鋁合金桁架環縫自動焊機的研制

田松亞，封 艷

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

鋁合金桁架環縫自動焊機的研制

田松亞，封 艷

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

根據鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環縫焊接要求，設計并制造了一臺專用焊接設備。根據焊接時序要求，采用可編程控制器實現對焊接設備邏輯順序的控制，并制定了鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環縫的惰性氣體保護焊MIG自動焊接工藝。結果表明，該焊機自動化程度高、性能穩定、操作簡便，能夠滿足鋁桁架鋁合金管材與接頭環縫自動焊生產要求，同時提高了生產率。依據制定的焊接工藝，進行了焊接試驗。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，滿足焊縫質量要求。

鋁合金桁架；鋁合金管材與接頭環縫；自動焊機；PLC；工藝

0 前言

隨著焊接技術日新月異的發展，企業對焊接質量、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備的重要發展方向之一[1-3]。某公司生產的鋁合金桁架長6 m，材料為6082，由主管和支管組成，年產量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，故設計了雙頭圓周自動焊機。

1 鋁合金桁架結構

鋁桁架結構如圖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行自動焊接。

鋁合金管材與接頭的裝配關系如圖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計

2.1 設計要求

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上，以達到工件與夾緊機構基本同軸。在氣缸壓力的作用下夾緊機構頂緊工件，電機驅動夾緊機構和工件作旋轉運動。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待焊位置，焊槍固定裝置需要有左右、上下方向調節功能。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節焊槍左右傾角的功能。

圖1 桁架結構

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計

2.2.1 雙頭圓周自動焊機結構原理

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

圖3 自動焊接結構示意

電機1通過三角皮帶驅動左夾緊夾頭6作旋轉運動，同時也帶動工件旋轉。頂緊氣缸11帶動右夾緊夾頭8夾緊工件。由焊槍調整裝置9、右夾緊夾頭8、頂緊氣缸11組成的右夾緊系統在手輪12、絲杠7的驅動下沿底座13的導軌左右運動。通過電焊機的地線、導電盤3將電引導到工件上。限位行程開關2檢測工件旋轉一圈。通過時間繼電器調節控制填弧坑時間。

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

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換，如圖4所示。控制器的輸入側應具有手動／自動、起動與停止、急停、限位行程開關和各手動操作控制按鈕(電機正反轉、氣缸的進退、焊槍的送進與后退)；輸出側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行工件夾緊、松開，以及兩把焊槍的進退，三個繼電器分別控制電機正反轉、代替焊槍的手把開關控制電焊機輸出，其中時間繼電器控制填弧坑。

自動、手動選擇處理采用調步指令，當工作方式選擇開關置于自動時，手動操作就不起作用。編程時充分利用PLC的計數、定時功能，以滿足自動焊需求的延時和轉換功能[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，到達焊接位置。手把開關閉合。KM1得電，控制電機正轉。開始焊接。當電機旋轉一周，即焊槍回到起焊點。檢測位置的按鈕開關(SB11)被觸發，時間繼電器KT1得電，到達設定的延時時間后，控制電機轉動的繼電器掉電。完成焊接。在非正常情況下，當按下急停(SB4)，電機停止運行，焊槍手把開關斷開，其他各執行元件保持停止前的狀態。

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，兩把焊槍同時到達焊接位置。按下手動正轉(SB9)，KM1得電，控制電機正轉，按下手動反轉按鈕(SB10)，KM2得電，控制電機反轉。按下焊接SB6、SB7，起動焊接電源開始焊接。按下限位行程開關(SB11)，時間繼電器KT1得電，開始填弧坑，完成焊接。

3 鋁合金桁架環縫焊接工藝

根據焊接時序要求設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，接頭熔深達不到要求。弧壓過低，電弧能量小，焊絲熔化慢，易出現短路，飛濺大；弧壓過高，電弧易漂移到導電嘴上，燒壞導電嘴，影響焊接過程穩定性。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，形成穩定的亞射流過渡，保證焊接過程穩定。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，易產生未焊透或未熔合，因此引弧電流應稍大，故起弧電流為正常焊接電流的140%，時間為0.1 s；熄弧易產生弧坑和弧坑裂紋，因此熄弧前應降低送絲速度，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，規格φ 1.2mm。因鋁合金導熱率高，如果環境溫度較低，焊后冷卻速度太快，焊縫易出現裂紋。為了保證焊接質量，焊前焊縫區需預熱，預熱溫度16℃。

4 焊接結果

采用制造的雙頭圓周自動焊機，根據制定的鋁合金桁架鋁合金管材與接頭環縫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。測量結果表明，焊縫尺寸外形符合ISO10042標準。剖開鋁合金管材與接頭環焊縫，焊縫兩側熔合良好，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控制系統后，焊機穩定性有很大提高，生產效率明顯提高。焊縫成形美觀，質量好，滿足生產要求。

5 結論

(1)設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，提高了生產效率。

(2)采用PLC控制，可靠性高，使控制系統功能更強，進一步提高整套焊接設備的整體性能。

(3)制定鋁合金桁架焊接工藝施焊，焊縫質量好，成形美觀，滿足生產要求。

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

[2]成 軍.微車后橋殼縱縫自動焊機設計研究[J].西安理工大學，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用[D].江蘇：河海大學，2004.

[4]史國生.電氣控制與可編程控制器技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

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

TIAN Song-ya，FENG 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工作。