攪拌摩擦焊環縫焊接的并縫伸縮內撐夾具設計

楊中寶 張 杰 張艷豐 王衛鑫 房浩弟 孝本康

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

攪拌摩擦焊作為一種新型固相連接技術，與傳統熔焊相比，具有消除裂紋、氣孔和提高接頭力學性能等優點，特別適合于航天高強鋁合金的焊接[1]。對接環焊縫作為攪拌摩擦焊的一種典型焊縫形式，影響其焊后產品尺寸精度和形位公差的因素主要有工件的焊前狀態、工件定位夾緊情況和焊接工藝[2]。針對穩定的焊接工藝和可控的焊前狀態而言，裝夾狀態成為最重要的影響因素。為適應自動化焊接需求，目前環縫焊接定位夾具多采用產品內壁作為定位基準，其定位可靠、焊縫質量高[3]，可有效保證裝配同軸度和焊縫對接處的定徑圓度。但采用內撐定位方式，內撐元件間時常存在到位時差、碰撞沖擊、共圓性差及拼接縫隙大等問題，不僅影響產品焊接質量，也給夾具自身精度造成影響。特別對攪拌摩擦焊過程，更需保證產品裝夾的剛性、工藝性和裝配性，以提高產品焊接質量。因此，定位精度高、剛性和工藝性強及結構合理的內撐裝置的設計成為必要。

圖1為法蘭盤和短筒段產品對接環縫的組焊示意圖。兩者材料均為2219高強鋁合金，焊縫焊接區產品壁厚5 mm，內徑360 mm，軸向高度89 mm。針對該環縫攪拌摩擦焊接工況，設計了一種可實現定直徑并縫伸縮的內撐式夾具。

圖1 產品組焊示意圖

1 夾具結構設計

本夾具采用內撐式定位方式，同時對組焊筒段前后端面進行限位夾緊，夾具組成如圖2所示。圖2a為內撐夾具的總裝圖，圖2b為局部剖切后的三維軸測圖。內撐夾具的一端通過轉接盤與外部自動化設備連接，另一端通過絲桿軸與外部裝置的頂尖軸進行定位頂緊，從而實現環縫的攪拌摩擦焊接。

圖2 定直徑并縫伸縮內撐夾具

轉接盤1通過定位孔和螺栓孔與外部自動化設備連接。將絲桿軸2的光軸一端插入轉接盤1的配合孔內，并將T型螺母5與轉接盤1螺接。將定向軸6穿過T型螺母5和轉接盤1插入到絲桿軸2的銷孔內，并將頂絲4和長手柄3安裝到T型螺母5上。通過長螺釘8將連接盤7與轉接盤1固定，并利用粗螺釘19將導向盤18與連接盤7連接。利用銷軸15將滾針軸承14和導向軸16連接，并通過短螺釘17將導向軸16分別與小撐塊22和大撐塊23連接構成小撐塊組件和大撐塊組件各4組。將4組小撐塊組件和4組大撐塊組件依次間隔交替裝入導向盤18的導向孔中。將楔盤20通過平鍵21連接到絲桿軸2上，并將8組撐塊組件的銷軸15裝入楔盤20的導向滑槽內，最后利用小圓螺母12將楔盤20鎖緊。通過細螺釘9將壓環13與壓盤11連接，并將短手柄10安裝到壓盤11上。待裝入組焊筒段產品后，將壓盤11安裝到絲桿軸2上壓緊產品端面。

2 夾具功能及原理

在8組撐塊組件處于收縮狀態下，裝入待組焊的筒段產品。通過向不同方向旋轉長手柄3，利用T型螺母5和定向軸6可控制絲桿軸2沿軸心線方向向上或向下平移，進而帶動楔盤20實現沿軸向的上下平移運動。

如圖3所示，隨著楔盤20沿軸向向下或向上平移運動，進而帶動8組撐塊組件沿徑向向外撐開或向內收縮，最終實現對環縫處組焊產品內壁的定心撐緊或松開。由于小撐塊22和大撐塊23對應的楔盤20上的導向滑槽角度不同，故兩者沿徑向收放速度存在差異。通過合理設計大小撐塊和兩者對應的導向滑槽角度，可實現在外撐和內收運動過程中相鄰撐塊間保持并縫貼合，且可同時到達理論內撐位置實現對組焊產品的共圓定位撐緊。

