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        自行車(chē)車(chē)架焊接的自動(dòng)化發(fā)展研究

        2021-11-27 09:59:26肖磊吳宗江楊麗高黨尋耿娜
        中國(guó)自行車(chē) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:惰性氣體氬弧焊車(chē)架

        肖磊 吳宗江 楊麗 高黨尋 耿娜

        (1.中國(guó)自行車(chē)協(xié)會(huì) 北京 100079;2.清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心 北京 100084;3.江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系 江蘇 221116)

        1 前言

        中國(guó)自行車(chē)行業(yè)經(jīng)歷了由小到大、由弱變強(qiáng)的跨越,經(jīng)歷了抗擊國(guó)際金融危機(jī),依然保持平穩(wěn)健康發(fā)展的挑戰(zhàn)。行業(yè)經(jīng)歷了調(diào)整振興、轉(zhuǎn)型升級(jí)、轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的變革,整體面貌發(fā)生了巨大變化,創(chuàng)造出了輝煌的業(yè)績(jī),成就了世界自行車(chē)生產(chǎn)大國(guó)、出口大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)的地位。面對(duì)不利因素,行業(yè)團(tuán)結(jié)一致,奮力拼搏,取得了疫情防控和行業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的雙重勝利。根據(jù)各主產(chǎn)區(qū)行業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)并結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)局規(guī)模以上企業(yè)數(shù)據(jù),2020 年,我國(guó)自行車(chē)產(chǎn)量為7 527.5 萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)15.8%;2020 年,我國(guó)自行車(chē)出口6 029.7 萬(wàn)輛,同比增長(zhǎng)14.8%;2020 年,我國(guó)自行車(chē)出口額為36.48 億美元,同比增長(zhǎng)28.1%。

        焊接是自行車(chē)加工中必不可少的一種工藝方法,在自行車(chē)制造中有著廣泛的應(yīng)用。在自行車(chē)的零部件制造中,常用的焊接方法有點(diǎn)焊、氣焊、焊條電弧焊、手工氬弧焊、自動(dòng)氬弧焊、手工CO2氣體保護(hù)焊、自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊、激光焊、釬焊等,其中氣體保護(hù)焊工藝經(jīng)常與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合,組合成機(jī)器人自動(dòng)化焊接生產(chǎn)工作站,具有自動(dòng)化程度高、工件質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)效率較高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于各主要自行車(chē)生產(chǎn)廠家。

        2 自行車(chē)焊接新技術(shù)的應(yīng)用

        2.1 CO2氣體保護(hù)焊(MAG)

        CO2氣體易于生產(chǎn),成本較低,價(jià)格便宜,是最理想的焊接保護(hù)氣,因此成為各個(gè)自行車(chē)生產(chǎn)廠家最常用的焊接保護(hù)氣體。廠家在使用常規(guī)焊接電源時(shí),采用短路過(guò)渡技術(shù)焊縫成形良好,但焊接熔滴過(guò)渡方式易產(chǎn)生焊接飛濺,所以一般會(huì)采用優(yōu)質(zhì)焊機(jī),選取合適的參數(shù),以使飛濺降低到最小的程度。CO2氣體保護(hù)焊與焊接機(jī)器人相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)自行車(chē)車(chē)架或零部件的自動(dòng)化焊接。青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院的毛現(xiàn)艷等人通過(guò)采用仿真軟件對(duì)自行車(chē)車(chē)架后三角自動(dòng)化焊接進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真,根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)布局,設(shè)計(jì)自行車(chē)車(chē)架工件的焊接工藝流程;通過(guò)建立生產(chǎn)線(xiàn)布局,設(shè)計(jì)焊接工藝流程,并利用西門(mén)子Process Simulate 軟件對(duì)自行車(chē)車(chē)架后三角按照焊接流程進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真驗(yàn)證,證明對(duì)自行車(chē)車(chē)架后三角實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的設(shè)計(jì)方案是可行的。這對(duì)于以后實(shí)現(xiàn)自行車(chē)車(chē)架后三角自動(dòng)化焊接的升級(jí)改造具有借鑒意義[1]。

