第八章 装配焊接工艺装备
本章针对焊接工装夹具的种类和组成、定位及夹紧机构；焊接变位机械的分类、作用和特点等方面作以介绍。
第一节 概述
装配焊接夹具也称焊接工装夹具，它与焊接变位机械装备在焊接结构生产中总称为工艺装备。其中工装夹具包括定位器、夹紧器、推拉装置等；变位机械装备主要包括各种焊件、焊机、焊工变位机械等机械装置。
一、工艺装备在焊接生产中的地位和作用
主要作用：
① 准确、可靠的定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和装配时的划线工作。
② 有效地防止和减小焊接变形，从而减轻了焊接后的矫正工作量，达到减少工时消耗和提高劳动生产率的目的。
③ 能够保证最佳的施焊位置，焊缝的成形性优良，工艺缺陷明显降低，焊接速度提高，可获得满意的焊接接头。
④ 采用工艺装备，实现以机械装置取代装配零部件的定位、夹紧及工件翻转等繁重的工作，改善了工人的劳动条件。
⑤ 可以扩大先进工艺方法和设备的使用范围，促进焊接结构生产机械化和自动化的综合发展。
二、焊接工艺装备的分类
1．焊接工装夹具
焊接工装夹具是将工件进行准确定位和可靠夹紧，便于零部件进行装配和焊接的工艺装置、装备或工具等。
2．焊接变位机械装备
焊接变位机械装备是通过改变焊件、焊机或焊工位置来实现机械化、自动化焊接的各种机械装置。焊件移动装置包括焊接变位机械、滚轮架、回转台和翻转机等；焊机移动装置包括焊接操作机、电渣焊立架等；焊工升降台是改变工人操作位置的机械装置。
3．辅助装置
此类装置包括焊丝处理、焊剂回收、焊剂垫以及各类吊具、地面运输设备、起重机、运输机等。
三、工艺装备的特点
1．工艺装备与备料加工的关系
采用工艺装备进行备料加工，要与零件几何形状、尺寸偏差和位置精度的要求相匹配，尽可能使零件具有互换性，提高坡口的加工质量以及减小弯曲成形的缺陷
2．工艺装备与装配工艺的关系
利用定位器和夹紧器等装置进行焊接结构的装配，其定位基准和定位点的选择与零件的装配顺序、零件尺寸精度和表面粗糙度有关。
3．工艺装备与焊接工艺的关系
采用自动焊时，一般对焊接机头的定位有较高的精度要求，以保证工作时稳定性，并可以在较宽的范围内调节焊接速度。当采用手工焊接时，则对工艺装备的运动速度要求不太严格。
4．工艺装备与生产规模的关系
单件生产时，一般选用通用的工装夹具；
成批量生产某种产品时，通常是选用较为专用的工装夹具，也可以利用通用的、标准的夹具的零件或组件；
对于专业化大量生产的结构产品，采用专门的装备来完成，形成专业生产线。
第二节 焊接工装夹具
一个完整的工装夹具，一般由定位器、夹紧机构和夹具体三部分组成。
一、零件的定位及定位器
1．定位原理
六点定位规则：自由物体在空间直角坐标系中有六个自由度，即沿Ox、Oy、Oz三个轴向的相对移动和三个绕轴的相对转动。要使工件在夹具中具有准确和确定不变的位置，则必须限制这六个自由度，每限制一个自由度，工件就需与夹具上的一个定位点相接触，这种以六点限制工件六个自由度的方法称为“六点定位规则”。
1）主要定位基准：有三个支承点，限制了零件的三个自由度，通常选择零件上最大表面作为主要定位基准。
2）导向定位基准：有二个支承点，限制了零件的二个自由度，通常选择零件上最长的表面作为导向定位基准。
3）止推定位基准：有一个支承点，限制零件最后一个自由度，通常选择零件上最短、最窄的表面作为止推定位基准。
完全定位：工件的六个自由度均被限制的定位方法。
不完全定位：工件被限制的自由度少于六个，但仍能保证加工要求的定位。
过定位：选用两个或更多的支承点限制一个自由度的定位方法。
欠定位：在夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有被限制的定位方法。
2．定位在准的选择
定位基准的选择是定位器设计中的一个关键问题，选择定位器时应注意以下几点：
① 定位基准应尽可能与焊件起始基准重合，以便消除由于基准不重合造成的误差。
② 应选用零件上平整、光洁的表面作为定位基准。
③ 定位基准夹紧力的作用点应尽量靠近焊缝区。
④ 可根据焊接结构的布置、装配顺序等综合因素考虑。
⑤ 应尽可能使夹具的定位基准统一。
3．定位器及其应用
