钛合金自动焊接设备研发及工艺创新

引言

钛合金是一种优秀材料，相比传统材质而言，钛合金焊接件耐候性更好、防腐性更强、磁导率更低、比强度更优秀、表面处理费用更低、材料利用率更高，所以被广泛应用在化工、医疗、海洋等行业，尤其是在环境需求更苛刻的航空航天业。

钛合金化学活性大，焊接时容易和空气中的氧气和氢气发生反应，生成氧化物和氢化物，导致产品力学性能降低；另一方面，钛合金导热性差，可焊性较差。焊接时，容易出现不均匀的粗大晶粒组织，焊完空冷时，热应力无法及时释放，易生成不稳定的马氏相，导致焊件变形严重。因钛的弹性模量小，当发生大的焊接变形时，矫正非常困难。目前，钛合金焊接生产主要停留在小批量生产阶段，难以形成规模化效应。针对以上问题，本文设计了一款自动化设备，以实现焊接的大批量生产。

1、国内焊接设备技术现状

目前钛及钛合金焊接件加工主要是采取钨极氩弧焊工艺，其具体步骤为：3人1组，1人负责扶工件，1人负责手持氩弧焊焊枪进行焊接，1人持氩气拖罩对工件进行气氛保护。

传统钛及钛合金焊接工艺成本高、效率低，只适合小批量生产，且焊接质量不稳定。

2、新型焊接加工设备构成

本文设计了一种钛及钛合金的焊接加工设备，其装配主要包括壳体、焊接工作台、焊接机械手和系统，如图1所示。

2.1壳体

设备壳体为蛋壳形，包括相互连接的主壳体和设于主壳体的其中一封头位置的隔热门。

焊接工作台和焊接机械手均设于壳体内，设备壳体设有用于向其内部输送惰性气体的通气口和出气口、用于检测其内部温度的温度检测装置、用于检测其内部气压的压力检测装置和用于采集支撑台上工件三维数据的3D激光扫描仪。

设备壳体外形为蛋形密闭压力容器，为产品焊机提供恒温、恒压的氩气环境，可以有效防止工件氧化和焊接熔池异常。

2.2焊接工作台

焊接工作台包括用于放置工件的支撑台和用于带动支撑台运动的动力机构A，如图2所示。动力机构A包括用于带动支撑台沿水平ｘ轴方向运动的伺服电机1和用于带动支撑台绕竖直ｚ轴方向旋转运动的伺服电机2。

伺服电机1和导轨安装于一基座上，通过丝杆螺母组件带动滑台沿导轨进行直线运动。伺服电机2安装于滑台的外部，通过变速箱和齿轮带动支撑台进行旋转运动，变速箱和齿轮安装于滑台的内部，支撑台可转动地连接在滑台上。

2.3焊接机械手

焊接机械手包括用于对工件进行焊接的焊枪和用于带动焊枪运动的动力机构B，如图3所示。

动力机构B包括用于带动焊枪沿水平ｙ轴方向运动的伺服电机3、用于带动焊枪绕水平ｙ轴方向在与工件焊缝呈30°～60°夹角内摆动的伺服电机4。

伺服电机3安装于一机架上，通过丝杆螺母组件带动支撑架沿水平导杆进行直线运动，伺服电机4安装于支撑架上，带动机械臂壳体进行旋转运动。

机械臂由固定臂、伺服电机5、冷却机构和焊枪等组成，如图4（A）所示。

伺服电机5安装于机械臂壳体内，通过一丝杆螺母组件带动焊枪沿一竖向导杆靠近和远离支撑台。冷却机构包括向已成型焊缝处吹送冷氩气的冷却枪和用于带动冷却枪围绕焊枪旋转的伺服电机，焊枪和伺服电机6安装于同一安装板上。伺服电机6带动冷却枪旋转，可以调整冷却枪相对焊枪的位置，保证冷却枪始终对准刚焊接完成的焊缝。

