董國(guó)安，郭玉泉，張 鑷，韓基鵬，郭晉宙，王彥昭

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001)

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著機(jī)械制造自動(dòng)化發(fā)展程度的不斷提高，由于國(guó)外焊接技術(shù)起步早，激光焊接技術(shù)早已在實(shí)踐工作中大范圍的使用了，并且成功建立了完善的焊接技術(shù)使用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。與此同時(shí)，激光焊接裝置也獲得了充分的應(yīng)用與發(fā)展，但同時(shí)能進(jìn)行多能場(chǎng)復(fù)合焊接的激光焊接裝置的研制還很少，因此對(duì)多能場(chǎng)復(fù)合激光焊接裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)將具有重要的工程指導(dǎo)意義。

歐美以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在其國(guó)家政策支持的條件下，依靠自身強(qiáng)大的工業(yè)背景與先進(jìn)的技術(shù)水平，使焊接技術(shù)水平的發(fā)展迅速領(lǐng)先于其他國(guó)家。Yadaiah等[3]在相關(guān)的激光焊接機(jī)上，研究了不同保護(hù)氣對(duì)焊件外觀(guān)的影響程度，并進(jìn)行了深入的原因分析。瑞士Soudrnic公司生產(chǎn)的自動(dòng)焊接機(jī)，焊接速度達(dá)到8 m/min，自動(dòng)化程度高，精度高，且美觀(guān)環(huán)保，是焊接機(jī)中的典型代表。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，為使激光焊接技術(shù)更為廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，西方發(fā)達(dá)國(guó)家一直研究如何使用大功率激光器以提升焊接效率，進(jìn)而推動(dòng)激光焊接技術(shù)的成長(zhǎng)。而對(duì)于激光焊接技術(shù)相對(duì)成熟的美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)將先進(jìn)的激光技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中。與國(guó)外較為成熟先進(jìn)的激光焊接技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)激光焊接技術(shù)的研究仍處于成長(zhǎng)階段。李沃章等[4]研發(fā)了一種可用于焊接金屬圓筒、平板等工件的ZH-360縱縫焊接專(zhuān)用機(jī)器。朱振友等[5]結(jié)合可編程控制器，應(yīng)用工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)多工位縱縫焊接機(jī)進(jìn)行了研制。毛和東[6]設(shè)計(jì)了一種激光縱縫焊接夾具。蘇南[7]研制出了一臺(tái)針對(duì)核主泵屏蔽套的激光縱縫焊接機(jī)。為了適應(yīng)不同產(chǎn)品生產(chǎn)發(fā)展的需求，在保證產(chǎn)品本身質(zhì)量的同時(shí)又能夠方便快捷精準(zhǔn)地完成產(chǎn)品的制造的新型激光焊接設(shè)備的研制也就顯得尤為重要。總而言之，國(guó)內(nèi)激光焊接機(jī)的現(xiàn)狀有了很大的改觀(guān)，操作性能和使用壽命都顯著提高。然而，激光焊接機(jī)的發(fā)展仍處于發(fā)展中期，相對(duì)來(lái)講發(fā)展時(shí)間不算長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)多能場(chǎng)復(fù)合激光焊接機(jī)的需求日益增長(zhǎng)，未來(lái)焊接裝備的發(fā)展前景是十分廣闊的。

到目前為止，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)薄壁圓筒類(lèi)零件的焊接裝置進(jìn)行了大量的研究，但相關(guān)的研究工作主要集中在小型通用焊接設(shè)備。而且，目前市面上的焊接裝置同時(shí)具有焊中調(diào)控措施來(lái)控制焊接殘余應(yīng)力及變形的也相對(duì)較少。對(duì)于同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接縱向和橫向變形的綜合調(diào)控的研究更是寥寥無(wú)幾。故而，為了解決超薄大長(zhǎng)徑比類(lèi)圓筒焊件的焊接制造，同時(shí)滿(mǎn)足其高精度制造要求的難題，本文對(duì)焊接綜合調(diào)控機(jī)理和大型縱縫焊接設(shè)備進(jìn)行了深入研究。本文設(shè)計(jì)了多能場(chǎng)復(fù)合調(diào)控裝置，并且將調(diào)控裝置與焊接機(jī)的夾具相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型薄壁構(gòu)件的高精度制造。本文設(shè)計(jì)的基于多能場(chǎng)復(fù)合作用的激光焊接裝置可廣泛應(yīng)用于化工、核電、航空、船舶等多個(gè)制造業(yè)領(lǐng)域。

1 多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 焊接裝置的運(yùn)動(dòng)分解

根據(jù)本文要設(shè)計(jì)的多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置的功能要求，分析其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，再到其機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的精確對(duì)縫、精密焊接，高質(zhì)量、高效率的完成焊接作業(yè)。所以，本文要設(shè)計(jì)的激光焊接裝置的運(yùn)動(dòng)可分解為如下5個(gè)步驟：