定位器在使用时，可根据工件的结构形式和定位要求进行选择，大致分类如下：
（1）平面定位用定位器
1）挡铁是一种应用较广且结构简单的定位元件。除平面定位外，也常利用挡铁对板焊结构或型钢结构的端部进行边缘定位。
形式：① 固定式挡铁；② 可拆式挡铁；③ 永磁式挡铁；④ 可退出式挡铁
2）支承钉和支承板主要用于平面定位。
① 固定式支承钉，又分为平头支承钉、球头支承钉、带花纹头的支承钉。
② 可调式支承钉，用于零件表面未经加工或表面精度相差较大，而又需以此平面做定位基准时选用。
③ 支承板定位，适用于零件的侧面和顶面定位。
（2）圆孔定位用定位器
利用零件上的装配孔、螺钉或螺栓孔及专用定位孔等作为定位基准时多采用定位销定位。定位销一般按过渡配合或过盈配合压入夹具体内，其工作应根据零件上的孔径按间隙配合制造。
形式：①固定式定位销；②可换式定位销；③可拆式定位销；④可退出式定位销
（3）外圆表面定位用定位器
生产中，圆柱表面的定位多采用V形块。V形块上两斜面的夹角α一般选用60°、90°、120°三种，焊接夹具中V形块的两斜面夹角多为90°。
形式：① 固定式V形块；② 调整式V形块；③ 活动式V形块
二、零件的夹紧机构
夹紧机构的作用是保持定位的准确定位和防止零件经装配和焊接过程中因受力和翻转而发生位移。
1．夹紧机构的特点
选用夹紧机构的核心问题是如何正确施加夹紧力，即确定夹紧力的大小、方向和作用点三个要素。
（1）夹紧力方向的确定
夹紧力的方向一般垂直于主要定位基准，使这一表面与夹具定位件的接触面积最大；夹紧力的方向应尽可能与零件的重力和所受外力的方向相同，使所需设计的夹紧力最小，因此主要定位基准的位置最好是水平的。
（2）夹紧力作用点的确定
作用点应位于零件的定位支承之上或几个支承所组成的定位平面内，以防止支承反力与夹紧力或支承反力与重力形成力偶造成零件的位移和偏转；作用点应安置在零件刚性最大的部位上，必要时，可将单点夹紧改为双点夹紧或适当增加夹紧接触面积。
（3）夹紧力大小的确定
1）当焊件在夹具上具有翻转或回转动作时，夹紧力要足以克服重力和惯性力的影响，保持夹具夹紧焊件的牢固性。
2）需要在夹具上实现弹性支变形时，夹紧装置就应具有使零件获得预定反变形量所需的夹紧力。
3）夹紧力要足以应付焊接过程热应力引起的拘束应力。
4）夹紧力应能克服零件因备料、运输等造成的局部变形，以便于顺利装配。
2．对夹紧机构的基本要求
1）夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。
2）夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损坏零件表面质量。
3）夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调的。
4）结构力求简单，便于制造和维修。
3．常用的夹紧机构
（1）楔形夹紧器 楔形夹紧器是一种最基本、最简单的夹紧元件。工作时，主要通过斜面的移动所产生的压力夹紧工件。
自锁条件：斜楔的升角α应小斜楔与工件、斜楔与夹具体之间的
磨擦角之和，即： α<ψ1+ψ2
设计时，手动夹紧时α=6°~ 8°；
当斜楔动力源由气压或液压提供时，可将斜楔升角α扩大，15°~ 30°时为非自锁式。
斜楔的夹紧行程可按下式确定：
h = s tgα
加大斜楔升角和制成双斜面斜楔，可减小夹紧时楔的行程，提高生产效率。
（2）螺旋夹紧器
螺旋夹紧器一般由螺杆、螺母和主体三部分组成，配合使用的有压块、手柄等。使用时，通过螺杆与螺母的相对旋动达到夹紧工件的目的。为防止对零件表面的压伤和产生位移，可在螺杆的端部装有可摆动的压块。（图9-8）
为克服螺旋夹紧器夹紧动作缓慢、辅助时间长和工作效率不高的缺点，研制了几种快速夹紧的结构形式：（如图9-9所示）
① 旋转式螺旋夹紧器；② 铰接式夹紧器；③ 快撤式夹紧器
（3）偏心轮夹紧器
偏心轮是指绕一个与几何中心相对偏移一定距离的回转中心而旋转的零件。偏心轮夹紧器是由偏心轮或轮的自锁性能来实现夹紧作用的夹紧装置。夹紧动作迅速，特别适用于尺寸偏差较小、夹紧力不大及很少振动情况下的成批大量生产。
圆偏心轮在任何位置都能自锁的条件是：2е/ D ≤ ?
