張彥東, 滕彬, 陳永秋, 徐富家, 柳明

摘要： 穩(wěn)定器組件是發(fā)動機的重要部件之一，成品是由若干個連接耳座焊接在環(huán)形曲面上（薄板高溫合金特種沖壓件），因其復雜的曲面形狀，以及環(huán)形件內(nèi)外都需要在相應位置上進行耳座焊接，使其組裝難度大，焊接質(zhì)量難保證，焊接變形難控制，目前主要采用手工組裝和手工氬弧焊進行焊接。針對以上問題和難點，提出了用于發(fā)動機穩(wěn)定器組件激光焊接的自動工裝夾具及相應自動激光焊接工藝。通過試驗驗證，激光焊接工藝替代TIG工藝具有可行性，開發(fā)的自動化工裝夾具有助于實現(xiàn)穩(wěn)定器產(chǎn)品的自動化焊接，操作簡便，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞： 穩(wěn)定器; 激光焊; 自動化焊接

中圖分類號： TG 456.7

Laser welding process of engine stabilizer

Zhang Yandong1， Teng Bin1， Chen Yongqiu2， Xu Fujia1， Liu Ming1

（1. Harbin Welding Institute Limited Company， Harbin 150028， Heilongjiang， China;

2. Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， Heilongjiang， China）

Abstract： Stabilizer assembly is one of important components of engine. The finished product is that several connecting ear seats were welded on circular surface （special stamping parts of thin plate superalloy）. Because of its complex surface shape， and ring parts inside and outside need to be welded on the corresponding position， which makes assembly difficult， welding quality difficult to guarantee and welding deformation difficult to control. At present， manual assembly and manual argon arc welding are mainly used. In view of the above problems and difficulties， automatic fixture for laser welding of engine stabilizer components and the corresponding automatic laser welding process were put forward. Through experimental verification， laser welding process was feasible to replace TIG process， and automatic fixture was developed to realize automatic welding of stabilizer products. The operation was simple and the quality was stable and reliable.

Key words：? stabilizer; laser welding; automatic welding

0前言

航空發(fā)動機、燃氣輪機被譽為工業(yè)領域皇冠上的明珠，它們是高度復雜和精密的熱力機械，作為飛機和輪船的心臟，不僅是飛機飛行和輪船航行的動力，也是促進航空和船舶事業(yè)發(fā)展的重要推動力［1-2］。發(fā)動機穩(wěn)定器是維持火焰穩(wěn)定燃燒的重要部件［3］。為達到穩(wěn)定器在高溫環(huán)境下仍具有可靠的運行狀態(tài)，焊接接頭質(zhì)量對于穩(wěn)定器在高溫工作時的安全性和穩(wěn)定性等指標起著決定性因素，而焊接工藝的穩(wěn)定可靠性是保障焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

目前，穩(wěn)定器的焊接大多采用TIG焊接工藝，在焊接時容易產(chǎn)生大熱輸入導致的焊后變形問題，由于穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)復雜，一般采用人工方式完成，一定程度上穩(wěn)定器焊接的質(zhì)量取決于焊接操作人員的技術(shù)水平，而隨著技術(shù)的不斷進步，自動化水平大幅提升，激光焊接技術(shù)具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、熔深大、變形小等特點，因此焊接效率、可靠性、自動化生產(chǎn)等方面優(yōu)勢明顯［4-5］。

針對穩(wěn)定器復雜結(jié)構(gòu)，研制開發(fā)自動化焊接工裝，保證該穩(wěn)定器的自動化激光焊接需求。在激光焊接工藝方面針對實際結(jié)構(gòu)，優(yōu)化激光焊接工藝，從表面成形及熔透等方面分析激光焊接工藝可行性，并利用典型產(chǎn)品件對自動化焊接工裝進行實際工藝驗證。

1產(chǎn)品介紹及自動化工裝系統(tǒng)設計

1.1產(chǎn)品介紹

該型穩(wěn)定器是由4種耳座、1種支座與環(huán)形基礎件焊接組成，整體直徑750 mm，主體結(jié)構(gòu)厚度為3 mm，耳座和支座材料為GH536高溫合金，焊接結(jié)構(gòu)為角焊縫形式。其中4種耳座若干個，平均分布在穩(wěn)定器內(nèi)圈和外圈，支座2件，位于穩(wěn)定器外圈，可見穩(wěn)定器總體結(jié)構(gòu)復雜，操作空間緊湊，對自動化設計難度大，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了實現(xiàn)穩(wěn)定器的自動化激光焊接，針對穩(wěn)定器的復雜結(jié)構(gòu)，自動化工裝系統(tǒng)的設計尤為重要，是保證自動化激光焊接的核心技術(shù)。