        2.2 熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)

        在焊接保護(hù)氣中添加氬氣或氦氣氣體保護(hù)焊接的工藝,被稱(chēng)為熔化極惰性氣體保護(hù)焊,簡(jiǎn)稱(chēng)MIG。這種焊接方法是利用氬氣或富氬氣體作為保護(hù)介質(zhì),采用連續(xù)送進(jìn)可熔化的焊絲與燃燒于焊絲工件間的電弧作為熱源的電弧焊。這種焊接方法的焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠,適于焊接鋁、鎂、鈦及其合金等有色金屬車(chē)架及零部件,焊接生產(chǎn)率高。采用自動(dòng)化焊接時(shí),焊接過(guò)程參數(shù)穩(wěn)定,易于檢測(cè)及控制。與CO2氣體保護(hù)焊相比,MIG 具有以下的優(yōu)點(diǎn):在氬氣或富氬氣體保護(hù)下的焊接電弧穩(wěn)定,焊縫成形均勻、美觀。電弧氣氛的氧化性很弱,甚至無(wú)氧化性,減少了焊后表面處理的工作量,提高了焊接效率。MIG 焊接鋁、鎂等金屬是采用直流反接方式,具有良好的陰極霧化作用,可有效去除金屬表面的氧化膜,提高接頭的焊接質(zhì)量。

        在使用MIG 焊接車(chē)架時(shí),操作人員需注意脈沖焊的質(zhì)量,保證上管和下管的焊道能夠焊透。根據(jù)江蘇檢驗(yàn)檢疫自行車(chē)檢測(cè)中心袁興啟、王景的研究,當(dāng)車(chē)架采用脈沖焊接方式時(shí),如焊接時(shí)滲透嚴(yán)重不足,焊接熱影響區(qū)有輕微過(guò)熱跡象,則焊接件的疲勞測(cè)試壽命嚴(yán)重不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)自行車(chē)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn),脈沖焊接制作車(chē)架易存在強(qiáng)度不足等缺陷,故不推薦在車(chē)架焊接時(shí)使用脈沖焊[2]。

        2.3 非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊(TIG)

        非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊簡(jiǎn)稱(chēng)TIG,是在惰性氣體的保護(hù)下,利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。焊接時(shí),保護(hù)氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出,在電弧周?chē)纬蓺怏w保護(hù)層隔絕空氣,以防止其對(duì)鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)產(chǎn)生有害影響,從而可獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。保護(hù)氣體可采用氬氣、氦氣或氬氦的混合氣體,操作人員可以采用手工焊及自動(dòng)焊兩種方式,焊接鋁、鎂及其合金時(shí)一般都采用交流電源。鎢極氬弧焊可用于幾乎所有金屬和合金的焊接,但由于其成本較高,在自行車(chē)行業(yè)中通常多用于焊接鋁合金車(chē)架、鎂合金車(chē)架以及鈦合金車(chē)架等生產(chǎn)附加值較高的中高端自行車(chē)。湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院的易傳佩通過(guò)基于焊接數(shù)值分析軟件SYSWELD,模擬了鋁合金電動(dòng)自行車(chē)車(chē)架前管和連接管的鎢極氬弧焊過(guò)程,其研究結(jié)果可為鋁合金車(chē)架實(shí)際焊接生產(chǎn)中制定殘余應(yīng)力的防治措施提供依據(jù)[3]。

        3 自行車(chē)焊接新材料的發(fā)展趨勢(shì)

        自行車(chē)車(chē)架的發(fā)展始終朝著高強(qiáng)度輕量化的方向前進(jìn),新的材料不斷地應(yīng)用在傳統(tǒng)自行車(chē)上,鋁合金、鎂合金、鈦合金和碳纖維等材料在不斷地取代傳統(tǒng)的碳鋼車(chē)身材料。新材料的應(yīng)用,也對(duì)焊接提出了更高的要求。