式中D——圆偏心轮直径（D=2R）；
——圆偏心轮与零件磨擦系数一般取0.1~0.15。
生产中多采用?=0.15，此时偏心距应为е< 0.05D。
具有弹簧复位装置的偏心轮夹紧器（图9-11）；
用于夹持圆柱表面和管子的偏心轮夹紧器（图9-12）。
(4) 杠杆夹紧器
这是一种利用杠杆作用原理，使原始力转变为夹紧力的夹紧机构。作用原理如图9-13所示。
典型杠杆夹紧器，如图9-14所示。
杠杆夹紧器夹紧动作迅速，可起到增力作用，但自锁能力较差，受振动时易松开，所以常用气压或液压作夹紧力源或与其它夹紧元件组成复合夹紧机构。
螺旋——杠杆夹紧器，适用于多种管径的夹紧。（如图9-15所示）
4．气动与液压夹紧器
（1）气动夹紧器 气动夹紧器具有夹紧动作迅速，夹紧力稳定并可调节，结构简单，操作方便，不污染环境及有利于实现程序控制操作等特点。
应用：（如图9-18所示）
(2)液压夹紧器 液压夹紧器工作平稳，夹紧力大，有较好的过载能力。但需要一套专用的液压动力装置，而且系统密封要求高，制造成本也高。
液压撑圆器，如图9-20所示。
5．磁力夹紧器
是借助磁力吸引铁磁性材料的零件来实现夹紧的装置。
分类：
按磁力来源分 永磁式夹紧器、电磁式夹紧器（图9-21）
按工作性质分 固定式夹紧器、移动式夹紧器（图9-22）
6．专用夹具
专用夹具是指具有专一用途的焊接工装夹具装置，是针对某种产品的装配与焊接需要而专门制作的。专用夹具的组成基本上是根据被装焊零件的外形和几何尺寸，在夹具体上按照定位和夹紧的要求，安装了不同的定位器和夹紧机构。
7．组合夹具
组合夹具是由一些规格化的夹具元件，按照产品加工的要求拼装而成的可拆式夹具。对于品种多、变化快、批量少，且生产周期短的生产场合，采用拼装灵活、可重复使用的组合夹具大有好处。
组合夹具按照基本元件的连接方式不同，可分为两大系统：
槽系统：组合夹具的元件之间主要依靠槽来进行定位和紧固；
孔系统：组合夹具的元件之间主要依靠孔来进行定位和紧固。
组合夹具中按照元件的功用不同可分为基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合成件及辅助件等八个类别。
三、工装夹具设计的基本知识
1．夹具设计的基本要求
（1）工装夹具应具备足够的强度和刚度
（2）夹紧的可靠性
（3）焊接操作的灵活性
（4）便于焊件的装卸
（5）良好的工艺性
2．工装夹具设计的基本方法与步骤
（1）设计前的准备
夹具设计的原始资料包括以下内容：
1）夹具设计任务单；
2）工件图样及技术条件；
3）工件的装配工艺规程；
4）夹具设计的技术条件；
5）夹具的标准化和规格化资料，包括国家标准、工厂标准和规格化结构图册等。
（2）设计的步骤
1）确定夹具结构方案
2）绘制夹具工作总图阶段
3）绘制装配焊接夹具零件图阶段
4）编写装配焊接夹具设计说明书
5）必要时，还需要编写装配焊接夹具使用说明书，包括机具的性能、使用注意事项等内容。
3．工装夹具制造的精度要求
夹具的制造公差，根据夹具元件的功用及装配要求不同可将夹具元件分为四类：
1）第一类是直接与工件接触，并严格确定工件的位置和形状的，主要包括接头定位件、V形块、定位销等定位元件。
