焊接工装及其设计

焊接工装及其设计第一章概述第一节焊接工装的作用、分类和特点在机械加工、产品检验、装配和焊接等工艺过程中，使用着大量的工艺装备，简称工装，用以安装加工对象，使之占有正确的位置，以保证零件和产品的质量，并提高生产效率。

大多数焊接工装是为某种焊接组合件的装配焊接工艺而专门设计的，属于非标准装置，往往需要各制造厂根据本厂的产品结构特点、生产条件和实际需要自行设计制造或者外协定做。

焊接工装设计是生产准备工作的重要内容之一，也是焊接生产工艺设计的主要任务之一，对于汽车、摩托车和飞机等制造业，可以毫不夸张地说，没有焊接工装就没有产品。

因此，焊接工艺人员应掌握有关工装设计的基础知识。

通常在工艺设计时，提出所需要的工装类型、结构草图和简要说明（例如装配焊接顺序、焊接变形预防或减小措施、焊接速度和焊接电流回路等）。

在此基础上由工装设计人员完成详细的结构和零件设计及全部图样。

如果设计者对焊接工艺过程生疏，往往设计的工装夹具适用性较差，甚至不能满足生产要求。

事实表明，为了使设计的工装适用性良好，通常由工艺工程师来主持设计或亲自参与设计。

一、焊接工装的作用1. 提高焊接制品的精度，保证其互换性在装配定位焊时，如果不使用工装夹具，即使组合件是由几个零件组成的，欲保证各零件精确的相对位置，也是不可能的。

此外，在焊接过程中，焊件往往会产生变形，尤其是复杂的结构，其变形有时会达到无法消除的程度，就会影响到后面总装配工作，甚至造成产品报废。

采用工装夹具，不仅可以保证装配定位焊时，各零件正确的相对位置，而且可以防止或减少工件的焊接变形。

尤其是批量生产时，可以稳定焊接质量，减少焊件尺寸偏差，保证产品的互换性。

2. 提高劳动生产率，降低制造成本焊接结构生产过程一般包括：准备（焊接材料的清洗、烘干、工件开坡口等），装配（对正、定位、夹紧或点固焊等），焊接，清理（从工装夹具上卸除工件，清除焊渣等），检验，焊后热处理及矫正，最后检验等工序。

焊前和焊后各项辅助工序的劳动量往往超过焊接工序本身。

因此，提高劳动生产率最有效的措施是减少辅助工序的时间。

在焊接结构生产中，由于焊件的复杂程度不同，纯焊接时间仅占产品全部加工时间的10% ~30%，其余为备料、装配及辅助工作等时间。

对于梁柱结构，装配与翻转工作时间占总生产工时的30% ~50%；对于圆筒结构，其壁厚16mm、长度1.5m 的纵缝自动埋弧焊的焊接时间为8min，而其辅助时间为40min，即焊接时间只占装焊总工时的17%，在这种情况下，即使把焊接速度提高# 倍（一般很难办到），也只能提高生产率约10%。

如果采用高效率的焊接工装夹具，使辅助时间减少到20min，那么劳动生产率就可以提高40%。

显然，欲缩短生产周期，提高劳动生产率，除了采用自动化焊接工艺外，还要采用先进的装配工艺，采用机械化和自动化程度高的工装夹具。

采用焊接工装还可以降低制造成本。

产品成本一般包括原材料费用、燃料动力费用、厂房设备折旧费、工资、管理费等。

制造焊接工装虽然要增加产品的成本，但是各种工装和设备投资以及管理费等，仅仅是分摊到每个产品上的一部分。

一旦焊接工装发挥作用，它就能减少装配和焊接工时的消耗，从而提高劳动生产率；降低对装配、焊接工人的技术水平要求；由于焊接质量高，可以减免焊后矫正变形或修补工序，简化检验工序等，缩短整个产品的生产周期。