圖3 撐塊組件運動原理圖

由于T型螺母5和轉接盤1間的螺紋副可實現自鎖，故對組焊產品定位撐緊后撐塊組件可自動鎖緊。隨后通過向不同方向旋轉短手柄10，實現對組焊筒段的壓緊或焊后拆卸。

3 機構運動分析

撐塊組件運動機構如圖4a所示，其中導向盤固定不動，楔盤沿X軸前后平移實現撐塊組件的外撐和內收運動。圖4b和圖4c所示分別為小撐塊和大撐塊運動分析簡圖。

圖4 撐塊運動分析圖

由圖4b可得

由圖4c可得

因每組大小撐塊組件各自結構相同且間隔分布，故任取相鄰的一對撐塊作為研究對象，如圖5所示以分別沿Y向和S向運動的撐塊為例。在兩者貼合面上任取一點a，以小撐塊為研究對象，經分析可知點a沿S向位移分量為

圖5 并縫運動分析圖

運動過程中為保持相鄰的大小撐塊時刻貼合，只需使得小撐塊貼合面上任意一點a與大撐塊貼合面上任意一點b沿S向位移量相等，即滿足

由式（1）～（4）可得，滿足撐塊組件并縫伸縮的條件為

考慮到夾具設計和制造需求，在此對大小撐塊組件的有效長度作進一步研究。如圖4a所示，假設各組撐塊運動至理論內撐位置時，沿X軸相對收縮狀態的位移量為 ΔX′。結合上述分析可知，小撐塊組件有效長度滿足如下關系

大撐塊組件有效長度需滿足的關系為

在合理優化結構設計參數后，即可計算出大小撐塊的有效長度。所有撐塊組件可選用相同的導向軸、滾針軸承及銷軸等連接件，只需調整對應撐塊尺寸即可滿足使用需求，很大程度上增強了夾具的互換性功能[4]。

4 制造要求及研制效果

夾具制造時應注意以下幾點：

（1）為保證撐塊組件的內撐直徑尺寸及形位公差要求，需將大小撐塊組件在組合狀態下進行外圓的精加工。

（2）為保證運動過程中相鄰撐塊間的并縫貼合效果，在公差允許范圍內可對小撐塊安裝槽和并縫貼合面按需修配。

在產品撐緊狀態下，本夾具相關技術指標參數如表1所示。

表1 夾具技術指標參數表 mm

由表1可見，大小撐塊外圓圓柱度公差0.012 mm，滿足產品裝夾定位精度要求。并縫間隙控制在0.02～0.077 mm，滿足攪拌摩擦焊接的生產工藝需求。

經實際生產驗證，夾具采用撐塊組件同步運動形式，消除了大小撐塊的到位時差和碰撞沖擊問題，且夾緊效果良好。對產品采用內撐定位及端面壓緊方式，有效控制了焊接變形。產品焊后技術指標滿足產品及工藝要求，裝配性及焊接工藝性得到了顯著提升。

5 設計創新點及功能特點

（1）通過對撐塊間運動關系的分析，實現了夾具的并縫伸縮式結構設計，有效解決了碰撞沖擊、到位時差等問題。

（2）對夾具內撐定位組件采用組合加工方式，有效保證了定位元件間的共圓性。

（3）先前多采用斜楔機構通過元件間滑動摩擦方式實現內撐。該夾具采用滾動代替滑動摩擦的設計形式，既降低了摩擦阻力又減少了元件間的磨損。

（4）在一定內徑范圍內，僅需更換外側撐塊即可滿足不同內徑產品的裝夾需求，提高了工裝的通用性。

（5）采用內置環槽式T型螺母設計，利用銷槽結合方式實現旋轉變直線運動，使得結構緊湊且操作便捷。

6 結語

（1）本夾具所采用的并縫伸縮結構可解決內撐元件間到位時差和碰撞沖擊問題，保證了部件運動的時序性和平穩性，有效改善了產品焊接的工藝性。

（2）采用整體組合加工和局部修配方式，可有效控制內撐元件共圓性和并縫間隙，提高了夾具制造精度。

（3）通過預置互換性接口，采用撐塊快換形式，增強了夾具的適用性。

（4）該夾具結構設計思路為同類型焊接夾具的設計提供了新方法，其設計原理在產品設計中也可進行借鑒和參考。