雙金屬帶鋸條閃光對焊機的設計

符式鵬，龔中良，王志永，陳　楊，葉　鈞

雙金屬帶鋸條閃光對焊機的設計

符式鵬1，龔中良1，王志永1，陳楊1，葉鈞2

（1.中南林業科技大學機電工程學院，湖南長沙410004；2.湖南湖機國際機床制造有限公司，湖南長沙410004）

閃光對焊機是一種穩定、高效的焊接設備。根據閃光對焊技術的特點，設計了UZN-25雙金屬帶鋸條自動閃光對焊機的總體結構。介紹閃光對焊機的主要技術參數，分析閃光焊接原理、功能流程，重點分析該閃光對焊機的夾緊機構。設計了一種由凸輪和氣動裝置聯用的送進機構，并對該送進機構進行了結構和功能分析。產品經安裝調試后，各項技術指標運行正常，穩定可靠，達到了設計要求。

閃光對焊機；功能流程；夾緊機構；送進機構

0　前言

運用雙金屬帶鋸條和帶鋸床配套進行金屬切割下料是國家計委、經貿委重點推廣和扶持的48項“節能節材”項目之一。在國家的推廣支持下，目前我國帶鋸床的保有量約為10萬臺，年生產、消耗雙金屬帶鋸條約6 000萬m，這些帶鋸條都必須根據不同帶鋸床的規格裁成合適的長度，由帶鋸條焊接設備焊接成一個環狀后，才能在帶鋸床上使用。閃光對焊是電阻焊工藝中的一種，由于它具有快速高效、無需預處理被焊工件、焊縫強度高、性能優良、易于實現自動化、操作簡單等諸多優點，在雙金屬帶鋸條的焊接中得到了廣泛應用。我國閃光焊接技術水平與國外相比有較大的差距，國內在應用閃光焊接技術焊接雙金屬帶鋸條時，設備主要依靠國外進口的閃光對焊機。為此，研制了具有自主知識產權的UZN-25雙金屬帶鋸條自動閃光對焊機，該產品經安裝調試后，各項技術指標運行正常，穩定可靠，完全達到了設計要求，不僅可以焊接雙金屬帶鋸條，還可焊接硬質合金帶鋸條、普通鋼帶、合金鋼帶、不銹鋼帶和木工鋸帶等，是我國目前新一代的全自動高性能閃光對焊機。該產品的研制成功，填補了我國高效帶鋸條焊接設備的空白，提高了經濟效益。

1　UZN-25閃光對焊機主要技術參數

焊接規格：27×0.9，34×1.1，41×1.3，54×1.6；電源380 V，50 Hz；額定容量25 kVA；額定負載持續率50％；次級空載電壓：2.8～5.5 V，6級可調；上鉗口行程10 mm；鉗口間距0～20 mm；工件上下左右錯位小于等于0.02 mm；晶閘管控制方式：電流控制4～20mA。

2　UZN-25閃光對焊機的總體結構

UZN-25閃光對焊機的總體結構如圖1所示。

1—底座；2—氣動系統；3—頂鍛氣缸；4—液壓系統；5—預壓氣缸；6—噴管吹氣裝置；7—托帶裝置定位板；8—測溫裝置；9—操縱面板；10—液壓夾緊裝置；11—電氣系統；12—凸輪驅動系統；13—固定電極；14—活動電極；15—分級開關；16—腳踏開關圖1　UZN-25閃光對焊機的總體結構Fig.1OverallstructureofUZN-25FlashWeldingMachine

UZN-25閃光對焊機主要由主機和控制裝置組成，其中主機包括機身、焊接變壓器、分級開關、氣動系統、液壓系統、凸輪驅動系統、導電機構等；控制裝置主要包括PLC控制器、晶閘管調壓器、接近開關、微動開關、溫度檢測儀、觸摸屏等，實現焊接與回火過程的全自動控制[1]。

3　UZN-25閃光對焊機的焊接原理和工作過程

帶鋸條閃光對焊機的主電路如圖2所示。

1、2—夾緊鉗；3、4—電極；5—焊機變壓器；6—晶閘管調壓器；7—雙金屬帶鋸條；8—預壓-頂鍛力。圖2　UZN-25閃光對焊機的焊接原理Fig.2Working principle of UZN-25 flash welding machine