1.2自動化工裝系統(tǒng)設計

由于穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)復雜，完全實現(xiàn)自動化生產(chǎn)難度非常大，因此對工裝設計思路采用兩步法形式：①固定點焊系統(tǒng)：采取人工和自動相結(jié)合方式進行，保證工件精準定位，并進行工件點焊固定。位置精度的保證是固定點焊系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)核心，同時也為后續(xù)激光自動化焊接提供必要保證；②自動焊接系統(tǒng)：采取自動夾緊、自動焊接的設計思路，實現(xiàn)穩(wěn)定器的耳座和支座激光自動化焊接。激光焊接工藝穩(wěn)定性、可靠性是保證穩(wěn)定器焊接質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)。

1.2.1定位點焊系統(tǒng)設計

穩(wěn)定器點焊系統(tǒng)如圖2所示。主要由回轉(zhuǎn)工作臺和點焊夾具組成；點焊夾具主要由夾具體、高精度回轉(zhuǎn)支撐、工件基座、分度定位裝置、支座定位夾持裝置、耳座①定位夾持裝置、耳座②定位夾持裝置、耳座③定位夾持裝置、耳座④定位夾持裝置和定位壓緊上蓋等零部件組成。保證穩(wěn)定器耳座和支座的位置精度是定位點焊系統(tǒng)的關(guān)鍵，為滿足要求，整套工裝加工采用精密數(shù)控加工機床進行加工制造，以保證焊接工裝的精度要求。

穩(wěn)定器點焊系統(tǒng)的工作原理如下：人工將定位壓緊上蓋將穩(wěn)定器工件與工件基座固定，將要焊接的耳座工件安裝到圖3所示的耳座定位夾持裝置上，由快卸銷定位夾緊后，推動快速夾鉗將安裝在直線導軌機構(gòu)的耳座定位組件推到限位裝置后對耳座進行點焊。點焊后，退出快卸銷讓焊接后的耳座與耳座定位夾持裝置脫離，撤回到該耳座定位夾持裝置初始位置，將分度定位裝置的定位銷通過快夾方式與定位孔脫開，并將工件基座旋轉(zhuǎn)到下一個定位孔處，再將分度定位裝置的定位銷復位，進行該種耳座的第2個件的焊接，以此類推，將4種耳座依次固定并點焊到相應位置。

2個支座分別通過2套支座定位夾持裝置進行定位夾持，操作過程如下：將需要焊接的支座工件安裝到支座定位銷上，如圖4所示，推動快速夾鉗將支座移動到指定位置進行焊接，快速夾鉗和支座定位銷安裝在支座定位夾持裝置基座上，當?shù)?個支座焊接完成后，反向推動快速夾鉗讓支座定位夾持送給裝置退回到初始位置，完成相應支座的點焊焊接。

定位點焊系統(tǒng)是利用高精度分度轉(zhuǎn)臺和定位夾具保證耳座和支座定位精度，實現(xiàn)4種耳座和2個支座與環(huán)形基礎件的高精度點焊焊接。同時操作者只需在1個固定位置進行耳座和支座的裝夾定位和點焊焊接，減少了人員無效工作時間和工作量，提高了工作效率。定位點焊系統(tǒng)開發(fā)保證了后續(xù)激光自動焊接質(zhì)量精度要求。

1.2.2激光自動焊接系統(tǒng)設計

激光自動焊接系統(tǒng)如圖5所示。主要由激光焊接單元、運動單元、自動焊接工裝及焊接變位機等組成。除激光焊接工藝因素外，焊接工裝設計及制造精度、空間位置關(guān)系設計、焊接軌跡及順序的排布等因素同樣對焊接質(zhì)量、變形存在影響。激光自動焊接系統(tǒng)通過控制焊接變位機翻轉(zhuǎn)到適合于焊接的角度，再由控制系統(tǒng)通過機器人和激光焊接單元協(xié)作進行耳座和支座的自動化焊接。

自動焊接工裝要完成的重點任務是保證耳座和支座的焊接質(zhì)量，激光焊槍位置的可達性是工裝設計制造的重點?？紤]到激光焊槍的可達性，自動焊接工裝在設計上最大程度的滿足了工件的焊接空間要求，其整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。自動焊接工裝主要包括夾具體、壓緊氣缸、保護氣上蓋組件和工件定位組件等零部件。主要工作原理是將完成點焊的穩(wěn)定器安裝到激光自動焊夾具的夾具體的定位環(huán)上，完成同心圓定位，通過工件定位組件與點焊完成的耳座配合，完成穩(wěn)定器圓周方向的定位，定位精度在0.2 mm內(nèi)，以保證自動焊接工裝被焊工件的位置一致性，然后將保護氣上蓋組件安裝到穩(wěn)定器上表面處，保護氣上蓋組件與穩(wěn)定器形成封閉空間，工件安裝到位后，4組壓緊氣缸同時動作，將工件壓緊牢固，同時穩(wěn)定器內(nèi)部通過夾具體充入焊接保護氣，使被焊位置背面形成穩(wěn)定的氣保護，提高焊縫成形質(zhì)量。

