田松亞，封 艷

(河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

鋁合金桁架環(huán)縫自動焊機的研制

田松亞，封 艷

(河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

根據(jù)鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環(huán)縫焊接要求，設(shè)計并制造了一臺專用焊接設(shè)備。根據(jù)焊接時序要求，采用可編程控制器實現(xiàn)對焊接設(shè)備邏輯順序的控制，并制定了鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環(huán)縫的惰性氣體保護焊MIG自動焊接工藝。結(jié)果表明，該焊機自動化程度高、性能穩(wěn)定、操作簡便，能夠滿足鋁桁架鋁合金管材與接頭環(huán)縫自動焊生產(chǎn)要求，同時提高了生產(chǎn)率。依據(jù)制定的焊接工藝，進(jìn)行了焊接試驗。焊接試驗表明，制定的工藝所獲得的鋁合金桁架鋁合金管材與接頭對接接頭，滿足焊縫質(zhì)量要求。

鋁合金桁架；鋁合金管材與接頭環(huán)縫；自動焊機；PLC；工藝

0 前言

隨著焊接技術(shù)日新月異的發(fā)展，企業(yè)對焊接質(zhì)量、效率的要求也不斷提高。針對特定焊接件使用焊接專機是解決此問題的有效途徑之一，因此焊接專機也成為焊接設(shè)備的重要發(fā)展方向之一[1-3]。某公司生產(chǎn)的鋁合金桁架長6 m，材料為6082，由主管和支管組成，年產(chǎn)量10 000件。主管由鋁合金管材和連接頭組成，是主要受力部件，擬采用自動焊接，故設(shè)計了雙頭圓周自動焊機。

1 鋁合金桁架結(jié)構(gòu)

鋁桁架結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中直支管、斜支管和鋁合金管材相貫線是空間曲線，采用手工交流鎢極氬弧焊焊接；鋁合金管材與接頭相貫線是圓形，采用熔化極氬弧焊進(jìn)行自動焊接。

鋁合金管材與接頭的裝配關(guān)系如圖2所示。該焊接接頭是有墊板的對接接頭，接頭外徑φ 50 mm，內(nèi)徑φ 30 mm。鋁合金管材壁較薄(2 mm)，接頭壁較厚(8 mm)，焊接時焊槍必須偏向接頭，以防止管材被焊穿。

2 雙頭圓周自動焊機機械設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

為了完成鋁合金管材與接頭的自動焊，首先將鋁合金管材與接頭進(jìn)行定位焊，以保證安裝尺寸。將定位焊后的工件安放在固定機構(gòu)上，以達(dá)到工件與夾緊機構(gòu)基本同軸。在氣缸壓力的作用下夾緊機構(gòu)頂緊工件，電機驅(qū)動夾緊機構(gòu)和工件作旋轉(zhuǎn)運動。在焊接位置的上方安裝兩把焊槍，為了使焊槍中的焊絲對準(zhǔn)待焊位置，焊槍固定裝置需要有左右、上下方向調(diào)節(jié)功能。由于此焊接接頭是厚壁件和薄壁件的焊接，所以焊槍固定裝置需要有調(diào)節(jié)焊槍左右傾角的功能。

圖1 桁架結(jié)構(gòu)

圖2 鋁合金管材與接頭裝配示意

2.2 雙頭圓周自動焊機設(shè)計

2.2.1 雙頭圓周自動焊機結(jié)構(gòu)原理

雙頭圓周自動焊機主要由焊槍運動行走機構(gòu)、工件夾緊機構(gòu)、控制系統(tǒng)和焊接電源組成，如圖3所示。

圖3 自動焊接結(jié)構(gòu)示意

電機1通過三角皮帶驅(qū)動左夾緊夾頭6作旋轉(zhuǎn)運動，同時也帶動工件旋轉(zhuǎn)。頂緊氣缸11帶動右夾緊夾頭8夾緊工件。由焊槍調(diào)整裝置9、右夾緊夾頭8、頂緊氣缸11組成的右夾緊系統(tǒng)在手輪12、絲杠7的驅(qū)動下沿底座13的導(dǎo)軌左右運動。通過電焊機的地線、導(dǎo)電盤3將電引導(dǎo)到工件上。限位行程開關(guān)2檢測工件旋轉(zhuǎn)一圈。通過時間繼電器調(diào)節(jié)控制填弧坑時間。

