王國欣 戚居良

（1.沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000； 2.沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，航天工業(yè)取得了日新月異的變化，對質(zhì)量的要求不斷提高。所以，航天工業(yè)的裝備制造企業(yè)在完成生產(chǎn)目標(biāo)的同時，對質(zhì)量要求不斷提高，控制企業(yè)各方面的成本力度不斷加強(qiáng)，盡量滿足客戶需要。通過調(diào)整產(chǎn)品多元化，提升自身企業(yè)的綜合競爭力，使企業(yè)在國內(nèi)外的激烈的競爭中立于不敗之地。符合生產(chǎn)要求的焊接夾具，應(yīng)具有良好的可靠性和實用性，同時可以保證產(chǎn)品的品質(zhì)。良好的焊接夾具的設(shè)計既能保證零件的性能，也能讓生產(chǎn)效率得到較大提高。因此，在焊接過程中，為保證焊件獲得良好的性能，焊接夾具設(shè)計的合理性非常必要[1]。優(yōu)秀的焊接夾設(shè)計，對提高產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模、品質(zhì)和效率密切相關(guān)。

研究專用焊接夾具當(dāng)今主要以分散的設(shè)計為主，并未有完善的設(shè)計體系。當(dāng)今社會，數(shù)控加工中心使用更加頻繁，機(jī)床加工技術(shù)得到了全面的發(fā)展，技術(shù)逐漸變得成熟。因為專用夾具針對性較強(qiáng)且較復(fù)雜，如果重復(fù)利用會有較多的因素影響，所以總體上發(fā)展相對較慢。國內(nèi)主要以高校和企業(yè)合作研究汽車焊接夾具和航空焊接夾具CAD系統(tǒng)為主。蘭州理工大學(xué)的王政老師通過AutoCAD軟件，在Windows系統(tǒng)下，制作出具有三維參數(shù)化CAD系統(tǒng)的焊接夾具[2]，并利用PRO/ENGINEER，實現(xiàn)了第一、二類杠桿-鉸鏈焊接工裝夾具的設(shè)計[3]。北京航空航天大學(xué)開發(fā)的汽車焊接夾具CAD系統(tǒng)[4]，計算出了焊接夾具在設(shè)計過程中可能得到的誤差,為未來焊接夾具設(shè)計提供了技術(shù)幫助。

由于航空航天飛行器內(nèi)部空間狹小，某些機(jī)械傳動裝置不適合使用電力驅(qū)動方式提供動力，而是借助于高壓儲氣裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)和局部增壓。而此類高壓儲氣裝置多為一類壓力容器，焊接質(zhì)量要求又非常高。如果無法設(shè)計出合理的焊接加工的專用夾具，那么產(chǎn)品就無法生產(chǎn)。同時，高壓儲氣裝置的外形控制需要在焊接夾具的設(shè)計上花費大量時間。如何能合理地設(shè)計出焊接夾具，成為新光公司迫切需要解決的問題。

然而這些系統(tǒng)的針對性強(qiáng)，局限性較為明顯，沒有能夠提供一個完整的設(shè)計系統(tǒng)，以支持整個焊接夾具的設(shè)計過程，進(jìn)而實現(xiàn)其自動化。對于類似于本研究項目的外形復(fù)雜的產(chǎn)品也往往會忽略一些可能產(chǎn)生的干涉甚至尺寸計算錯誤，導(dǎo)致焊接夾具返修難度增加甚至報廢，嚴(yán)重拖慢生產(chǎn)進(jìn)度，影響產(chǎn)品交付。

隨著航空航天高壓氣源裝置結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，為了適應(yīng)新的安裝需求，提高高壓氣源裝置的儲氣量，公司開發(fā)出了雙瓶結(jié)構(gòu)的小型高壓儲氣裝置，該產(chǎn)品將兩個高壓鋼瓶平行排列并使用導(dǎo)管焊接以實現(xiàn)導(dǎo)通的目的。但因為焊接變形雙瓶結(jié)構(gòu)的平行結(jié)構(gòu)在固定架焊接后難以保證平行，所以本次研究針對氣瓶的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了焊接變形控制方面的研究。

2 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)分析

高壓儲氣裝置的兩個不銹鋼氣瓶（材料為沉淀硬化不銹鋼15-5PH）與兩片安裝板（板厚2.5mm，材料為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti）焊接后需要加工4處φ6.5安裝孔，要求兩對安裝孔的中心線間距為389±0.5mm，安裝板1上2個φ6.5安裝孔間距46±0.3，安裝板2上2個φ6.5安裝孔間距46±0.3。

目前從已進(jìn)行的試驗發(fā)現(xiàn)，焊接工序因為焊縫的收縮會造成氣瓶長度變短，而熱處理工序使瓶體的應(yīng)力得到釋放進(jìn)而使氣瓶長度變長。如果按現(xiàn)有的焊接及熱處理方法沒有摸索各工序?qū)ζ矿w的變形影響，安裝板1與安裝板2的間距尺寸會存在超差的風(fēng)險，如安裝板間距過大或過小可能會導(dǎo)致兩對安裝孔無法保證按要求打在設(shè)計要求的區(qū)域，造成產(chǎn)品不合格。

圖1 焊接定位夾具

3 焊接變形分析

已知的常見焊接結(jié)構(gòu)件焊接變形機(jī)理分為以下幾種：

1.金屬在高溫下性能的變化。如低碳鋼在600℃～700℃以上就失去彈性，很小的力就能引起塑性變形。

2.不均勻加熱產(chǎn)生的變形。因焊接是一個局部冶金過程，結(jié)構(gòu)件在不同的位置、時間上受熱、冷卻的條件都不一樣，因此極易在焊接過程中產(chǎn)生變形。