焊枪包括筒体、设于筒体内并用于向工件的待成型焊缝处送出焊丝的送丝辊以及设于筒体内并与焊丝导电接触的导电块，焊丝作为填充金属和导电电极，如图4（B）所示。

2.4系统

系统分为监视系统和控制系统2部分，监视系统主要由温度监视器、压力监视器和3D激光扫描仪组成。温度监视器由温度传感器和温度控制器组成，温度控制器可以调节壳体内环境温度。

压力监视器由气压传感器和气压控制器组成，气压控制器可以通过调节氩气的输入量调节壳体内气压。3D激光扫描仪可采集焊接半成品外形实际数据，并向系统反馈。

控制系统为PLC控制系统，主要控制动力机构A和动力机构B协同动作以使焊枪靠近和远离支撑台上工件、使焊枪依次经过支撑台上工件的各个焊接位置以及使焊枪与工件焊缝的夹角可调节。

系统控制伺服电机6带动冷却枪绕焊枪（中轴线）旋转，可以调整冷却枪相对焊枪的位置，保证冷却枪始终对准刚焊接完成的焊缝。

控制系统通过监视系统控制焊接时的温度和环境气压，与此同时，根据3D激光扫描仪收集的工件实时三维数据对系统的程序进行修正。

3、加工工艺

3.1焊接前处理

将下料钛合金焊接件点焊成焊接半成品，不满焊，然后打开设备隔热门，将工件放到支撑台上，保证焊接半成品和支撑台的相对位置关系。关闭隔热门，抽取真空到1×10^-2ｍBAｒ，注入氩气，保证1～2MPa的压力；启动3D激光扫描仪，采集焊接半成品外形实际数据，并对PLC控制系统的程序进行修正，防止空焊、漏焊或者焊枪撞击工件的事件，完成焊接设备准备。

将工件的3D模型导入UG等加工编程软件，通过UG软件将焊接路径编制为机器可识别的G代码。

将G代码输入到设备中，设备将G代码转变为PLC电器型信号，从而完成工件焊接程序准备。

3.2焊接过程

启动焊接程序，通过动力机构A和动力机构B带动支撑台和焊枪进行协同运动，可以控制焊枪走出空间3D曲线，完成对钛合金焊接件的3D焊接。焊接过程中，通过控制通入氩气的流量和温度保证设备腔内温度不超过300℃，送丝（焊丝）速度大概在10～15mm/min，按照焊丝直径和焊接速度，控制电流大小在40～120A，控制焊接速度在40～80mm/min。

3.3焊接后处理

焊接完成后，暂不开启隔热门，启动温度控制装置，将炉内温度升至400～500℃，保温1～2ｈ，匀速降温至100℃后，方可打开隔热门，取出工件空冷。

通过以上过程，可以有效地完成工件的时效处理，去除焊接时工件产生的焊接内应力，防止工件变形。

4、设备的优缺点

分析与现有技术相比，本文设计的焊接设备具有以下优点。

1）可以批量生产钛及钛合金焊接件，整个焊接过程自动化程度高，降低了对技能工人的依赖，焊接质量稳定、成品率高。

2）适合各种形状、各种厚度的钛及钛合金焊接件，可以有效解决行业内薄板焊接的难题。

3）焊接加工时，可以边焊接，边冷却，工件不会因焊接时温差产生内应力，从而导致变形。焊接后通过温度调节，可以有效去除焊接内应力，防止焊接件服役时失效。

4）整个焊接过程全部在氩气环境中进行，避免出现氧化皮的同时，也避免了焊缝中产生气泡的问题。

5）避免了传统焊接和热处理所需的工序转移时间，生产效率高。

当然，本设备也存在很多不足的地方，比如氩气消耗量大、电力消耗高等，不过因为生产效率的提高和人工成本的降低，对整个焊接生产成本影响有限。

5、结束语

本文提出的全自动钛及钛合金焊接设备，自动化程度高、生产稳定、产品质量高，生产效率高、可以适应大批量焊接生产需求，可以有效解决焊异形件、薄板件等行业难题。

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作者简介：

王长江（1985—），男，江苏无锡人，本科，工程师，研究方向：钛及钛合金制备技术和设备。