結(jié)合激光自動焊接系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)組成進行詳細分析與論證，該焊接系統(tǒng)的工件自動壓緊形式簡單，操作方便，保證該系統(tǒng)充足的焊接空間，增加焊縫背面氣體保護功能，提高了工件焊接精度和質(zhì)量。該系統(tǒng)的研制開發(fā)為復雜結(jié)構(gòu)件的自動化焊接提供了新思路、新方法。

2激光焊接工藝開發(fā)

2.1試驗方法及設備

試驗用試板材料為GH536高溫合金。尺寸為400 mm×100 mm×3 mm，采用I形坡口角焊縫形式。焊接試驗采用德國通快公司生產(chǎn)的TRUMPF Trudisk6002光纖激光器及激光頭，焊接過程采用日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMAN 20 kg機器人控制運動完成。焊前對試板進行打磨去除表面油污和氧化物。焊接過程采用99.99%高純度氬氣保護，保護氣流量為25 L/min，可以得到保護良好的銀白色焊縫；激光焊接采用激光自熔形式，焊接過程中采用自制保護氣罩，在施焊前通保護氣10 s，排除工作表面和背部周圍的空氣，焊接結(jié)束后繼續(xù)通保護氣5 s，使焊縫正反面的高溫區(qū)域在冷卻過程中依然得到保護。

2.2焊縫成形分析

試驗針對3 mm 厚GH536高溫合金，采用激光焊接方法針對角焊縫結(jié)構(gòu)，分別從激光功率、焊接速度、激光傾斜角度3個方面進行了工藝試驗優(yōu)化。焊接工藝參數(shù)見表1，焊縫橫截面形貌如圖7所示。

1號、2號、3號、4號為采用45°激光傾斜角度（激光槍頭與試板間夾角），并進行激光功率和焊接速度的變化，從焊縫橫截面形貌可見，雖然熔深增加，但焊縫筋

板背面均未熔透，可見激光傾斜角度對焊縫筋板背面的熔透起到?jīng)Q定作用，焊接速度方面考慮后續(xù)產(chǎn)品焊縫均為短焊縫，焊接速度過快，不易于操作，因此后續(xù)試驗中確定焊接速度為1.0 m/min進行試驗。當對30°（5號、6號）和20°（7號、8號、9號）激光傾斜角度的試驗發(fā)現(xiàn)，當采用傾斜角度為20°時角焊縫熔透效果最佳；并對激光功率進行了優(yōu)化，當采用4.5 kW功率時，焊縫寬度增加，熔透效果最佳，過渡圓滑，圖8為9號焊接參數(shù)下焊縫正反面成形效果。

綜上所述，采取激光焊進行角焊縫焊接時，激光傾斜角度對焊縫的熔透影響因素最大，焊接過程中應嚴格控制激光傾斜角度；激光焊接能量集中，熔池小，為了增加自動焊接過程中的焊接適應性，同時考慮短焊縫焊接時焊縫的均勻性、可靠性，試驗采用焊接速度1.0 m/min時焊接效果較好。

為了更好地評價激光焊接方法在其應用的可行性，針對GH536高溫合金，分別進行了激光焊和TIG接頭性能對比試驗。對2種接頭分別進行了室溫拉伸和高溫拉伸，室溫拉伸性能試樣根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》加工，高溫拉伸試樣根據(jù)GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》加工。每種焊接方式拉伸試樣數(shù)量為3個，拉伸試驗結(jié)果取3個拉伸測試結(jié)果平均值。拉伸性能結(jié)果見表2。結(jié)果表明，激光焊拉伸性能與TIG拉伸性能一致，但激光焊接速度快、熱輸入小，特別對于穩(wěn)定器薄壁構(gòu)件，焊接變形與原有TIG相比，變形顯著降低，固采用激光焊具有明顯優(yōu)勢［6-7］。

3典型產(chǎn)品驗證

利用文中自動化工裝及前期工藝開發(fā)結(jié)果，對穩(wěn)定器樣件進行了試驗驗證，圖9、圖10為焊接工裝實物，圖11為焊后效果。經(jīng)試驗驗證，文中所述的工裝夾具從組裝到焊接再到成品，不但工序節(jié)省、效率大大提高，產(chǎn)品的質(zhì)量也大大改善，焊接過程中的能耗明顯降低，操作簡便。同時也減少了人員，節(jié)省了成本。成品率也大大提高，解決了之前手工組裝，人工焊接，廢品率太高的問題。

4結(jié)論

（1）針對3 mm 厚GH536高溫合金，開發(fā)了激光角焊縫焊接工藝，其激光傾斜角度是影響焊接熔透的關(guān)鍵參數(shù)，當激光傾斜角度20°、激光功率4.5 kW、焊接速度1.0 m/min時，焊接效果最佳。

（2）開發(fā)了用于穩(wěn)定器典型產(chǎn)品的焊接工裝，實現(xiàn)復雜構(gòu)件的自動化焊接，并經(jīng)穩(wěn)定器工件驗證，操作簡便，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，焊接效率得到大幅提升。

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收稿日期： 2022-06-26

張彥東簡介： 學士，工程師；主要從事激光焊接相關(guān)設備設計的研究；yandong0106@163.com。