楊筱坤， 李丹， 張冠

（華南理工大學廣州學院，廣州510800）

1 T型管散熱器自動焊接系統(tǒng)簡介

T型管散熱器自動焊接系統(tǒng)是用以自動焊接各類新型散熱器的數(shù)控焊接設備。其焊接對象包括各種鋼鋁復合翼型散熱器、鋼制散熱器、銅鋁復合散熱器（即我國北方俗稱暖氣片）。焊接管型主要包括圓管與圓管插接的馬鞍形焊縫、圓管與D型管插接的圓形平面焊縫、橢圓管與D型管插接的橢圓形平面焊縫，如圖1所示。

圖1 三類T型管示意圖

該設備采用工控系統(tǒng)，對前后雙焊槍焊接軌跡插補、焊接引弧、熄弧時間、焊槍焊接速率等進行控制。實現(xiàn)7軸伺服電動機的時序獨立運動或聯(lián)動控制。其焊接效率可達每柱（單根豎管即過水管與橫管即主水管插接簡稱為一柱）7～9 s，120～180柱/h；不漏率為90%～95%。

相較于人工焊接的30～60柱/h，提高了3～4倍焊接效率。且比焊接機器人成本低出數(shù)倍。圖2為設備實物及圖3為焊接效果圖。

圖2 T型管散熱器自動焊接設備

圖3 設備焊接效果

2 T型管散熱器自動焊接系統(tǒng)的故障診斷及維修技術

下文將對系統(tǒng)存在的主要故障進行分析診斷，并提出相應的優(yōu)化解決方案。

2.1 故障1：焊接起弧故障

故障現(xiàn)象：焊接時，焊槍在焊接起始點無法起弧，焊絲從豎管旁穿出。

圖4 焊接機構原理簡圖

故障原因：1）如圖2及圖3所示，散熱器的焊縫因過水管與主水管插接，因此焊槍是無法繞過過水管，對單條焊縫完成一次成型焊接的。其結構將每柱的焊縫分割為上下、前后四條半圓形焊縫（或一半馬鞍形焊縫），若采用人工焊接，靈活自由度雖高，但效率低。而若用設備進行焊接，由于過水管上脹接的鋁翼片下沿距焊縫最高點僅為25～35 mm。故因空間位置干涉，焊槍亦無法完全旋轉180°進行焊接。所以設備的焊接原理如圖4所示。

焊接時焊槍基座電動機左右旋轉各45°，前后焊槍偏擺角α，前后插補距離為X。也即通過90°轉角完成180°焊縫的焊接。但同樣因為焊槍必須避讓焊件的鋁翼片，因此焊接時焊絲與焊縫之間的夾角小于30°，達不到最佳的焊接起弧角度30°～45°。因上述原因在焊槍到達前后焊接插補位置時焊絲與焊縫基本成切線方向，易從豎管旁穿出，如圖5所示。

圖5 焊槍插補位置簡易示意圖

2）焊接采用的焊機為二氧化碳氣體保護焊機，故其引弧方式為接觸式引弧。即焊絲與焊接母材需接觸才可引弧，而焊接時焊口伸出焊絲與焊縫基本處于相切位置，未能切實接觸。

3）焊絲通路及氣路都較長，所以焊絲在傳遞至焊口發(fā)生扭轉，且二氧化碳保護氣體未能與電極正常產(chǎn)生電離。

分析以上3點原因，可以看出焊接起弧故障均是因為達不到焊接起弧的電離要求。焊接時基座電動機旋轉后，焊槍的伺服電動機還要控制其偏擺。為保證焊接效率，各軸電動機在接收脈沖序列，旋轉到位后并未有足夠的停留時間。也因各電動機與執(zhí)行機構裝配時存在一定的間隙，導致焊槍到達前后焊槍插補位置時存在機械系統(tǒng)的振動。所以導致焊絲無法接觸起弧。

針對這幾點原因可提出解決方案：1）增加各電動機連接部分的調整機構，預先消除間隙，減少系統(tǒng)機械振動；2）增長焊接電極及焊接氣體噴嘴，保證電離引弧環(huán)境可靠；3）焊接程序延長引弧時間，即使焊槍在前后焊槍插補位停留時間增長，保證焊絲與焊件可靠接觸；4）采用雙導輪送絲機構，減少送絲過程中，焊絲彎曲，盡量保證伸出焊口焊絲直線度。