將帶鋸條的兩個端面分別與對焊機二次回路的兩個電極緊密接觸，并用夾鉗夾緊，以防在頂鍛時鋸條與鉗口相對滑動。

由于常用帶鋸條的橫截面積為16～120 mm2，不需要進行端面預熱，所以采用連續閃光對焊的方法進行帶鋸條的焊接。閃光一方面排除了氧化物和雜質，另一方面使得對接處的溫度迅速升高。頂鍛的作用是密封工件端面的間隙和液體金屬過梁爆破后留下的火口，同時擠出端面間的液態金屬及氧化夾雜物。使潔凈的塑性金屬緊密接觸，并使接頭區域產生一定的塑性變形，以促進再結晶，形成共同晶粒，從而獲得牢固的連接接頭[2]。塑性變形防止了可能形成鑄造組織類型的缺陷，大大地改善了高溫區金屬性能[3]。

不同型號的帶鋸條因其截面積不同，所需要的焊接電流也不同。焊接電流的控制是通過調整與對焊機一次繞組串聯的晶閘管[4]的導通角，從而控制兩極之間的電壓來實現。

焊機的工作方式分為手動和自動兩種，手動功能主要用于單一焊接、單一回火和設備調試，自動功能主要用于正常生產，即焊接與回火自動控制的周期工作。通過轉換開關實現手動和自動功能的轉換，設備緊停按鈕可以保障在發生故障時設備緊急停機。自動過程可分為：工件夾緊→通電→動夾具送進→閃光燒化→頂鍛（有電頂鍛和無電頂鍛）→保壓→回火六個階段。

（1）選擇工作方式：焊接與回火連續自動工作方式。

（2）調整頂鍛壓力、夾緊壓力、焊接時值、鉗口距離，選擇分級開關的檔位。

（3）在觸摸上設置焊接與回火參數，其中包括鋸條規格、閃光速度、回火溫度、回火時間、PID控制參數等。

（4）按下焊接準備按鈕使右焊臺恢復到焊接準備位置。

（5）清除已剪好帶鋸條的夾持部分和兩端面的油污和銹蝕及導電頭夾壓面上的塵渣。

（6）按下定位板按鈕使定位板伸出，分別將鋸條裝入夾鉗，并分別按下左右夾緊按鈕，確保鋸條被夾緊。

（7）按下焊接啟動按鈕，焊接及回火過程將連續自動完成，其動作過程為：定位板退回→右焊臺左移進給→晶閘管使能通電→焊接開始→連續閃光→頂鍛擠壓→斷電保壓→左夾鉗松開→吹風冷卻→右焊臺右移→回火變位1停止→左夾鉗夾緊→右夾鉗松開→吹風冷卻→右焊臺右移→回火變位2停止→右夾鉗夾緊→測溫儀使能→回火啟動→回火結束→左、右夾鉗松開→吹風冷卻→右焊臺回到焊接準備位置→一個工作周期結束。

4　UZN-25閃光對焊機機械裝置的設計

4.1夾緊機構[5]

閃光對焊機的夾緊機構主要功能有：（1）放置焊件，并保證焊件準確定位；（2）夾緊焊件，并在頂鍛時阻止焊件打滑；（3）從電源向焊件潰送焊接電流。

閃光對焊機常用的夾緊機構有杠桿式和垂直加壓式，前者結構簡單、制造成本低，較適用于普通板材或棒材的焊接。由于帶鋸條的工況復雜，服役條件惡劣，為保證帶鋸條的工作能力，必須保證帶鋸條的焊接質量和回火質量。由于杠桿式夾緊機構的特點，可能造成上鉗口與下鉗口產生相對滑移，從而導致導電鉗口的劃傷，也有可能因為杠桿式夾緊不均勻而出現如圖3所示的不符合要求的回火效果。

圖3　不同的回火效果Fig.3Different effects of tempering

為了保證焊接質量和回火質量，必須保證上下鉗口對齊和帶鋸條被夾緊面受力的均勻與穩定，為此設計了如圖4所示的垂直式夾緊機構。夾緊動力采用液壓動力，液壓缸安裝在安裝座上，定夾具和動夾具的上鉗口均通過銷軸、連接座等部件與液壓缸相連，下鉗口固定，并涂有絕緣漆，保證與機身的電氣絕緣。由于定夾具下鉗口的上下位置可調，而動夾具下鉗口的左右位置可調，通過調整楔塊、調整銷等部件從而調整上鉗口與下鉗口的對合精度，由此可首先保證定夾具和動夾具下鉗口對合精度。由于垂直夾緊方式上、下鉗口的對合不會產生滑移現象,帶鋸條的被夾壓面受力均勻，因此不存在推擠工件造成的對合誤差。垂直式夾緊加壓調整操作簡單、方便、準確，可以達到很高的對合精度，試驗證明，上述方式可保證工件上、下、左、右各方向的對合誤差（動態和靜態）不大于0.02 mm。當上下鉗口焊縫側的側面有燒蝕，可重新調整上下鉗口，利用上下鉗口的其他側面來保證夾緊的對齊。此種垂直式夾緊機構的設計充分地利用了上下鉗口的四個側面，達到了節約材料的目的，保證了帶鋸條的焊接質量和回火質量。