2）第二类是各种导向件，此类元件虽不与定位工件直接接触，但它确定第一类元件的位置。
3）第三类属于夹具内部结构零件相互配合的夹具元件，如夹紧装置各组成零件之间的配合尺寸公差。
4）第四类是不影响工件位置，也不与其它元件相配合，如夹具的主体骨架等。
4．夹具结构工艺性
（1）对夹具良好工艺性的基本要求
1）整体夹具结构的组成，应尽量采用各种标准件和通用件，制造专用件的比例应尽量少，减少制造劳动量和降低费用。
2）各种专用零件和部件结构形状应容易制造和测量，装配和调试方便。
3）便于夹具的维护和修理。
（2）合理选择装配基准
1）装配基准应该是夹具上一个独立的基准表面或线，其它元件的位置只对此表面或线进行调整和修配。
2）装配基准一经加工完毕，其位置和尺寸就不应再变动。因此，那些在装配过程中自身的位置和尺寸尚须调整或修配的表面或线不能作为装配基准。
（3）结构的可调性
经常采用的是依靠螺栓紧固、销钉定位的方式，调整和装配夹具时，可对某一元件尺寸较方便地修磨。还可采用在元件与部件之间设置调整垫圈、调整垫片或调整套等来控制装配尺寸，补偿其它元件的误差，提高夹具精度。
（4）维修工艺性
进行夹具设计时，应考虑到维修方便的问题。（如图9-29所示）
（5）制造工装夹具的材料
四、夹具结构实例分析
第三节 焊接变位机械
焊接变位机械的作用：通过改变焊件、焊机及焊接工人的操作位置，达到和保持焊接位置的最佳状态；利于实现机械化和自动化生产。
焊接变位机械的主要类型有以下几种：
1）焊件变位机械。用于支承焊件并能够回转和倾斜，使焊缝处于水平或船形位置。
2）焊机变位机械。保证焊接机头准确到达和保持在焊接位置上，按选定的焊接速度沿着规定的轨迹移动焊接机头。
3）焊工变位机械。改变焊工操作位置的变位机械，用于高大工件的手工焊接。
一、焊件变位机械
1．焊件变位机
焊件变位机主要应用于框架形、箱形、盘形和其它非长形机件的焊接。
1）伸臂式焊件变位机 主要用于手工焊的筒形工件的环缝自动焊。载重量一般设计为1t，最大不超过3t 。工作台能以稳定的焊接速度回转，以便获得优良的焊缝成形。伸臂旋转时，其空间轨迹为圆锥面，在改变工件的倾斜位置的同时将伴随着工件的升高和下降，以满足获得最佳施焊位置的需求。
2）座式焊件变位机 工作台连同回转机构支承在两边的倾斜轴上，工作台以焊速回转，倾斜轴通过机械传动或液压缸多在140范围内恒速倾斜。此种变位机对生产适应性强，承载能力可达50t，应用最广泛。
3）双座式焊件变位机 工作台座落在U形架上，U形架座落在两侧机座上，工作台以恒速或以焊接速度绕水平轴转动。特别适合于大型和重型工件的焊接变位。
2．焊接滚轮架
焊接滚轮架是借助主动滚轮与工件之间的磨擦力带动筒形工件旋转的焊件变位机械。主要应用于筒形工件的装配和焊接。
焊接滚轮架按结构形式不同有以下几种类型：
1）长轴式滚轮架 支承滚轮多，适用于长度大的薄壁筒体，而且筒体在回转时不易打滑，能较方便的对准两节筒体的环形焊缝。不足之处是设备位置固定、占地面积大。
2）组合式滚轮架 是由电动机传动的主动轮对与从动轮对组合而成，选用滚轮对的多少可根据焊件的重量和长度确定，焊件上的孔洞和凸起部位可通过调整滚轮位置避开。使用方便灵活，对焊件的适应性强，是目前焊接生产中应用最广泛的一种结构形式。
