CN113351994A - 一种压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接工装 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接工装，包括前端压紧滚轮组、后端压紧滚轮组、激光测距探头、标准高度测距探头、压紧力调整装置。根据实时测量焊接区域与标准高度之间的关系，实时调整压紧力；同时，焊接工装夹具与激光焊接头随动。该工装夹具具有结构紧凑、操作简单、适用范围广，可大幅度提高大尺寸金属夹层结构的制造效率。
Description
技术领域
本发明属于轻量化结构先进制造领域，更具体地，涉及大尺寸金属夹层结构激光焊接工装夹具。
背景技术
金属夹层结构以其优异比刚度、比强度、功能集成性成为航空、航天、船舶、石化等领域实现结构与功能一体化的理想结构形式。然而，采用冲压成型+钎焊、3D打印等工艺制造金属夹层结构，由于受到制造装备的约束，导致金属夹层结构难以实现大尺寸制造。激光焊接有着高功率、高效率、高深宽比、热影响区小、焊接热变形小的特点，不仅解决了金属夹层结构制备受装备制约的难题，同时，大幅度提高了金属夹层结构的界面强度，成为大尺寸金属夹层结构理想制备工艺。
采用激光焊接对金属夹层结构进行制造的过程中，面板和芯子之间间隙成为影响制品质量的关键，研究表明当间隙超过0.2mm时，所制备的金属夹层结构界面强度大幅度降低，难以发挥结构承载能力。鉴于此，CN20372599U、CN208906351U等专利均公开了一种控制间隙的工装夹具，即采用横梁和加压螺钉结构实现面板与芯子的压紧，以此保证焊接过程中的间隙。然而，这种工装夹具在装夹的过程中需要反复调整，降低了生产效率；同时，当芯子胞元尺寸较小时，相邻焊缝的压紧工装会产生干涉，难以保证焊接质量；而且，焊接工装影响焊接保护气嘴的吹气方向和送气方式，严重时易发生焊接工装与保护气嘴碰撞造成设备损坏。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明基于激光焊接热变形小的特点提供了一种压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接压紧工装夹具，构建了大尺寸金属夹层结构激光焊接平台，实现压紧力自动调控，并能够精确控制面板与芯子之间的间隙，使其满足激光焊接工艺的要求。该工装夹具具有结构紧凑，便于操作，可针对波纹夹层板、四面体点阵夹层板、金字塔点阵夹层板、格栅夹层板等多种夹层结构进行大尺寸制造。具体发明内容如下。
一种压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接工装，前端压紧滚轮组、后端压紧滚轮组、激光测距探头、标准高度测距探头、压紧力调整装置，前端压紧滚轮组与压紧力调整装置采用麦弗逊悬挂结构连接，前端滚轮组包含两个滚轮，且两个滚轮分别置于焊缝两侧，后端滚轮组和压紧力调控装置采用直连的形式，且后端管轮组对称中心与激光焊接头光路中心重合，激光测距探头采用激光格栅测距装置，格栅的总宽为焊缝的宽度，位于前端滚轮组和后端滚轮组之间，用于测定待焊接区域表面到基准平面的距离，将该测试结果与标准高度测距探头测试结果进行对比，当测试结果大于基准值时，说明前端压紧滚轮组和后端压紧滚轮组施加的压紧力不够，则压紧力调整装置加载；如果测试结果小于基准值，说明前端压紧滚轮组和后端压紧滚轮组施加的压紧力过大，导致芯子歪斜，则压紧力调整装置卸载，且焊接过程停止。
本发明具有以下有益效果：
过本发明所构思的上述技术方法，避免了横梁和加载螺钉结构反复预紧，提高了制造效率；同时，采用变形量控制法，实现了压紧力的自动调整，避免了焊接质量受到人为因素的影响较大的问题，保证了焊接质量；而且，该装置结构紧凑、操作简单、适用范围广，可大幅度提高大尺寸金属夹层结构的制造效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2-1、图2-2是本发明与龙门机械手连接示意图。
图3-1、图3-2是本发明与臂式机械手连接示意图。
图4-1、图4-2、图4-3是本发明工作示意图。
具体实施方式
为了使本专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行进一步说明。应当理解，此处所述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明。
