圆筒形工件焊接夹具设计
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摘 要：圆筒形工件是工业生产及工程建设中常用工件，在实际应用经常会涉及对圆筒形工件的焊接，能否设计合理的夹具对待焊工件进行定位，不仅直接影响焊接效率也影响了焊后工件的质量。本文系统的介绍了几种常见的筒形工件焊接夹具设置，以供相关技术人员参考。
关键词：圆筒形；夹具；内支撑；外压紧；卡爪；滚轮
圆筒形工件是工业生产及工程建设中常用工件，在实际应用经常会涉及对圆筒形工件的焊接，能否设计合理的夹具对待焊工件进行定位，不仅直接影响焊接效率也影响了焊后工件的质量。王纯祥编著《焊接工装夹具设计及应用》[1]、中国机械工程协会焊接学会编著的《焊接手册-焊接结构》[2]，及其他焊接工装类、机床夹具设计相关书籍及刊物大多只对夹具设计作通用性的介绍介绍，而没有具体针对圆筒形工件焊接夹具设计作较为详尽、全面介绍，因此本文尝试结合本人在专利审查中所接触到专利文献、非专利文献，对圆筒形工件焊接夹具设计做较为全面的介绍。
定位原则，焊接过程中，首先应该使待焊接工件在夹具中得到确定的位置，并在装配过程中保持在原来的位置。待焊工件按图纸要求得到确定的位置过程称为定位，使待焊工件在焊接作业中一直保持在确定位置上的过程称为夹紧。待焊工件的夹紧定位是通常要遵行六点定位原则：一个物体在不和其他物体接触时，其就有X，Y，Z方向的六自由度，因此，对其进行定位的过程实质也就是利用其它物体来消除待定位物体的六个自由度的过程，采用六个支撑点来消除待定位物体的六个自由度即称为“六点定位原则”，通常采用的为“3-2-1”原理进行定位[3]。同样在圆筒形工件焊接夹具设计中，不论是针对环形焊缝还是纵向焊缝也都需要遵行六点定位，但工件定位时，影响加工要求的自由度必须限制，不影响加工要求的自由度，有时可以限制，有时可不限制，具体视情况而定。
目前，圆筒形工件的焊接夹具常见的设置形式有圆筒内对准夹紧、圆筒外对准夹紧、圆筒内、外夹紧定位、卡盘式夹紧、滚轮式夹紧等几种形式。
圆筒内对准夹紧，其是在筒形待焊件的内部在对接焊缝处或附近设置径向的数个支撑装置，数个径向支撑装置呈环形焊缝分布，以减小焊接变形。其常见的形式是采用“伞形结构”，也就是将径向内支撑装置可转动的连接（如铰接）在杆状部件上，然后通过杆状部件一端设置以调节机构，通过该调节机构可改变径向内支撑部件和杆状部件之间的夹角进行，进而改变径向支撑装置所形成的圆环的直径，由此适应不同大小的圆筒形工件的定位要求。数个径向内支撑装置可以设置同步调节或者是分组调节，其结合实际情况选择[4-5]。圆筒内对准夹紧夹具中另一常见的结构为“X形结构”，X型结构通常利用X形套件，内支撑可插入或者套于X形套件上，以对待焊圆筒形工件支撑，可通过更换不同长度的内支撑或采用伸缩性形内支撑来实现对不同直径的通行构建的支撑[6]。此外，“圆形结构”夹紧装置[7]也是一种常见的圆筒内对准夹紧夹具，其是采用圆形构件（如圆盘或者圆环作为基体），然后在该圆形基体上设置多个径向内支撑件，并可通过设置多级涨紧力调整机构来调整以内支撑对待焊管道的支撑力，以满足一些大口径、厚壁筒件的焊接需求。多级涨紧力机构可采用气动或液压式，为适应不同直径的圆筒形构件的支撑时，内支撑可采用伸缩式或者摆动式，也就是调整内支撑的倾斜程度来实现。
圆筒外对准夹紧，其是在筒形工件外表面对接焊缝处或附近设置与筒形工件外表面相匹配的外压紧定位装置。圆筒外对准夹紧装置通常有两种结构，一种是利用采用一个或几个内表面可围成圆形或者半圆形的部件，如圆形扎箍、链条来压紧待焊圆筒形工件的外表面[8]。另外一种采用圆形构件（如圆环作）为基体，然后在基体上设置多个径向外压紧件，通过径向外压紧件压紧到圆筒形工件表面实现夹紧。此类设计中，外压紧件通常是可伸缩或者外压紧件是穿过圆形基体，并可改变其径向伸入圆形基体的长度（如采用螺丝、螺杆等结构实现），从而改变数个外压紧件围成的圆的直径大小，进而适应不同直径大小的管件夹紧[9]。此外，在夹紧一些大直径的管件中通常会利用液压或气动装置来驱动外压紧件，以保证夹紧力。