改進后的機構效果如圖6所示。經(jīng)改進后，改進結果為焊接起弧穩(wěn)定可靠。

圖6 改進后焊槍機構（雙導輪送絲機構、加長電極，氣嘴）

2.2 自動設備步進電動機丟步故障

焊接過程中出現(xiàn)步進電動機丟步現(xiàn)象，導致焊縫不連續(xù)，甚至不完整。焊縫的不連續(xù)，直接影響到散熱器的產(chǎn)品質量。所以經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)造成電動機丟步的原因主要有以下幾個方面：1）步進電動機所帶負載超過額定負載，因考慮電動機所帶負載僅為焊槍與焊絲，故不需采用大轉矩電動機，所選焊槍旋轉電動機為4 N·m轉矩，但當焊槍旋轉到某一極限角度時，焊槍焊絲傳送管的拉扯力（如圖2所示，因考慮焊槍旋轉空間位置，故傳送管路徑很長）導致步進電動機負載超過額定轉矩，造成丟步，但該原因影響較小。2）高頻高壓引弧電路采用電網(wǎng)升壓，并經(jīng)耦合達到引弧的目的，起弧時，電壓可從380 V瞬時達到420 V以上，控制電路的工作電壓瞬時上升，導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。另外，由于高頻引弧，可能形成輻射干擾，從而引起工控機脈沖輸出不穩(wěn)定。進一步分析：逆變焊機本身就是嚴重的電磁干擾源，在工作中產(chǎn)生的電磁輻射和噪聲諧波對其他設備的正常運行以及電網(wǎng)產(chǎn)生較強的影響。3)控制電路中繼電器吸合不穩(wěn)定。由于運動控制卡PCL-839的特性是控制三軸電動機，但實際機床需要對7個步進電動機進行控制。其中雖然有2對電動機執(zhí)行相同的脈沖序列，但要實現(xiàn)單獨控制，就需要在不同電動機進行切換，控制步進電動機脈沖信號及方向信號的通斷，這里就要利用繼電器輸入端作為控制端。但機械繼電器并不能對高頻的脈沖和方向信號進行忠實可靠的傳送，從而丟失部分脈沖信號，造成丟步現(xiàn)象。

針對以上三點故障原因。提出維修方案：1)抑制或降低干擾，機床、控制柜及執(zhí)行元件間的連接選用航空電纜與航空插頭連接。航空電纜外包有屏蔽用金屬皮，并且在線芯內也包括屏蔽線，能很好地起到抑制干擾的作用。2)航空插頭到各電子元件之間采用端子排連接，不僅方便拆裝，也方便排除問題，找出故障原因。3)采用光電耦合電路替代機械式繼電器，用以滿足高頻脈沖信號的輸入輸出。最后測試脈沖，看是否存在丟步現(xiàn)象。圖7為原來的機械式繼電器光電隔離輸入輸出板；圖8為改進后雙路光耦接口擴展板；圖9為接口擴展板與PCL839+運動控制卡聯(lián)接圖。

2.3 焊件焊穿

故障現(xiàn)象：焊接過程中出現(xiàn)連續(xù)焊穿焊件現(xiàn)象。

焊接質量的好壞主要取決于三個要素：1)焊接軌跡的擬合；2)焊接電參數(shù)（主要指焊接電流及焊接電壓）；3)焊接運動參數(shù)（主要指運絲速度，焊槍進給速度，熔池連續(xù)程度，焊件熱影響區(qū)等）。該焊穿現(xiàn)象為連續(xù)焊穿，即一條焊縫焊穿，其后若干焊縫也都焊穿。根據(jù)這種現(xiàn)象，我們在焊接電壓和焊接電流優(yōu)化的前提下進行實驗，遵循先機械后電路的原則，檢查焊縫軌跡是否擬合。