焊機自動化過程的實現(xiàn)主要通過氣缸、電機和PLC等元器件組成的系統(tǒng)完成。自動焊機控制有手動和自動兩種狀態(tài)。

2.2.2 焊接過程的可編程控制

焊接過程要完成一系列時序轉(zhuǎn)換，如圖4所示?？刂破鞯妮斎雮?cè)應(yīng)具有手動／自動、起動與停止、急停、限位行程開關(guān)和各手動操作控制按鈕(電機正反轉(zhuǎn)、氣缸的進(jìn)退、焊槍的送進(jìn)與后退)；輸出側(cè)需三只電磁氣閥和三個繼電器，其中三只電磁氣閥分別控制氣缸執(zhí)行工件夾緊、松開，以及兩把焊槍的進(jìn)退，三個繼電器分別控制電機正反轉(zhuǎn)、代替焊槍的手把開關(guān)控制電焊機輸出，其中時間繼電器控制填弧坑。

自動、手動選擇處理采用調(diào)步指令，當(dāng)工作方式選擇開關(guān)置于自動時，手動操作就不起作用。編程時充分利用PLC的計數(shù)、定時功能，以滿足自動焊需求的延時和轉(zhuǎn)換功能[4]。PLC控制原理接口電路如圖5所示。

PLC的自動控制過程如下：

圖4 焊接過程示意

圖5 PLC接口電路

SB5用于設(shè)定自動工作模式和手動工作模式。在自動工作模式下，按下起動(SB3)，電磁閥3得電，氣缸工作，夾緊工件。電磁閥2得電，焊槍氣缸工作，焊槍送進(jìn)，到達(dá)焊接位置。手把開關(guān)閉合。KM1得電，控制電機正轉(zhuǎn)。開始焊接。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)一周，即焊槍回到起焊點。檢測位置的按鈕開關(guān)(SB11)被觸發(fā)，時間繼電器KT1得電，到達(dá)設(shè)定的延時時間后，控制電機轉(zhuǎn)動的繼電器掉電。完成焊接。在非正常情況下，當(dāng)按下急停(SB4)，電機停止運行，焊槍手把開關(guān)斷開，其他各執(zhí)行元件保持停止前的狀態(tài)。

在手動工作模式下，按下起動(SB3)，按下氣缸夾緊(SB12)，電磁閥3得電，氣缸工作，夾緊工件。按下焊槍到位(SB8)，電磁閥1、2得電，兩把焊槍同時到達(dá)焊接位置。按下手動正轉(zhuǎn)(SB9)，KM1得電，控制電機正轉(zhuǎn)，按下手動反轉(zhuǎn)按鈕(SB10)，KM2得電，控制電機反轉(zhuǎn)。按下焊接SB6、SB7，起動焊接電源開始焊接。按下限位行程開關(guān)(SB11)，時間繼電器KT1得電，開始填弧坑，完成焊接。

3 鋁合金桁架環(huán)縫焊接工藝

根據(jù)焊接時序要求設(shè)計并制造了雙頭圓周自動焊機，制定了鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環(huán)縫焊接工藝。鋁合金管材壁較薄(2 mm)，接頭壁較厚(8 mm)，從熔焊深度角度考慮，TIG焊適于焊接厚度小于3 mm的板；MIG焊熱功率大，能量集中且保護效果好，單面熔深可達(dá)6 mm，故鋁合金管材和接頭焊接采用單道MIG焊接方法。焊接時如果電流太大，易燒穿鋁合金管材；如果電流太小，接頭熔深達(dá)不到要求?；哼^低，電弧能量小，焊絲熔化慢，易出現(xiàn)短路，飛濺大；弧壓過高，電弧易漂移到導(dǎo)電嘴上，燒壞導(dǎo)電嘴，影響焊接過程穩(wěn)定性。故選擇焊接電流為170～175 A，電弧電壓21～22 V。