这些效果导致产品成本大幅度降低，制造工装设备的投入将远小于产出。

另外，采用工装并不意味着要选用机构复杂、价格昂贵的设备，许多情况下采用一些简单的定位器、夹紧器或将现有设备稍加改装，往往也能收到明显的技术经济效益。

3. 减轻劳动强度，保障安全生产采用工装夹具，工件定位快速，装夹方便、省力，减轻了焊件装配定位和夹紧时的繁重体力劳动；焊件的翻转可以实现机械化，变位迅速，使焊接条件较差的空间位置焊缝变为焊接条件较好的平焊位置焊缝，劳动条件大为改善，同时有利于焊接生产安全管理。

二、焊接工装的分类焊接结构种类繁多，形状尺寸各异，生产工艺过程和要求也各不相同，相应的工艺装备在形式、工作原理及技术要求上也有很大差别。

为了适应技术管理工作的需要，便于掌握各类工装的工作特点和设计基本方法，有必要就目前已有的焊接工装进行分类。

1. 按用途分类（1）装配用工艺装备这类工装主要任务是按产品图样和工艺上的要求，把焊件中各零件或部件的相互位置准确地固定下来，只进行定位焊，而不完成整个焊接工作。

这类工装通常称为装配定位焊夹具，也叫暂焊夹具，它包括各种定位器、压夹器、推拉装置、组合夹具和装配胎架。

（2）焊接用工艺装备这类工装专门用来焊接已点固好的工件。

例如，移动焊机的龙门式、悬臂式、可伸缩悬臂式、平台式、爬行式等焊接机；移动焊工的升降台等。

（3）装配焊接工艺装备在这类工装上既能完成整个焊件的装配又能完成焊缝的焊接工作。

这类工装通常是专用焊接机床或自动焊接装置，或者是装配焊接的综合机械化装置，如一些自动化生产线。

应该指出，实际生产中工艺装备的功能往往不是单一的，如定位器、夹紧器常与装配台架合在一起，装配台架又与焊件操作机械合并在一套装置上；焊件变位机与移动焊机的焊接操作机、焊接电源、电气控制系统等组合，构成机械化自动化程度较高的焊接中心。

2. 按应用范围分类（1）通用焊接工装指已标准化且有较大适用范围的工装。

这类工装无需调整或稍加调整，就能适用于不同工件的装配或焊接工作。

（2）专用焊接工装只适用于某一工件的装配或焊接，产品变换后，该工装就不再适用。

（3）柔性焊接工装指用同一工装系统装配焊接在形状与尺寸上有所变化的多种工件。

柔性概念没有明确的界限，可以是广义的，即工件变化可以在大范围，形状完全不同，尺寸变化也很大，如组合夹具；也可以是狭义的，工件变化只在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内，如可调整夹具。

3. 按动力源分类可分为手动、气动、液压、电动、磁力、真空等焊接工艺装备。

4. 按焊接方法分类可分为电弧焊工装、电阻焊工装、钎焊工装、特种焊工装等。

三、焊接工装的特点焊接工装的特点，是由装配焊接工艺和焊接结构决定的。

与机床夹具比较其特点是：（1）在焊接工艺装备中进行装配和焊接的零件有多个，它们的装配和焊接按一定的顺序逐步进行，其定位和夹紧也都是分别的单独的或是一批批联动地进行，其动作次序和功能要与制造工艺过程相符合。