3.不同材料相變時性能的變化。不同材料的線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱率均存在很大差異，多用單件組合而成的結(jié)構(gòu)件在加熱、冷卻過程中產(chǎn)生的變形量影響組件的總體變形量。

4 反變形方案設(shè)計

4.1 焊接參數(shù)影響驗證

考慮到不銹鋼氣瓶與2片安裝板的材料存在差異，如表1所示。

表1 兩種材料導(dǎo)熱率對比

在焊接過程中，如果電流過大則會發(fā)生焊絲和瓶體還未完成熔合，但不銹鋼安裝板卻已經(jīng)燒塌。這一方面是因為瓶體部分散熱面積較大，瓶體的金屬導(dǎo)熱率相對較高（如表1所示），升溫慢；另一方面不銹鋼環(huán)的局部點只能靠空氣散熱，升溫過快。為了解決該問題，本次研究將加厚安裝板的板厚到4mm，提高安裝板強(qiáng)度的同時，可以在安裝板增加體積后減緩安裝板的升溫速率，從而改善焊接性，減小焊接變形量。

4.2 焊接定位夾具設(shè)計

由于在數(shù)控加工安裝板的過程中，兩個φ9的減重孔可以由程序保證兩個孔的中心線與安裝板的棱邊平行，那么只要在定位夾具上利用兩對中心線平行的圓柱銷將安裝板固定即可保證安裝板的平行。為了保證兩對安裝孔的加工面的平面度與平行度，定位夾具需要將這兩對安裝孔的加工面貼合工裝進(jìn)行定位。

定位夾具的件3與件7分別為定位夾具上的4個定位螺栓，將安裝板的φ9穿過定位螺栓后用螺母固定，這樣氣瓶的安裝板的安裝孔加工面就完全貼合在件2與件6的頂面。依靠著氣瓶自身的重力和4個螺母的鎖緊，定位焊安裝板與氣瓶的結(jié)合位置時，氣瓶的各個位置都處于穩(wěn)定緊固的狀態(tài)，受局部焊接收縮而產(chǎn)生的形變趨向就變小。

5 驗證過程

5.1 焊接參數(shù)驗證

在安裝板的厚度由2.5mm調(diào)整為4mm后，為了達(dá)到良好的焊接效果，本次研究針對1Cr18Ni9Ti材料的安裝板和15-5PH材料的瓶體做了模擬焊接，分別加工了4件1Cr18Ni9Ti的φ20環(huán)以及2件15-5PH材料φ20棒，每1件φ20棒分別與2件φ20環(huán)進(jìn)行焊接。因產(chǎn)品加工狀態(tài)為鋼制內(nèi)膽焊接、熱處理后進(jìn)行安裝板的焊接，所以將φ20按照產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)制熱處理。焊接參數(shù)對比如表2。

表2 試棒與試環(huán)焊接參數(shù)驗證

經(jīng)過對比，當(dāng)電流值在30A左右時，φ20棒一側(cè)熔化較慢導(dǎo)致環(huán)燒損比較嚴(yán)重，無論是否預(yù)熱，焊后外觀均不理想。50A左右的電流（組3、組4）外觀要明顯好于組1、組2。

5.2 焊接定位夾具加工及驗證

氣瓶的瓶體的長度尺寸為352mm，由于機(jī)加累積公差、焊接收縮及熱處理影響，每個瓶體的數(shù)值不可能完全一致，在工裝設(shè)計時考慮到了兩對φ9孔的距離不可以設(shè)為定值，因此特意將件2與底板的安裝方式設(shè)計成了滑塊與方槽。槽寬要求，而滑塊寬要求，保證緊密貼合的同時，又可以在槽內(nèi)滑動，便于在不同的氣瓶裝配時調(diào)整φ9孔的距離。

根據(jù)表3，熱加工后的瓶體變形量約為（-1.3）+（-0.3）=-1.6mm。經(jīng)過對氣瓶筒子名義尺寸的二次調(diào)整，將名義尺寸267±0.2mm修正為268.6±0.2mm，修正后加工的20臺該批瓶體的尺寸最終均為351.7～352.1mm。由于安裝孔將正好落在安裝板的中心位置，避免了因352mm尺寸接近下差后，安裝孔自上而下的投影貼近安裝板邊緣，從而避免了因安裝板微量變形的影響導(dǎo)致的氣瓶校型。事實上，安裝板在加厚之后校型的難度很大，因此，在焊接前必須減少有可能導(dǎo)致校型的不利因素。此次工藝更改為安裝孔加工提供了有效的前期準(zhǔn)備。

表3 瓶體長度尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用該焊接定位夾具進(jìn)行焊接的本批產(chǎn)品氣瓶共20臺，均能保證兩對安裝孔的中心線間距為389±0.5mm，兩片安裝板相對位置平行。

6 結(jié)論

根據(jù)高壓儲氣裝置遇到的瓶頸問題，展開了本次工藝研究工作。通過焊接變形量摸索、優(yōu)化工裝、優(yōu)化焊接工藝方法以及優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)行試驗件的驗證和整批產(chǎn)品的驗證，并利用無損探傷、三坐標(biāo)檢測等手段對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足使用要求。通過本次攻關(guān)解決了高壓儲氣裝置的焊接變形問題，為后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)提供依據(jù)和保障。