1)前期準(zhǔn)備；

2)將工件精確定位、夾緊；

3)激光頭的對(duì)焦、對(duì)縫；

4)進(jìn)行多能場(chǎng)復(fù)合焊接作業(yè)；

5)將焊接工件取下。

1.2 焊接裝置的功能分析與子系統(tǒng)劃分

不同的工藝動(dòng)作對(duì)應(yīng)不同的功能，由不同功能進(jìn)而劃分其相應(yīng)的子系統(tǒng)，不同的子系統(tǒng)，其總體機(jī)械結(jié)構(gòu)也不盡相同。因此，子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是機(jī)械總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中最為重要的一部分。由前面運(yùn)動(dòng)分解分析可知，本文設(shè)計(jì)的多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置的子系統(tǒng)劃分如下：

1)激光頭的對(duì)焦、對(duì)縫，這部分工藝動(dòng)作主要是焊接激光頭在X、Y、Z三個(gè)方向上的移動(dòng)，是焊接作業(yè)的過(guò)程動(dòng)作，因此將其劃分在進(jìn)給子系統(tǒng)中完成；

2)將工件準(zhǔn)確定位、夾緊，主要是工件的安裝，可將其劃分在夾具子系統(tǒng)中完成；

3)在焊接時(shí)，為了保證工件初始對(duì)縫的精度和消除工件在焊接過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及提高焊縫組織性能，引入了超聲場(chǎng)和激冷場(chǎng)，并與激光場(chǎng)一起組成多能場(chǎng)復(fù)合的調(diào)控子系統(tǒng)。

4)所有子系統(tǒng)都需要在一定的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足其各部分的功能要求，這就需要進(jìn)行機(jī)架子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以完成對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的支撐。

綜上所述，本文將多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置的總體結(jié)構(gòu)劃分為進(jìn)給子系統(tǒng)、夾具子系統(tǒng)、調(diào)控子系統(tǒng)和機(jī)架子系統(tǒng)。

1.3 焊接裝置的主要技術(shù)參數(shù)

通過(guò)查閱相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，同時(shí)考慮到焊接裝置的實(shí)際應(yīng)用條件，因此本文所設(shè)計(jì)的多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 多能場(chǎng)復(fù)合的激光焊接裝置關(guān)鍵零部件的性能分析

2.1 機(jī)架的性能分析

對(duì)焊接裝置的機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，校核機(jī)架的強(qiáng)度及剛度，這是必不可少的一步。機(jī)架的穩(wěn)定性對(duì)焊接裝置的整體穩(wěn)定性有著很大的影響，也是保證焊接精度的重要影響因素，故而還需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析。

2.1.1 機(jī)架的靜力學(xué)計(jì)算

根據(jù)前面機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用SolidWorks軟件對(duì)焊接裝置的機(jī)架建立三維模型，由于機(jī)架體量大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故而在建模時(shí)可以在滿(mǎn)足精度要求的前提下對(duì)模型適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，然后將建好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇四面體劃分法，設(shè)置網(wǎng)格大小為40 mm，對(duì)受力面進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為20 mm。設(shè)置網(wǎng)格過(guò)渡為slow，點(diǎn)擊進(jìn)行求解。機(jī)架的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格單元數(shù)為575042，節(jié)點(diǎn)數(shù)為875420。

圖2 機(jī)架的有限元網(wǎng)格劃分

機(jī)架的應(yīng)力云圖如圖3所示，最大應(yīng)力值為6.456 MPa，小于材料的屈服極限，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。機(jī)架的變形云圖如圖4所示，最大位移變形發(fā)生在工作臺(tái)尾端，變形量為2.450 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。綜合上述結(jié)果可知，機(jī)架符合強(qiáng)度和剛度要求。

圖3 機(jī)架的應(yīng)力云圖

圖4 機(jī)架的變形云圖

2.1.2 機(jī)架的模態(tài)分析

利用ANSYS軟件求解機(jī)架的模態(tài)，得出其固有頻率及主振型。通過(guò)計(jì)算，獲得機(jī)架的前6階固有頻率及主振型描述如表1所示，其中機(jī)架的前兩階模態(tài)云圖如圖5所示。低階模態(tài)決定了機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性，故而選取其前6階固有頻率。根據(jù)計(jì)算得到的固有頻率可知，其機(jī)架整體不與電機(jī)發(fā)生共振，驗(yàn)證了機(jī)架滿(mǎn)足穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。

表1 機(jī)架的前六階固有頻率及振型描述

圖5 機(jī)架的前兩階模態(tài)云圖

2.2 超聲沖擊裝置的性能分析

2.2.1 變幅桿的模態(tài)分析

圖6 變幅桿的有限元網(wǎng)格劃分

根據(jù)前面所設(shè)計(jì)的超聲裝置結(jié)構(gòu)，在SolidWorks軟件中繪制超聲變幅桿的三維模型，再導(dǎo)入ANSYS Workbench中，設(shè)置材料為45號(hào)鋼。選擇四面體劃分法設(shè)置網(wǎng)格大小為3 mm，變幅桿的有限元網(wǎng)格劃分如圖6所示，網(wǎng)格單元數(shù)40320，節(jié)點(diǎn)數(shù)59021。在變幅桿模態(tài)計(jì)算中需忽略施加的載荷以及系統(tǒng)阻尼，對(duì)模型施加位移約束。對(duì)變幅桿進(jìn)行模態(tài)求解，設(shè)置頻率提取范圍為15～25 kHz。選擇求解器Solver Type為Direct(Block Lanczos)。