图1是压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接压紧工装夹具1结构，该装置由前端压紧滚轮组2、后端压紧滚轮组3、激光测距探头4、标准高度测距探头5、压紧力调整装置6组成，其中压紧力调整装置可以采用液压调整，也可以采用弹簧调整。其工作原理如下：前端压紧滚轮组2与压紧力调整装置6采用麦弗逊悬挂结构连接。前端滚轮组2包含两个滚轮，且两个滚轮分别置于焊缝7两侧，这是因为金属夹层结构的面板多采用薄板，如果采用单个滚轮，该滚轮位于焊缝上方，滚轮作用区域较小，且金属材料弹性模量较大，使其发生变形，则压紧力调节装置需要提供较大的载荷；如果采用两个滚轮，且分别置于焊缝两侧，这就使面板、滚轮和芯子构成了三点弯曲系统，薄板的弯曲性能较好，这样就可以采用较小的载荷实现面板与芯子的贴合。后端滚轮组3和压紧力调控装置6采用直连的形式，且后端管轮组3对称中心与激光焊接头8光路中心重合，这是为了保证在激光焊接的过程中面板与芯子处于完全贴合的状态，壁面局部变形对焊接质量的影响；同时后端滚轮组同样有两个滚轮，分别置于焊缝两侧。激光测距探头4采用激光格栅测距装置，格栅的总宽可以为焊缝7的宽度，位于前端滚轮组和后端滚轮组之间，用于测定待焊接区域表面到基准平面的距离。将该测试结果与标准高度测距探头5测试结果进行对比，当测试结果大于基准值时，说明前端压紧滚轮组2和后端压紧滚轮组3施加的压紧力不够，则压紧力装置加载；如果测试结果小于基准值，说明前端压紧滚轮组2和后端压紧滚轮组3施加的压紧力过大，导致芯子歪斜，则压紧力装置卸载，且焊接过程停止。
图2-1、图2-2和图3-1、图3-2是压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接压紧工装夹具1与龙门机械手9和臂式机械手10连接示意图，工装夹具1和龙门机械手9和臂式机械手10通过连接件11进行连接，连接方式采用螺栓连接。为了保证工装夹具在施加载荷和卸载过程中，不影响激光焊接头的位置精度，激光焊接头8与压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接压紧工装夹具1相互独立。
图4-1、4-2、4-3是采用压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接压紧工装夹具制备金属夹层结构的工作示意图。将上、下面板和芯子进行组对并放置在焊接工作平台上，组对好的金属夹层结构两端采用定矩固定装置进行固定，保证芯子焊接平面与面板焊接平面平行；而后，采用槽钢框架置于金属夹层结构的外侧，调整金属框架大小，使其与金属夹层结构面板大小相等，并将金属框架与焊接平台固定，起到约束面板的作用下，使其在焊接过程中不发生移动和转动；最后根据芯子焊接位置，将压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接压紧工装夹具置于面板上，保证激光焊接头的中心与焊缝中心重合，且前端压紧滚轮组的两个滚轮和后端压紧滚轮组的两个滚轮位于焊缝两侧，且两个滚轮到焊缝中心的距离相等。此时，焊前准备工作结束，通过设置焊接工艺参数对金属夹层结构进行焊接。
Claims (1)
1.一种压紧力自动调节的随动式金属夹层结构激光焊接工装，其特征在于，前端压紧滚轮组（2）、后端压紧滚轮组（3）、激光测距探头（4）、标准高度测距探头（5）、压紧力调整装置（6），前端压紧滚轮组（2）与压紧力调整装置（6）采用麦弗逊悬挂结构连接，前端滚轮组（2）包含两个滚轮，且两个滚轮分别置于焊缝（7）两侧，后端滚轮组（3）和压紧力调控装置（6）采用直连的形式，且后端管轮组（3）对称中心与激光焊接头（8）光路中心重合，激光测距探头（4）采用激光格栅测距装置，格栅的总宽为焊缝（7）的宽度，位于前端滚轮组和后端滚轮组之间，用于测定待焊接区域表面到基准平面的距离，将该测试结果与标准高度测距探头（5）测试结果进行对比，当测试结果大于基准值时，说明前端压紧滚轮组（2）和后端压紧滚轮组（3）施加的压紧力不够，则压紧力调整装置加载；如果测试结果小于基准值，说明前端压紧滚轮组（2）和后端压紧滚轮组（3）施加的压紧力过大，导致芯子歪斜，则压紧力调整装置卸载，且焊接过程停止。
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