引言

鈦合金是一種優秀材料，相比傳統材質而言，鈦合金焊接件耐候性更好、防腐性更強、磁導率更低、比強度更優秀、表面處理費用更低、材料利用率更高，所以被廣泛應用在化工、醫療、海洋等行業，尤其是在環境需求更苛刻的航空航天業。

鈦合金化學活性大，焊接時容易和空氣中的氧氣和氫氣發生反應，生成氧化物和氫化物，導致產品力學性能降低；另一方面，鈦合金導熱性差，可焊性較差。焊接時，容易出現不均勻的粗大晶粒組織，焊完空冷時，熱應力無法及時釋放，易生成不穩定的馬氏相，導致焊件變形嚴重。因鈦的彈性模量小，當發生大的焊接變形時，矯正非常困難。目前，鈦合金焊接生產主要停留在小批量生產階段，難以形成規模化效應。針對以上問題，本文設計了一款自動化設備，以實現焊接的大批量生產。

1、國內焊接設備技術現狀

目前鈦及鈦合金焊接件加工主要是采取鎢極氬弧焊工藝，其具體步驟為：3人1組，1人負責扶工件，1人負責手持氬弧焊焊槍進行焊接，1人持氬氣拖罩對工件進行氣氛保護。

傳統鈦及鈦合金焊接工藝成本高、效率低，只適合小批量生產，且焊接質量不穩定。

2、新型焊接加工設備構成

本文設計了一種鈦及鈦合金的焊接加工設備，其裝配主要包括殼體、焊接工作臺、焊接機械手和系統，如圖1所示。

2.1殼體

設備殼體為蛋殼形，包括相互連接的主殼體和設于主殼體的其中一封頭位置的隔熱門。

焊接工作臺和焊接機械手均設于殼體內，設備殼體設有用于向其內部輸送惰性氣體的通氣口和出氣口、用于檢測其內部溫度的溫度檢測裝置、用于檢測其內部氣壓的壓力檢測裝置和用于采集支撐臺上工件三維數據的3D激光掃描儀。

設備殼體外形為蛋形密閉壓力容器，為產品焊機提供恒溫、恒壓的氬氣環境，可以有效防止工件氧化和焊接熔池異常。

2.2焊接工作臺

焊接工作臺包括用于放置工件的支撐臺和用于帶動支撐臺運動的動力機構A，如圖2所示。動力機構A包括用于帶動支撐臺沿水平ｘ軸方向運動的伺服電機1和用于帶動支撐臺繞豎直ｚ軸方向旋轉運動的伺服電機2。

伺服電機1和導軌安裝于一基座上，通過絲桿螺母組件帶動滑臺沿導軌進行直線運動。伺服電機2安裝于滑臺的外部，通過變速箱和齒輪帶動支撐臺進行旋轉運動，變速箱和齒輪安裝于滑臺的內部，支撐臺可轉動地連接在滑臺上。

2.3焊接機械手

焊接機械手包括用于對工件進行焊接的焊槍和用于帶動焊槍運動的動力機構B，如圖3所示。

動力機構B包括用于帶動焊槍沿水平ｙ軸方向運動的伺服電機3、用于帶動焊槍繞水平ｙ軸方向在與工件焊縫呈30°～60°夾角內擺動的伺服電機4。

伺服電機3安裝于一機架上，通過絲桿螺母組件帶動支撐架沿水平導桿進行直線運動，伺服電機4安裝于支撐架上，帶動機械臂殼體進行旋轉運動。

機械臂由固定臂、伺服電機5、冷卻機構和焊槍等組成，如圖4（A）所示。

伺服電機5安裝于機械臂殼體內，通過一絲桿螺母組件帶動焊槍沿一豎向導桿靠近和遠離支撐臺。冷卻機構包括向已成型焊縫處吹送冷氬氣的冷卻槍和用于帶動冷卻槍圍繞焊槍旋轉的伺服電機，焊槍和伺服電機6安裝于同一安裝板上。伺服電機6帶動冷卻槍旋轉，可以調整冷卻槍相對焊槍的位置，保證冷卻槍始終對準剛焊接完成的焊縫。

