电磁吸附式激光焊接试验平台开发与应用

2019-01-07唐淑勤韩峰郑凯刘碧辉

金属加工(热加工) 2018年12期

■ 唐淑勤，韩峰，郑凯，刘碧辉

1.概述

与传统的弧焊和电阻点焊相比，激光焊接技术具有能量密度高，穿透能力强，焊接速度快，焊接变形小，焊接外形美观等优势。但是激光焊接技术对工件装配质量有极其苛刻的要求，传统的激光焊接试件装配主要通过手动压紧和气缸自动压紧形式，在此基础上开发的电磁吸附式激光焊接试验工装具有快速切换、工装柔性化好、适用范围广、装配质量好等优点，具体对比如表1所示。

本项目在现有激光焊接装配技术的基础上开发了新型多功能激光焊接试验平台，用于激光焊接设备日常焊接工艺试验。焊接试验平台在满足现车手动压紧和气缸自动压紧功能的基础上完成电磁吸附压紧功能开发，并进行激光焊接试验，分析了电磁场对激光焊缝的影响，研究电磁吸附式工装用于奥氏体不锈钢车体激光焊接的可行性。

2.电磁吸附式试验平台设计

（1）电磁吸附工装的应用目前电磁吸附工装在工件搬运及机械加工行业有着广泛的应用，采用磁力吸盘对铁磁性材料进行吸合固定，如机械加工车削、铣削、磨削、镗削、锻件模具加工的紧固工作。

在轨道交通行业中，电磁吸附工装已成功应用于欧洲高强碳钢车体侧墙激光焊接。

（2）电磁吸附工作原理电磁吸附主要是利用不同永磁的不同特性，通过电控系统对内部磁路的分布进行控制与转换，使永磁磁场在系统内部自身平衡，对外表特征为消磁（DEMAG）即放松状态；或者释放到吸盘的工作表面，对外表特征为充磁（MAG）即夹紧状态。

（3）电磁吸附式试验平台设计及制造本工装主要由下部支撑框架、电永磁吸附式上部装配平台、气动压紧式上部装配平台三部分构成（见图1）。

图1 电磁吸附式试验平台主体结构

第一，下部支撑框架：下部支撑框架主要用于支撑和安装电永磁吸附式上部装配平台及试板等零部件的存放功能。电磁吸附式上部装配平台与机械压紧式上部装配平台安装于此下部支撑框架上，框架组焊完成后进行退火及整体加工，支撑框架的上下平面为加工面，上平面的平面度要求≤0.1mm/m，全长≤0.2mm；框架本身具有良好的强度及刚度，在长期运输及使用过程中不得出现变形。

表1 各种装配方式对比

第二，电永磁吸附式上部装配平台：电永磁吸附式上部平台（见图1右侧部分）主要用于搭接及对接激光焊接试验，可以实现厚度为3mm+2mm或以上组合不锈钢搭接试板的压紧。电永磁吸盘通过螺栓连接固定在下部支撑框架平台上，连接可靠拆卸方便。导磁块安装于电永磁吸盘上，安装好后进行整体加工，加工后导磁块厚度为20mm，最后进行表面镀铬处理。镀铬处理后，镀层附着良好，不会出现脱落剥离现象。

对不同形式的试板种类分别设计了不同的上部辅助压块，压块设计合理，保证横梁的方便除预留给激光焊的空间外均处于约束状态，并实现对激光头保护气管的避让。所有压块表面均进行镀铬处理，镀层附着良好不会出现破损及脱落现象。激光焊缝处设置铬锆铜垫板，垫板在焊缝正下方开有凹槽，使焊缝下部为悬空状态。对日常激光焊接位置进行刻线标识。电永磁吸盘走线均为暗线，电永磁控制器安装于下部支撑框架封板上，操作方便，简洁规整。

第三，气动压紧式上部装配平台：气动压紧式式上部平台主要用于搭接及对接激光焊接试验，可以实现厚度为3mm+2mm或以上组合不锈钢搭接试板的压紧。平台台面为铝合金材质，厚度为加工后30mm，采用螺栓连接安装于下部框架平台上，安装后整体加工，高度与电永磁吸盘平台平齐，整体平面度≤0.1mm/m。

上部压紧采用气动整体压紧装置（见图1左侧），压紧装置通过直线滑轨安装于下部框架两侧，可以沿平台通长移动。每个气缸压紧装置包含9个气缸压紧压头，和两侧气缸举升装置。压紧气缸缸径为20mm，行程为20mm。压紧气缸通过螺栓紧固在压紧横梁上，可通过长圆孔进行局部调整。举升气缸缸径为50mm，行程为80mm。上料及出胎时举升气缸举升、移动，避免有干涉。气缸压紧装置安装于滑块上，可沿滑轨通长移动，并能实现精确定位和锁紧。对日常激光焊接位置进行刻线标识。

（4）焊接工艺试验严格按照ISO EN15614-11标准要求进行激光焊工艺试验，参数如表2所示。对比分析电磁场对激光焊接焊缝光致等离子体、焊缝成形及接头强度的影响，焊缝形貌如图2所示。

如图2及表2所示，增加电磁场以后激光焊接接头拉伸强度与未加磁场接头变化不大，均高于标准拉伸强度要求；增加电磁场焊接接头熔深明显增加，熔宽明显减小，表明增加电磁场后焊缝热影响区更小，具有更好的接头形状，并有较小的变形趋势。

图2 激光焊缝宏观形貌

表2 焊接试验参数

（5）不锈钢地铁侧墙单元电磁吸附压紧工装研究根据焊接工艺试验结果表明，电磁场的加入有利于激光焊接焊缝性能的提升，现车生产具备使用电磁吸附压紧工装完成侧墙单元激光焊接的条件。根据现车激光焊缝特点，结合电磁吸附工装原理，针对现有侧墙单元激光焊接结构，研究可应用于现车的新型侧墙单元装配压紧工装结构及规格参数，进行侧墙单元电磁吸附工装概念设计。