3）自调式滚轮架 可根据工件的直径自动调节滚轮的中心距，适应在一个工作地点装配和焊接不同直径筒体的生产。
4）履带式滚轮架 适用于轻型、薄壁大直径的焊件及有色金属容器。不足之处在于，工件容易产生螺旋形轴向窜动。
3．焊接回转台
焊接回转台是将工件绕垂直轴或倾斜轴回转的焊件变位机械。工作台能以焊速回转，且均匀可调。通常回转台适用于高度不大、有环形焊缝的焊接或封头的切割工作。
几种定向回转台，如图9-41所示。
焊接汽车轮毂的专用回转台，如图9-42所示。
4．焊接翻转机
焊接翻转机是将工件绕水平轴转动或倾斜，使之处于有利于装焊位置的焊件变位机械。主要适用于梁、柱、框架及椭圆容器等长形工件的装配和焊接。常见的结构形式有：
1）头尾架式翻转机
不适用于刚性小、易挠曲的工件。对于较短的工件，可单独使用头架固定翻转。
典型的头尾架式翻转机，如图9-43所示。
2）框架式翻转机
可升降的框架式翻转机，如图9-44所示。
多轴式焊接翻转机，如图9-45所示。
3）转环式翻转机
典型的转环式翻转机，如图9-46所示。
生产中，使用转环式翻转机时应注意如下问题：
① 正确安放焊件，使其重心尽可能与转环的中心重合。
② 支承环的位置应以不影响焊件的正常焊接工作为准。
③ 采用电磁闸瓦制动装置时，避免因支承环的偏心作用而旋转。
④ 一般采用两个支承环同时担负对焊件的支承，一为主动环，一个为被动环。
4）链条式翻转机
主要用于经装配定位焊后自身刚性很强的梁柱等，如图7-7所示。链条翻转机的结构简单，工件装卸迅速，但使用时应注意因翻转速度不均而产生的冲击作用。
5）液压双面翻转机
12t液压双面翻转机，如图9-47所示。
二、焊机变位机械
在生产中，焊机变位机械常与焊件变位机械配合使用，完成多种焊缝，如环缝、纵缝、对接焊缝、角焊缝及任意曲线焊缝的自动焊接工作，也可以进行工件表面的自动堆焊和切割工艺。
按结构形式不同可分为：
1．焊接操作机
1）平台式操作机 主要用于筒形容器的外纵缝和外环缝的焊接。如图9-48所示。
完成的动作有：台车运行；平台升降；机头水平移动。
焊接速度：机头在平台专用轨道上的移动速度。
2）悬臂式操作机 可以焊接不同直径容器的纵、环焊缝。如图9-49所示。
完成的动作有：台车移动；悬臂升降；立柱回转；机头移动。
焊接速度：机头沿悬臂的移动速度。
3）伸缩臂式操作机 可以完成各种工位上内外环缝和内外纵缝的焊接。如图9-51。
完成的动作有：台车行走、立柱回转、伸缩臂伸缩、伸缩臂升降。
焊接速度：伸缩臂伸缩速度。
4）折臂式操作机 可以完成工件外表面焊缝的焊接工作，如图9-53所示。
完成的动作有：折臂升降、机头移动、折臂折叠。
焊接速度：机头沿横臂的移动速度。
5）门架式操作机 主要适用于批量生产的专业车间，如图9-54所示。
完成的动作有：立柱移动、平台式横梁升降、机头行走
焊接速度：机头在横梁上的移动速度
2．电渣焊立架
电渣焊生产时，焊缝多处于立焊位置，焊接机头沿专用轨道由下而上运动。由于产品结构的多样化，通常需要根据产品的结构形式与尺寸设计配备一套专用的电渣焊接装置——电渣焊立架，在立架上安装标准的电渣焊机头进行焊接。如图9-55所示。
三、焊工变位机械
