺接，焊缝定位组合装置10沿径向设有滑块导向槽15，滑块导向槽15上设有滑块14，滑块14沿着滑块导向槽15实现径向运动，螺纹滑块12和滑块14通过伞状支撑杆13和铰链实现连接，若干个伞状支撑杆13沿周向呈伞状均匀分布，通过中心旋转轴1的旋转实现螺纹滑块12在轴向运动，驱动伞状支撑杆13及伞状支撑杆13另一端的滑块14沿径向张开或收缩，滑块14上设置有用于撑紧曲线筒体的内撑形面块16，内撑形面块16设有凹槽，该凹槽中心与曲线筒体结构18的对接平面重合，当内撑形面块16运动至与曲线筒体结构18对接平面两侧附近的内表面刚性接触时，实现零件夹紧；

所述零件顶紧组件包括关节轴承20、轴承套22、尾部定位柱23，所述关节轴承20包括内圈35和带螺纹杆端的外圈36，关节轴承20的外圈36的螺纹杆端和轴承套22的一端通过螺纹连接并锁紧螺母21固定，轴承套22的另一端固定有旋转手柄24，轴承套22外侧与尾部定位柱23的开孔螺纹连接，通过旋转手柄24的旋转，实现关节轴承20的内圈35与曲线筒体结构18刚性接触。当曲线筒体结构18旋转焊接时，关节轴承20的内圈35随曲线筒体结构18同步旋转，并且对环形焊缝焊接过程中产生的轴向焊接变形起到刚性拘束作用。

作为优选，所述转动轴套3和连接轴套2通过销固定为一体，转动轴套3与承力柱6的开孔之间设有滚动轴承4，滚动轴承4外侧设有轴承挡板7和紧固件。

作为优选，所述定位轴套8和焊缝定位组合装置10均与连接轴套2通过销固定。

作为优选，所述螺纹连接轴11的一端和中心旋转轴1通过螺纹连接，并通过销固定。

作为优选，所述定位轴套8的安装面设有通气孔9，用于焊接过程中向曲线筒体结构18内部整体充装惰性保护气体。

作为优选，所述焊缝定位组合装置10的侧面设有防护罩17。

作为优选，所述夹持旋转组件、定位夹紧组件、零件顶紧组件均通过紧固件和定位销27固定在底板26上。

所述内圈35的外球面镶有复合材料，在工作中可产生自润滑。该机理是属于现有技术，此处不再详述。

本发明涉及的一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位方法，采用上述装置实现夹持定位，并包括以下步骤：

通过中心旋转轴旋转带动螺纹滑块的轴向运动，使内撑形面块沿焊缝定位组合装置的径向导向槽实现径向运动，周向均匀分布的内撑形面块整体径向张开夹持零件；

内撑形面块设置中间凹槽，凹槽中心与激光焊接对接面重合，激光焊接对接面与筒体旋转轴垂直，筒体装配时由限位销和定位线对筒体开口端进行周向限位，由定位轴套的安装面对筒体开口端进行轴向限位；水嘴开孔理论向下，通过水嘴定位组合装置对水嘴的周向位置进行确认，当满足上述装配情况，内撑形面块实现垂直于弧形轴线的特定焊接平面环形焊缝的精确定位，且与筒体焊接区域的内表面充分接触；

通过关节轴承20将筒体尾部顶紧，关节轴承在旋转过程中同时承受径向负载和轴向负载以及低旋转摩擦力，对环形焊缝焊接过程中产生的轴向焊接应力起到刚性拘束作用。

图4示出了本发明中与曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置配合使用的曲线筒体结构激光焊接系统结构原理图，激光焊接系统包括转台、转向节31 、机械手、激光焊接头、激光器等，转台通过转向节31与本发明所述的焊接夹持定位装置32 相连；曲线筒体结构18夹持到位后，机械手驱动激光焊接头，激光器产生激光，激光对准激光束作用位置34进行焊接作业，并完成激光焊缝33。激光焊接系统属于现有技术，且属于和本发明所述装置进行配合的外延设备，所以此处不再详述。

本发明所述装置在工作过程中，其使用方法可以进一步解释如下，仅作为一种实施例：

第一，转动轴套3转动，直至插入限位销5，此时曲线筒体结构18的水嘴30开孔理论向下。

第二，中心旋转轴1旋转，通过拉动螺纹滑块12运动，带动滑块14沿焊缝定位组合装置10的滑块导向槽15运动，实现伞状支撑杆13的径向收缩。

第三，拔出尾部定位柱23的限位销5，将焊接夹持装置尾端的零件顶紧部分以铆钉25为轴心，顺时针旋转落倒。将水嘴定位组合装置19以铆钉25为轴心，顺时针旋转立起。

第四，曲线筒体结构18穿过伞状支撑杆13，使对接平面基本位于内撑形面块16的凹槽中心。中心旋转轴1旋转，通过推动螺纹滑块12运动，带动滑块14沿焊缝定位组合装置10的滑块导向槽15运动，实现伞状支撑杆13的径向张开，直至滑块14上的内撑形面块16与曲线筒体结构18的焊接区域内表面距离约为1-3mm。

第五，焊接夹持装置尾端的零件顶紧部分以铆钉25为轴心，逆时针旋转立起，插入限位销5。

第六，采用定位轴套8安装面上的凹槽和定位线限定曲线筒体结构18开口端的周向几何位置，水嘴定位组合装置19的顶端与曲线筒体结构18的水嘴30外廓之间的距离在公差范围内，在对接焊的装配间隙和错边量满足激光焊接要求后，旋转手柄24旋转，直至关节轴承20的内圈35与曲线筒体结构18的尾部轻微接触。