焊槍包括筒體、設于筒體內并用于向工件的待成型焊縫處送出焊絲的送絲輥以及設于筒體內并與焊絲導電接觸的導電塊，焊絲作為填充金屬和導電電極，如圖4（B）所示。

2.4系統

系統分為監視系統和控制系統2部分，監視系統主要由溫度監視器、壓力監視器和3D激光掃描儀組成。溫度監視器由溫度傳感器和溫度控制器組成，溫度控制器可以調節殼體內環境溫度。

壓力監視器由氣壓傳感器和氣壓控制器組成，氣壓控制器可以通過調節氬氣的輸入量調節殼體內氣壓。3D激光掃描儀可采集焊接半成品外形實際數據，并向系統反饋。

控制系統為PLC控制系統，主要控制動力機構A和動力機構B協同動作以使焊槍靠近和遠離支撐臺上工件、使焊槍依次經過支撐臺上工件的各個焊接位置以及使焊槍與工件焊縫的夾角可調節。

系統控制伺服電機6帶動冷卻槍繞焊槍（中軸線）旋轉，可以調整冷卻槍相對焊槍的位置，保證冷卻槍始終對準剛焊接完成的焊縫。

控制系統通過監視系統控制焊接時的溫度和環境氣壓，與此同時，根據3D激光掃描儀收集的工件實時三維數據對系統的程序進行修正。

3、加工工藝

3.1焊接前處理

將下料鈦合金焊接件點焊成焊接半成品，不滿焊，然后打開設備隔熱門，將工件放到支撐臺上，保證焊接半成品和支撐臺的相對位置關系。關閉隔熱門，抽取真空到1×10^-2ｍBAｒ，注入氬氣，保證1～2MPa的壓力；啟動3D激光掃描儀，采集焊接半成品外形實際數據，并對PLC控制系統的程序進行修正，防止空焊、漏焊或者焊槍撞擊工件的事件，完成焊接設備準備。

將工件的3D模型導入UG等加工編程軟件，通過UG軟件將焊接路徑編制為機器可識別的G代碼。

將G代碼輸入到設備中，設備將G代碼轉變為PLC電器型信號，從而完成工件焊接程序準備。

3.2焊接過程

啟動焊接程序，通過動力機構A和動力機構B帶動支撐臺和焊槍進行協同運動，可以控制焊槍走出空間3D曲線，完成對鈦合金焊接件的3D焊接。焊接過程中，通過控制通入氬氣的流量和溫度保證設備腔內溫度不超過300℃，送絲（焊絲）速度大概在10～15mm/min，按照焊絲直徑和焊接速度，控制電流大小在40～120A，控制焊接速度在40～80mm/min。

3.3焊接后處理

焊接完成后，暫不開啟隔熱門，啟動溫度控制裝置，將爐內溫度升至400～500℃，保溫1～2ｈ，勻速降溫至100℃后，方可打開隔熱門，取出工件空冷。

通過以上過程，可以有效地完成工件的時效處理，去除焊接時工件產生的焊接內應力，防止工件變形。

4、設備的優缺點

分析與現有技術相比，本文設計的焊接設備具有以下優點。

1）可以批量生產鈦及鈦合金焊接件，整個焊接過程自動化程度高，降低了對技能工人的依賴，焊接質量穩定、成品率高。

2）適合各種形狀、各種厚度的鈦及鈦合金焊接件，可以有效解決行業內薄板焊接的難題。

3）焊接加工時，可以邊焊接，邊冷卻，工件不會因焊接時溫差產生內應力，從而導致變形。焊接后通過溫度調節，可以有效去除焊接內應力，防止焊接件服役時失效。

4）整個焊接過程全部在氬氣環境中進行，避免出現氧化皮的同時，也避免了焊縫中產生氣泡的問題。

5）避免了傳統焊接和熱處理所需的工序轉移時間，生產效率高。

當然，本設備也存在很多不足的地方，比如氬氣消耗量大、電力消耗高等，不過因為生產效率的提高和人工成本的降低，對整個焊接生產成本影響有限。

5、結束語

本文提出的全自動鈦及鈦合金焊接設備，自動化程度高、生產穩定、產品質量高，生產效率高、可以適應大批量焊接生產需求，可以有效解決焊異形件、薄板件等行業難題。

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作者簡介：

王長江（1985—），男，江蘇無錫人，本科，工程師，研究方向：鈦及鈦合金制備技術和設備。