1—液壓缸；2—調整板；3—銷軸；4—連接座；5—調整彈簧；6—調整螺釘；7—楔塊；8—調整銷；9—調整座；10—上鉗口；11—下鉗口；12—安裝座；13—冷卻噴管；14—復位彈簧片。圖4　夾緊機構示意Fig.4Schematic diagram of clamping mechanism

4.2送進機構[5]

送進機構是對焊機中起決定性作用的關鍵部分，其性能直接影響到帶鋸條的焊接質量。設計的送進機構示意及其機構運動簡圖[6]如圖5所示。

該焊機是采用凸輪和氣動裝置聯用的送進機構，凸輪旋轉一周完成一次對焊焊接循環。開始焊接時，預壓氣缸作為原動件，頂鍛氣缸及其他部件作為從動件，此時送進機構屬于Ⅱ級機構，自由度F=1，送進機構在凸輪驅動下按預定閃光位移曲線進給，進行閃光燒化，隨后進入頂鍛階段。頂鍛時，根據杠桿原理，送進機構以數十倍以上頂鍛氣缸的作用力和速度進行頂鍛，雖然此時預壓氣缸仍然起作用，但其預壓作用力和預壓速度小于頂鍛氣缸的頂鍛力和頂鍛速度，頂鍛氣缸變為原動件，預壓氣缸及其他部件則為從動件，送進機構仍然屬于Ⅱ級機構，自由度F=1。這種送進機構具有結構簡單、閃光穩定，便于自動控制等優點。頂鍛參數可以獨立調節而與閃光位移曲線無關，保證了閃光過程的穩定，使焊接質量保持良好的一致性。

1—頂鍛氣缸；2、4、5、6—連桿；3—預壓氣缸；7—電極連接座。圖5　送進機構的示意和機構運動簡圖Fig.5Schematic and motion diagrams of transport mechanism

焊接過程各參數相對于時間t的關系如圖6所示。

圖6　工藝參數與時間t的關系Fig.6Relationships of processing parameters and time

上述關系通過實時檢測電動凸輪的相位加以實現。在凸輪驅動軸上布置有光電開關，利用光電開關與凸輪的同步關系，可以準確地測定凸輪相位，從而控制相應的時序動作。由于焊機各檢測元件的采樣時刻可以精確調整，因此，焊機能夠維持十分精確且穩定不變的焊接規范，保證了焊接質量的一致性。

5　結論

產品經安裝調試后，各項技術指標運行正常，穩定可靠，完全達到了設計要求。垂直式夾緊機構設計合理，鉗口位置調整方便，凸輪和氣動裝置聯用的送進機構，保證了閃光過程的強烈和穩定，使焊接質量保持良好的一致性。該產品填補了國內同類型產品的生產空白，達到或接近國外同類型同規格閃光對焊機的先進水平。

[1]趙熹華.焊接方法與機電一體化[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]王睿，孫鶴旭，董硯，等.冷軋薄鋼板專用閃光焊機控制方法[J].焊接學報，2008，29（01）：69-72.

[3]劉瑞增，姜永梅.帶鋸條對焊機的微機控制[J].林業機械，1991（03）:25-29.

[4]鄧星鐘.機電傳動控制（第四版）[M].武漢:華中科技大學出版社，2007：225-297.

[5]傅則紹.機構設計學[M].成都：成都科技大學出版社，1993.

[6]鄭文緯，吳克堅.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，1997.

Design for double metal band saw blade flash welding machine

FU Shipeng1，GONG Zhongliang1，WANG Zhiyong1，CHEN Yang1，YE Jun2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering Central，South University of Forestry&Technology，Changsha 410004，China；2.Hunan Huji International Machine Tool ManufacturingCo.，Ltd.，Changsha 410004，China）

The flash butt welding machine is a steady and high efficiency welding equipment.According to the characteristics of flash butt welding technology，design the overall structure of UZN-25 double metal band saw blade automatic flash welding machine. Introduce the main technological parameters，and analyze the flash welding principle and function flowsheet，with the emphasis on clamping mechanism of the flash butt welding machine.Design and analyze the structure and function of a kind of transport mechanism consists of cam and pneumatic device.After installation and debugging，various technical indicators are normal operation，stable and reliable，fully achieve the design requirements.

flash welding machine；function flowsheet；clamping mechanism；transport mechanism

TG438.2

A

1001－2303（2016）01－0049-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.11

2015-07-26

符式鵬（1989—），男，海南屯昌人，在讀碩士，主要從事機械電子工程、焊接設備與自動控制的研究。