圆筒内、外夹紧定位，其是在工件外表面对接焊缝处或附近设置的筒形工件的内表面设置径向内支撑和外表面设置外压紧装置。内外夹紧定位夹具通常用于一些大型薄壁筒件的焊接夹紧定位中。其内支撑、外压紧的装置可采用与前面所讲的圆筒内对准夹紧、圆筒外对准夹紧形式，内支撑、外压紧装置可设置为阵列式分布，以适应实际的加工需求[10-11]。
卡爪盘式定位夹紧，其通常是利用卡爪盘对待焊筒件的一端或者两端进行夹紧定位，并且通过卡转盘的旋转带动待焊管件旋转，以适应焊接不同位置的需求。此外还可通过卡转盘上卡爪的径向运动来适应不同直径的筒件的夹紧，通过调整两卡转盘之间的间距来适应不同长度的筒件夹紧定位。卡转盘式定位夹紧中的一个关键是需要保证卡转盘上数个卡爪径向运动时能同步一致，否侧容易导致定位后，工件偏心。对此常见的改进是通过将卡爪盘改为夹紧环，通过夹紧环的内表面待焊工件配合夹紧，通常可将夹紧环的内表面设置为锥形，以适应不同直径的筒件[12]。
滚轮式定位，其通常是在待焊筒件的两端分别设置相配合两个滚轮，通过两滚轮对待焊圆筒形工件进行支撑定位，并可通过滚轮的旋转带动圆筒形工件的旋转，从而适应焊接不同位置的需求。该了定位装置通常是在待焊圆筒形工件的两端设置滚轮，对应一些长度较大的圆筒形工件，还可以在沿圆筒形工件的轴线方向的中间设置滚轮，以利于实现圆筒形工件的翻转[13]。此外为了适应不同直径的圆筒形工件焊接，可使相配合的两个滚轮之间的间距可调节，具体通过摆动式或伸缩式、设置不同的位置安放滚轮轴的槽或者通过在端部的两滚轮之间设置多组中间滚轮。
在实际的焊接生产中，上述几种定位方式可独立使用、也可结合实际需求组合使用。
参考文献
[1] 王纯祥.焊接工装夹具设计及应用[M].北京：化学工业出版社.2004.
[2] 中国机械工程协会焊接学会.焊接手册-焊接结构[M].北京： 机械工业出版社.
[3] 徐鸿本. 机床夹具设计手册[M].辽宁：辽宁科技出版社.
[4] 台州学院.一种薄壁圆筒形零件激光焊接夹紧定位装置[P].中国专利：204771162，2015-11-18.
[5] 内蒙古红岗机械厂.一种细长圆筒形工件环向焊接用伞形内撑夹具[P].中国专利：102873494，2013-01-16.
[6] 哈尔滨建成集团有限公司.一种钢板卷制圆筒等直径支撑器[P].中国专利：105149858，2015-12-06.
[7] 中国石油天然气集团.大涨力管道内对口器[P]，中国专利：2806040，2006-08-16.
[8] 山东电力建设第一工程公司.管路焊接对口调整装置[P].中国专利：104043948，2014-09-17.
[9] CROKER G A. An Alignment Device[P].WIPO专利：WO2014/0506020，2014-04-17.
[10] 上海交通大学.用于大型薄壁筒体构件立式装配的柔性夹具[P].中国专利：104209690，2014-12-17.
[11] HartFord.Conn.Apparatus and method for welding boat subassembles using laser radation[P].美国专利：US4223202A，1980-09-16.
[12] 安徽大盘压力容器有限公司.一种气瓶内外环缝焊接夹具装置[P].中国专利，2015-03-25.
[13] 北京宣武华光焊接工艺成套装备连营公司.多元管轮架.中国专利：2589146，2003-12-3.
作者简介：姓名：王雪松 出生年：1989年 性别：男 单位：国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心机械发明审查部 民族：汉族 籍贯：云南曲靖 学历：硕士研究生 职称：实习研究员，研究方向：焊接电弧辅助装置及电路、焊接夹具、激光加工、石头及类石材的加工及压力机领域的实质审查。