这是改变操作工人工作位置的机械装置，它有多种形式。设计和使用焊工升降台时安全至关重要，工作台移动平衡，工作时不应逐渐或突然改变原定位置；还应考虑到装置移动是否灵活，调节方便，快而准确的到达所要求的焊接位置，并具有足够的承载能力。
移动式液压焊工升降台，如图9-56所示。
垂直升降液压焊工升降台，如图9-57所示。
四、变位机械装备的组合应用
通过各类机械装备的组合，更加充分发挥焊接机械装备的作用，提高装配焊接机械水平，实现高质量、高效率的生产。
平台式操作机与滚轮架组合应用，如图9-58所示。
伸缩臂操作机与滚轮架组合应用，如图9-59所示。
第四节 其它装置与装备
一、装焊吊具
在焊接生产中，焊接构件在工位之间要往返吊运，还要进行零部件的翻转、就位、分散或集中等作业，采用装焊吊具可提高生产率、节省工时、减轻捆挂作业强度及安全生产。
装焊吊具按其作用原理不同，可分为机械吊具、磁力吊具和真空吊具。
1．机械吊具
主要用于板材水平吊装的吊具如图9-60所示，吊具成对使用，整体吊具由吊爪、压板、销轴及吊耳组成。为了保证吊具的使用安全，吊具在使用前应进行超载试验。超载量规定为额定载荷的25%，并持续10min，卸载后吊具不得有残余变形、微裂或开裂等缺陷。
梁用吊具，如图9-61所示。
2．磁性吊具
在磁力吊具中，可分为以下三种：
① 永磁式：磁性逐渐减弱，卸料较慢，不会发生突发事故。
② 电磁式：磁力较强，卸料方便，断电时容易发生突发事故。
③ 永磁——电磁式吊具：安全可靠，无需担心因停电和其它电器故障而发生工件坠落造成人身身和设备事故；省电，通电时间短，电耗量少，是一种节能型的安全吊具。
永磁——电磁吊具，如图9-62所示。
3．真空吊具
工作时，依靠真空泵将吸盘内抽成真空吸附工件。由于吸力有限，主要用于吊运表面平整、重量不大的薄板。
真空吊具，如图9-63所示。
4．除上述吊具外，焊接结构生产车间必不可少的还有一些起重运输设备，如：地面运输设备、起重机械类、输送机等。
二、焊接机器人简介
焊接机器人是在焊接结构生产中部分地取代人的功能，可完成由程序控制的复杂的焊接操作设备。直接用于焊接的有电弧焊、电阻焊、气焊等机器人。
1．焊接机器人的组成
（1）执行部分 是机器人为完成焊接任务而传递力或力矩并执行具体动作的机械结构。包括机器人的机身、臂、腕、手等。
（2）控制部分 负责控制机械结构按所规定的程序和所要求的轨迹，在规定的位置之间完成焊接作业的电子、电气元件和计算机系统。
（3）动力源及传递部分 它可为执行部分提供和传递机械能的部件与装置，动力源多为电动或液压。
（4）工艺保障部分 主要包括焊接电源、送丝、送气装置等。
2．机器人的自由度
机器人的臂和腕是基本动作部分。任何一种设计的机器人臂部都有三个自由度，以保证臂的端部能够到达其工作范围内的任何一点。腕部的三个自由度是绕空间相互垂直的三个坐标轴x、y、z的回转运动，一般称其为滚转、俯仰和偏转运动。
在引进和选用机器人应考虑以下几个方面：
1）焊件的生产类型属于多品种、小批量的生产性质。
2）焊件的结构尺寸以中小型焊接机器零件为主，且焊件的材质、厚度有利于采用点焊或气体保护焊的焊接方法。
3）待焊坯料在尺寸精度和装配精度等方面能满足机器人焊接的工艺要求。
4）与机器人配套使用的设备如各类变位机及输送机等应能与机器人联机协调动作，使生产节奏合拍。