第七，中心旋转轴1继续旋转，直至内撑形面块16径向运动至与曲线筒体结构18的内表面刚性接触，即实现零件夹紧功能。旋转手柄24继续旋转，直至关节轴承20的内圈35与曲线筒体结构18的尾部刚性接触，实现顶紧功能。

第八，拔出承力柱6上的限位销5，将水嘴定位组合装置19以铆钉25为轴心，逆时针旋转落倒。

第九，采用转向节31连接转台和焊接夹持定位装置32的转动轴套3，转台转动，转向节31传递扭矩，转动轴套3与承力柱6通过滚动轴承4实现平稳转动，曲线筒体结构18和关节轴承20的内圈35同步旋转。通过定位轴套8安装面上的通气孔9向曲线筒体结构18内部整体充装惰性保护气体5-10min，采用机械手控制转台和激光焊接设备完成激光焊接。

第十，旋转手柄24旋转，使关节轴承20远离曲线筒体结构18的尾部，拔出尾部定位柱23的限位销5，将焊接夹持装置尾端的零件顶紧部分以铆钉25为轴心，顺时针旋转落倒。转动轴套3转动，直至插入承力柱6上的限位销5，中心旋转轴1旋转，通过拉动螺纹滑块12运动，带动滑块14沿焊缝定位组合装置10的滑块导向槽15运动，实现伞状支撑杆13的径向收缩。

第十一，取出曲线筒体结构18，继续另一个零件的焊接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，包括前端的夹持旋转组件、中间的定位夹紧组件、尾端的零件顶紧组件，其中

所述夹持旋转组件包括承力柱、滚动轴承、转动轴套、连接轴套、限位销和中心旋转轴，中心旋转轴转动地置于连接轴套内，转动轴套套在连接轴套外固定为一体，转动轴套转动地置于承力柱的开孔内，限位销穿过转动轴套和承力柱，限制转动轴套于承力柱的相对转动；

所述定位夹紧组件包括定位轴套、水嘴定位组合装置、焊缝定位组合装置和螺纹连接轴，所述定位轴套和焊缝定位组合装置均套于连接轴套外并固定，所述定位轴套的安装面设有凹槽，限定曲线筒体结构开口端的位置，所述螺纹连接轴的一端和中心旋转轴固定，螺纹连接轴的另一端与焊缝定位组合装置通过滚动轴承连接，螺纹连接轴的中间螺杆与螺纹滑块螺接，焊缝定位组合装置沿径向设有滑块导向槽，滑块导向槽上设有滑块，滑块沿着滑块导向槽实现径向运动，螺纹滑块和滑块通过伞状支撑杆和铰链实现连接，若干个伞状支撑杆沿周向呈伞状均匀分布，通过中心旋转轴的旋转实现螺纹滑块在轴向运动，驱动伞状支撑杆及伞状支撑杆另一端的滑块沿径向张开或收缩，滑块上设置有用于撑紧曲线筒体的内撑形面块，内撑形面块设有凹槽，该凹槽中心与曲线筒体结构的对接平面重合，当内撑形面块运动至与曲线筒体结构对接平面两侧附近的内表面刚性接触时，实现零件夹紧；

所述零件顶紧组件包括关节轴承、轴承套、尾部定位柱，所述关节轴承包括内圈和带螺纹杆端的外圈，所述内圈的外球面镶有复合材料，在工作中产生自润滑，关节轴承的外圈的螺纹杆端和轴承套的一端连接固定，轴承套的另一端固定有旋转手柄，轴承套外侧与尾部定位柱的开孔螺纹连接，通过旋转手柄的旋转，实现关节轴承的内圈与曲线筒体结构刚性接触。

2.根据权利要求1所述曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，其特征在于：所述转动轴套和连接轴套通过销固定为一体，所述转动轴套与承力柱的开孔之间设有滚动轴承，滚动轴承外侧设有轴承挡板和紧固件。

3.根据权利要求1所述曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，其特征在于：所述定位轴套和焊缝定位组合装置均与连接轴套通过销固定。

4.根据权利要求1所述曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，其特征在于：所述螺纹连接轴的一端和中心旋转轴通过螺纹连接，并通过销固定。

5.根据权利要求1所述曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，其特征在于：所述定位轴套的安装面设有通气孔，用于焊接过程中向曲线筒体结构内部整体充装惰性保护气体。

6.根据权利要求1所述曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，其特征在于：所述焊缝定位组合装置的侧面设有防护罩。

7.根据权利要求1所述曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位装置，其特征在于：所述夹持旋转组件、定位夹紧组件、零件顶紧组件均通过紧固件和定位销固定在底板上。

8.一种曲线筒体类结构的激光焊接夹持定位方法，采用权利要求2至7任一项所述装置实现夹持定位，并包括以下步骤：

通过中心旋转轴旋转带动螺纹滑块的轴向运动，使内撑形面块沿焊缝定位组合装置的滑块导向槽实现径向运动，周向均匀分布的内撑形面块整体径向张开夹持零件；

内撑形面块设置中间凹槽，凹槽中心与激光焊接对接面重合，激光焊接对接面与筒体旋转轴垂直，筒体装配时由限位销和定位线对筒体开口端进行周向限位，由定位轴套的安装面对筒体开口端进行轴向限位；水嘴开孔理论向下，通过水嘴定位组合装置对水嘴的周向位置进行确认；当满足上述装配情况，内撑形面块实现垂直于弧形轴线的特定焊接平面环形焊缝的精确定位，且与筒体焊接区域的内表面充分接触；

通过关节轴承将筒体尾部顶紧，关节轴承在旋转过程中同时承受径向负载和轴向负载以及低旋转摩擦力，对环形焊缝焊接过程中产生的轴向焊接应力起到刚性拘束作用。

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