電流種類／極性為DCEP，發(fā)揮陰極霧化作用，清理工件表面氧化膜。焊絲接正，使熔滴過渡均勻，形成穩(wěn)定的亞射流過渡，保證焊接過程穩(wěn)定。送絲速度1.1～1.2 m／min，焊接速度94～98 cm／min。鋁合金MIG焊時，不宜采用活性氣體作為保護氣，故采用的保護氣體為99.99%Ar。氣體流量過小，氣體保護效果較差，氣體流量選為12 L／min。

焊槍噴嘴尺寸為φ 16 mm，左焊槍傾角為左5°，右焊槍傾角為右5°，使電弧力和電弧熱主要作用在接頭厚壁上，保證鋁合金管材與接頭同時熔化且不燒穿鋁合金薄壁。焊槍超前量1～2 mm，保證熔池在水平位置凝固，焊縫成形良好。引弧由于工件處于冷態(tài)，易產(chǎn)生未焊透或未熔合，因此引弧電流應(yīng)稍大，故起弧電流為正常焊接電流的140%，時間為0.1 s；熄弧易產(chǎn)生弧坑和弧坑裂紋，因此熄弧前應(yīng)降低送絲速度，衰減電流，故收弧電流為正常焊接電流的60%，時間0.6 s。

焊接材料為實芯焊絲Al5183，規(guī)格φ 1.2mm。因鋁合金導(dǎo)熱率高，如果環(huán)境溫度較低，焊后冷卻速度太快，焊縫易出現(xiàn)裂紋。為了保證焊接質(zhì)量，焊前焊縫區(qū)需預(yù)熱，預(yù)熱溫度16℃。

4 焊接結(jié)果

采用制造的雙頭圓周自動焊機，根據(jù)制定的鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環(huán)縫MIG焊接工藝，對鋁合金管材與接頭施焊。焊后測得焊縫尺寸為：焊縫寬度10 mm，焊縫余高2.5 mm。測量結(jié)果表明，焊縫尺寸外形符合ISO10042標(biāo)準(zhǔn)。剖開鋁合金管材與接頭環(huán)焊縫，焊縫兩側(cè)熔合良好，熔深3mm，如圖6所示。

圖6 鋁合金管材與接頭對接焊縫示意

在MIG自動焊接過程中，PLC運行良好，采用PLC控制系統(tǒng)后，焊機穩(wěn)定性有很大提高，生產(chǎn)效率明顯提高。焊縫成形美觀，質(zhì)量好，滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計的雙頭圓周自動焊機自動化程度高，降低了工人勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。

(2)采用PLC控制，可靠性高，使控制系統(tǒng)功能更強，進(jìn)一步提高整套焊接設(shè)備的整體性能。

(3)制定鋁合金桁架焊接工藝施焊，焊縫質(zhì)量好，成形美觀，滿足生產(chǎn)要求。

[1]劉政軍，趙竟群.汽車車橋直焊縫焊接設(shè)備控制系統(tǒng)的研制[J].沈陽工業(yè)大學(xué)，2007(11)：53-55.

[2]成 軍.微車后橋殼縱縫自動焊機設(shè)計研究[J].西安理工大學(xué)，2004(1)：44-45.

[3]姚河清，定 坤.渦流位移傳感器在外伸梁自動焊接控制中的應(yīng)用[D].江蘇：河海大學(xué)，2004.

[4]史國生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Design and manufacture of automatic circumferential welding equipment for aluminium alloy boom

TIAN Song-ya，F(xiàn)ENG Yan
(College of Mechanical＆Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

According to the requirements of aluminium alloy boom circumferential welding，this paper design and manufacture a special automatic welding equipment.In terms of weld time sequence requirement，PLC is used to implement the control of welding device logical subsequence.besides，work out the MIG automatic welding procedure of circumferential welding.The Result shows that the welding device displays high degree of automation，stable performance and convenient movement，which could satisfy production requirements of aluminium alloy boom automatic circumferential welding and improve productivity.Based on the welding procedure，welding experiment is done.The result indicates that welding procedure could reach the quality requirements of welding joint.

aluminium alloy boom；circumferential weld；automatic welding equipment；PLC；welding procedure

TG457.4

A

1001-2303(2012)04-0044-04

2011-10-13；

2012-03-08

田松亞(1963—)，男，江蘇如皋人，副教授，碩士，主要從事逆變焊機、焊接自動化等研究和教學(xué)工作。