（2）焊件在工装中比机加工零件在机床夹具中受有较小的夹持力，而且不同零件、不同部件的夹持力也不相同。

在焊接过程中，当零件因焊接加热而伸长或因冷却而缩短时，为了减少或消除焊接变形，要求对某些零件给予反变形或作刚性固定。

但是，为了减少焊接应力，又允许某些零件在某一方向是自由的。

有些零件仅利用定位装置定位即可，而不夹紧。

因此，在焊接工装中不是对所有的零件都作刚性的固定。

（3）由于工装往往是焊接电源二次回路的一个部分，有时为了防止焊接电流流过机件而使其烧坏，需要进行绝缘。

因此绝缘和导电是一个重要而特殊的问题。

例如，在设计电阻焊用的夹具时，如果绝缘处理不当，将引起分流，使焊接接头强度降低。

在设计电弧焊用的变位机时，如果导电系统设计不当，将会烧坏轴承。

（4）焊接工装要与焊接方法相适应。

例如，用于熔化焊的夹具，工作时主要承受焊接应力和夹紧反力以及焊件的重力；用于压力焊的夹具主要承受顶锻力。

薄板钨极氩弧焊要求在夹具上设置铜垫，埋弧焊可在夹具上设置焊剂垫；焊接钛合金、锆合金等活性材料，可以考虑背面充氩气保护；焊接高强钢为防止裂纹需要焊前预热或焊后缓冷的，可以考虑在夹具上设置加热装置；再如，为了避免直流电弧的磁偏吹现象，焊缝两侧的压块不用磁性材料制作；真空电子束焊所使用的夹具也要考虑磁性材料对电子束聚焦的影响。

（5）焊接件为薄板冲压件时，其刚性比较差，极易变形，如果仍然按刚体的六点定位原理，即N-2-1 定位，工件就可能因自重或夹紧力的作用，定位部位发生变形而影响定位精度。

此外，薄板焊接主要产生波浪变形，为了防止变形，通常采用比较多的辅助定位点和辅助夹紧点以及过多的依赖于冲压件外形定位。

因此，薄板焊接工装与机床夹具有显著的差别，不仅要满足精确定位的共性要求，还要充分考虑薄板冲压件的易变形和制造尺寸偏差较大的特征，在第一基面上的定位点数目N 允许大于3，即采用N-2-1定位原理。

第二节焊接工装设计的基本原则焊接工装设计是焊接生产准备工作的重要内容之一。

工装设计的质量，对生产效率、加工成本、产品质量以及生产安全等有直接的影响，为此，设计焊接工装时必须考虑以下几方面的基本原则和要求。

一、实用性原则实用是指工装的使用功能，它既表现为技术性能好，能满足装配焊接工艺要求，同时也表现为整个工装系统与人体相适应，操作舒展方便，安全省力，符合人体的生理和心理特征，使人机系统的工作效能达到最佳状态。

（1）焊接产品总是由两个以上的零部件组成，出于施焊方便或易于控制焊接变形等原因，装配和焊接两道工序可能是先装完后再焊接，也可能是边装边焊；装配焊接完后成为一个永久连接的整体，体积和重量都大幅度增加，结构更加复杂，所设计的工装应能适应这种情况。

焊接顺序对工件的焊接变形影响较大，在设计焊接工装时应考虑先焊精度要求低的部分，后焊精度要求高的部分，以便保证工件的主要精度要求。

（2）焊接是局部加热过程，不可避免产生焊接应力与变形，在设置定位器和夹紧器时要充分考虑焊接应力和变形的方向。

通常在焊件平面内的伸缩变形不作限制，通过留收缩余量方法让其自由伸缩；而角变形、弯曲变形或波浪变形等用夹具加以控制，有时还要利用夹具采取反变形措施。

当焊接接头处于热状态时，焊件由于自身重力作用发生的变形不可忽视。

还要保证在焊后应力较大情况下，工件取出方便。

为方便组装和取件，在保证焊件的主要精度要求的前提下，对参与组焊的个别零部件可以欠定位，亦可以只定位不夹紧，对一些本身精度要求低又可以间接定位的工件（如加强筋等）可以不定位。

（3）焊接方法不同，对工装的结构和性能要求也不同。

手工电弧焊用的工装一般对运动速度要求不严格，甚至可以不要求带动工件翻转；自动焊用的工装，一般对焊接机头的定位精度和运动平稳性有较高的要求，并能在较广范围内调节焊接速度；用电作热源的焊接方法，一般都要求焊件本身作为焊接回路中的一个电极，这就可能要求焊接工装夹具有导电或绝缘的功能，当焊接电流很大时，导电部分还需采取散热措施。

（4）对于手动夹具和移动式工装，在保证足够刚度的前提下，尽量减轻重量。

（5）尽量使焊缝处于平焊位置，因为平焊较其他位置的焊接更容易获得高质量焊缝，同时可省时省力。

尽可能在夹具上焊接全部的焊缝或焊点，同时被焊工件的翻转次数要少。

（6）工装的功能设计和造型设计必须从人机工程学的观点，考虑人的各种因素（生理的和心理的），来确定适合人体结构特点的设备系统。