通過(guò)有限元計(jì)算得到了4組數(shù)據(jù)，變幅桿的前4階固有頻率及主振型描述如表2所示，變幅桿的模態(tài)云圖如圖7所示。根據(jù)表中4組數(shù)據(jù)可知，其中第3階固有頻率為20196 Hz，與超聲裝置設(shè)計(jì)的諧振頻率20000 Hz相差最小。而且，根據(jù)變幅桿的模態(tài)云圖可知，變幅桿在頻率為20196 Hz時(shí)，其主振型為縱向振動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求，且其頻率設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差為0.98%，滿(mǎn)足實(shí)際的應(yīng)用需要[8]。

表2 變幅桿的前四階固有頻率及振型描述

圖7 變幅桿的前4階模態(tài)云圖

2.2.2 變幅桿安裝工具頭后的模態(tài)分析

變幅桿在安裝工具頭后，會(huì)對(duì)變幅桿的模態(tài)產(chǎn)生影響。本文設(shè)計(jì)了三種直徑分別為5 mm、8 mm和10 mm的圓柱形工具頭，對(duì)這三種安裝工具頭后的變幅桿整體進(jìn)行有限元模態(tài)分析。通過(guò)結(jié)果對(duì)比，確定合理的工具頭尺寸。研究三種安裝工具頭后變幅桿在15～25 kHz之間的固有頻率及主振型，得出工具頭對(duì)變幅桿振動(dòng)的影響。變幅桿安裝工具頭后的有限元網(wǎng)格劃分如圖8所示，網(wǎng)格單元數(shù)為471065，節(jié)點(diǎn)數(shù)為687630。

圖8 變幅桿安裝工具頭后的有限元網(wǎng)格劃分

通過(guò)有限元計(jì)算得到了每種工具頭直徑的4組數(shù)據(jù)，變幅桿安裝工具頭后的前四階固有頻率及主振型描述如表3所示。根據(jù)表中每種工具頭直徑的4組數(shù)據(jù)可知，當(dāng)工具頭直徑分別為5 mm、8 mm和10 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的第三階固有頻率分別為19840 Hz、19711 Hz和18801 Hz，與超聲裝置設(shè)計(jì)的諧振頻率20000 Hz最接近的是工具頭直徑為5 mm的第三階固有頻率19840 Hz。變幅桿安裝工具頭后的頻率設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差如表4所示。由表4可知，當(dāng)工具頭直徑分別為5 mm、8 mm和10 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的第三階固有頻率與超聲裝置設(shè)計(jì)的諧振頻率20000 Hz的相對(duì)誤差分別為0.8%、1.4%和6%。通過(guò)對(duì)比可知，變幅桿安裝了直徑為5 mm的工具頭后，在共振時(shí)的相對(duì)誤差最小。變幅桿安裝了直徑為5 mm的工具頭后的模態(tài)云圖如圖9所示。由圖9可知，其第三階固有頻率為19840 Hz時(shí)，其主振型為縱向振動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)上述分析可知，選擇直徑為5 mm的圓柱形工具頭，安裝到變幅桿后，其主振型為縱振時(shí)的頻率是19840 Hz，且其頻率設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差為0.8%，在三種工具頭中最符合設(shè)計(jì)要求。

表3 變幅桿加裝工具頭后的前四階固有頻率及振型描述

表4 變幅桿加裝工具頭后頻率設(shè)計(jì)的相對(duì)誤差

圖9 變幅桿安裝工具頭后的模態(tài)云圖

3 結(jié)論

1)結(jié)合實(shí)際工作情況，利用系統(tǒng)分析法確定了激光焊接裝置的總體結(jié)構(gòu)方案。對(duì)進(jìn)給子系統(tǒng)的齒輪齒條及絲杠進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)琴鍵式夾具、隨焊超聲沖擊裝置和隨焊激冷裝置，并且設(shè)計(jì)了主副焊槍調(diào)整和剪叉輔助支撐結(jié)構(gòu)。

2)借助SolidWorks和ANSYS軟件對(duì)激光焊接裝置進(jìn)行了建模與關(guān)鍵零部件的有限元計(jì)算。對(duì)機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)分析及模態(tài)分析，得出位移變化、應(yīng)力分布、固有頻率和主振型，驗(yàn)證了機(jī)架滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)超聲變幅桿進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，提取其在15～25 kHz之間的頻率，得出其在20196 Hz時(shí)發(fā)生縱振，與超聲裝置的設(shè)計(jì)頻率20000 Hz的相對(duì)誤差為0.98%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)超聲變幅桿安裝三種不同直徑工具頭后進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示直徑為5 mm的工具頭比較合理，其在19840 Hz時(shí)發(fā)生縱振，與超聲裝置的設(shè)計(jì)頻率20000 Hz的相對(duì)誤差為0.8%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。