焊接軌跡的擬合不準確主要是由以下幾方面引起的：

圖7 機械式繼電器接口擴展板

圖8 雙路光耦動作切換電路PCB圖及接口擴展板實物

圖9 PCL839+運動控制卡及接口擴展板連接實物

圖10 橫管鉆孔定位誤差造成的孔心扭轉

1）標準的T型管焊縫軌跡應是沿焊件（散熱器）中心平面對稱的。但由于散熱器的裝配需要，主水管（橫管）上孔徑比過水管（豎管）直徑大1～3 mm，在裝配時需要對主水管與各過水管進行電焊固定，致使主水管與過水管插接后，有一定的偏向性。且在主水管鉆孔時，工藝不夠嚴格，鉆孔機鉆頭在圓管上定心不準，導致各孔之間的距離有一定誤差，整根主水管上第一至最后一個孔的孔心距累計誤差可以達到4～15 mm（管數(shù)越多誤差越大）。且由于不是使用組合鉆一次加工多個孔，單孔加工中，由二次定位誤差致使孔在橫管上的分布呈螺旋線式扭轉（或不規(guī)則扭轉）。如圖10～圖12所示，焊接軌跡第一柱為標準型焊縫，最后一柱焊縫左焊縫和右焊縫的最低點相差1.9 mm，而數(shù)控焊接設備如采用開環(huán)控制，則根據(jù)算法，每柱之間的間距應是相等的。所以實際的焊縫與數(shù)控焊接軌跡擬合不精確。

圖11 標準焊縫（第一柱）左右兩條焊縫最低點(高度差為0)示意圖

圖12 扭轉后左右兩條焊縫（最后一柱）最低點高度差1.9 mm

2）在實際焊接時，連續(xù)多柱焊接，使主水管焊接溫度持續(xù)累積，焊接至最后一柱，由于焊接殘余熱應力作用，整體焊件發(fā)生翹曲變形，因采用雙焊槍對稱焊接，焊件由對角線翹曲變形，轉變?yōu)槠矫鎯嚷N曲變形。兩側有氣動夾具夾緊，而中間無約束，所以整個橫管中間拱起變形，同樣使理論焊縫軌跡低于實際焊縫軌跡，無法擬合精確。

圖13 激光光電開關檢測

根據(jù)以上結果提出以下改進方案：1)使用設備焊接前，應先對焊件進行校正。盡量提高理論與實際焊接軌跡的吻合程度。優(yōu)化焊接工藝，使單柱焊接熱源影響區(qū)（橢圓形熱源區(qū)）范圍縮小，降低焊接熱應力，減小焊接熱變形。2)焊接時，利用激光光電開關作為檢測輸入設備，對每根豎管、橫管進行位置檢測。當開關遮擋及正常接收時，發(fā)出高低電頻的轉換信號，以此判斷理論的管間距與實際管間距的誤差值，和橫管抬升的變形量，并通過數(shù)控程序實時進行脈沖序列的補償，以達到焊接軌跡擬合準確的目的。

圖14 未加入位置檢測改進的焊穿效果

經(jīng)改進后效果明顯，焊接效果如圖14、圖15所示。

圖15 故障檢測改進后焊接效果

3 結 語

目前該自動化焊接設備已經(jīng)在河北衡水，山東淄博、高密，新疆奎屯等多家散熱器生產(chǎn)廠商進行工業(yè)生產(chǎn)檢驗，生產(chǎn)實踐表明自動焊接設備的各項指標均符合設計標準，在焊接連續(xù)性、焊接質量等方面都較研發(fā)初期有了很大程度的提高。現(xiàn)在的焊接效率已能達到單柱焊接時間9 s，每小時能完成120柱散熱器的焊接，而且能夠達到單面焊、雙面成型的良好焊接效果，焊縫的寬度基本不小于7 mm，焊縫表面光滑，無明顯氣孔、咬邊等缺陷。該自動化焊接設備能夠極大程度提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，提升產(chǎn)品質量。當然為更好地適應工業(yè)生產(chǎn)，該設備還需要經(jīng)過大量的實踐檢驗，也需要不斷地更新改良，以便能勝任更多種類散熱器的焊接，成為效率高、焊接穩(wěn)定、通用性強的焊接設備。

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