        3.1 鋁合金焊接

        鋁合金車(chē)架具有質(zhì)量(重量)輕、塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),在自行車(chē)行業(yè)應(yīng)用較多。自行車(chē)所使用的鋁合金多數(shù) 為6000 系(A-l Mg-Si)和7000 系(A-l Zn-Mg-Cu)兩種。日本生產(chǎn)的部分自行車(chē)的車(chē)架、車(chē)把是用冷拉的5056 鋁合金無(wú)縫管制作的[4]。

        鋁合金焊接時(shí),由于材料的熱導(dǎo)性較好,因此其熱輸入量應(yīng)相較鋼材焊接時(shí)的熱輸入量大。由于鋁合金表面有一層致密的氧化膜,如焊接時(shí)未將氧化膜徹底清除,將會(huì)在焊縫中形成焊接缺陷。采用鎢極氬弧焊的方式焊接鋁合金時(shí),操作人員可采用交流電源,在具有較高的熱效率和鎢極承載能力的同時(shí),可借助“陰極破碎作用”清除鋁合金表面上的氧化膜,使焊接得以順利進(jìn)行,并獲得光亮美觀的焊縫表面,因此鎢極氬弧焊在鋁合金車(chē)架焊接中應(yīng)用較多。

        3.2 鎂合金焊接

        鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等性能,因此其比大多數(shù)的金屬材料更適合應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)部件上。同時(shí)鎂合金具有優(yōu)異的變形及能量吸收能力,用于與人體直接接觸的部件時(shí)可以加強(qiáng)使用的舒適度,因此鎂合金已作為結(jié)構(gòu)部件廣泛應(yīng)用于自行車(chē)輪轂、車(chē)把夾、腳踏板、手把、前叉、車(chē)架等部件。國(guó)內(nèi)外知名自行車(chē)生產(chǎn)廠商都開(kāi)始提供鎂合金部件。我國(guó)的自行車(chē)生產(chǎn)廠商已將大量鎂合金零部件應(yīng)用于自行車(chē)中高檔產(chǎn)品上[5]。

        鎂合金焊接性能較差,且添加不同元素的鎂合金的焊接性能有差異,焊接時(shí)需要提供很好的氣體保護(hù),否則易被空氣中的氧氣、氮?dú)獾妊趸绘V金屬在高溫下易蒸發(fā)(鎂的沸點(diǎn)為1 100 ℃)、熱膨脹系數(shù)大,因此焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力變形和裂紋,需在焊接時(shí)注意控制焊接熱輸入量。鎂合金的焊接一般采用鎢極氬弧焊的方式。

        3.3 鈦合金焊接

        鈦合金具有質(zhì)量(重量)輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕等特點(diǎn),近年來(lái)越來(lái)越多被應(yīng)用于高端自行車(chē)上,是自行車(chē)高端化的標(biāo)志。

        鈦合金的焊接對(duì)于保護(hù)氣體的條件要求特別高,少量的N2或O2即可使鈦合金焊縫接頭變脆,因?yàn)殁伜辖鸬暮附颖仨毑捎眉兌容^高的惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。鈦合金可采用鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、等離子弧焊和激光焊等方式焊接。

        4 自行車(chē)焊接發(fā)展趨勢(shì)

        2020 年雖受疫情影響,但我國(guó)自行車(chē)生產(chǎn)量及保有量均保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2021 年自行車(chē)市場(chǎng)仍將保持穩(wěn)定增長(zhǎng),總產(chǎn)量略有上升,整體市場(chǎng)將繼續(xù)維持穩(wěn)定。

        綜合分析,自行車(chē)未來(lái)的焊接發(fā)展方向依然為自動(dòng)化和高精度機(jī)器人焊接工作站,弧焊機(jī)器人的應(yīng)用將在自行車(chē)制造行業(yè)得到更大規(guī)模的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)焊接模擬軟件和有限元分析的應(yīng)用,將為自行車(chē)產(chǎn)品焊接質(zhì)量的穩(wěn)定和行業(yè)新品的研發(fā),提供更為有力的保障。

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