氣焊焊絲矯直切斷機的矯直機構

許定俠， 袁海波， 馮根城， 陳一杰， 柯世金， 談毅

（華南理工大學廣州學院，廣州510800）

0 引言

1986-1995年是我國焊接材料行業迅速發展的時期。焊絲行業在這10 a里通過技術引進、消化和企業技術改造,其生產專用設備已接近國際先進水平[1]。在20世紀80年代，實心焊絲在焊接材料中僅占2.5%，然而進入21世紀，實心焊絲的產量迅速發展，到目前為止，實心焊絲產量在焊接材料中占30%。2000-2010年我國MAG焊實心焊絲產量見圖1[2]。

由此可見，焊絲使用效率的提高非常必要。在實際焊接過程中發現，焊絲從焊絲盤上剪下來的焊絲是彎的，在使用時通常會受到阻礙，嚴重影響焊接效率。矯直后的焊絲與未矯直的焊絲相比，不僅節省焊接的時間，還使焊接的質量有所提高。雖然可以手工矯直，但矯直效果不理想，浪費時間。

圖1 2000-2010年來我國MAG焊實心焊絲產量

矯直理論的研究工作早期主要集中于歐、美、日本等西方發達國家及前蘇聯等地區，進入本世紀以來國內在矯直理論研究方面成果顯著。通過近幾年的研究，國內外取得的成果豐碩，在矯直理論模型的完善、矯直過程的認識、實際生產問題的解決等方面都有所突破[3]。然而，在國外已有計算機用壓彎量數學模型的開發使用,國內也已開始這方面的研究工作[4-5]。將矯直理論應用到焊絲矯直機構中，提高了焊絲的使用效率，還能減少手工操作，為將來的自動化發展起到一定的作用。

傳統實心焊絲是在半成品鋼絲表面鍍上一層銅，可增強焊絲與焊嘴接觸處的導電性能、防腐能力，以及減少與送絲軟管、焊嘴的摩擦力[6]。但鍍銅焊絲就像一把雙刃劍，既有好處，又有其不足之處。在焊接過程中，部分銅會融入焊縫，降低焊縫的力學性能和低溫沖擊韌性。鍍銅焊絲在生產過程還會產生廢酸，處理不好會污染環境，并增加了治污成本。然而無銅焊絲使用時不會產生銅粉而影響焊接；提高熔敷效率，降低消耗；焊接時飛濺少。由于無鍍銅焊絲有諸多優點，可以認為是實心焊絲的發展方向[7]。

1 矯直原理

國內矯直器的主要類型有兩種，即輥輪式和回轉式矯直[8]。不同的矯直對象有多種矯直方法，對于線、管、板等長條狀的金屬普遍使用輥式矯直，型材在各種加工過程中因外力作用、溫度變化及內力消長而產生的彎曲或扭轉變形[9]。目前，現有的矯直器種類較多，根據對比，發現鋼絲矯直器的矯直方式適用于焊絲矯直，但二者的不同點在于材料的成分和力學性能，在矯直參數設計過程中也有一些差異。

關于矯直方法，到目前為止，在常溫狀態下進行矯直的方法基本上有3種：1）反彎矯直法。應用最廣泛，在反彎矯直方法中分為平面相位的反彎方法與旋轉相位的反彎方法。2）拉伸矯直方法。3）拉彎矯直方法。是前面兩種方法的結合。

反彎矯直方法的反彎量主要依靠矯直材料的屈服極限和彎曲度來決定，其次還有矯直材料的直徑、環境溫度等一系列次要因素。要矯直就要有矯直器，其中矯直輥的直徑大小與矯直材料相關，當矯直材料的直徑越小或越薄，強度越高，彈性模數越少，所需的矯直輥的直徑就越小，否則得不到足夠的塑形變形來達到矯直效果。拉伸方法也是一種應用廣泛的矯直方法，但在矯直條狀材料時，由于存在材料兩邊在矯直過程中容易產生應力集中的缺點，在拉力過大的情況下材料容易斷裂，從而使材料報廢。由于本次矯直的焊絲的直徑小，抗拉強度不大，所以本次設計不宜采用拉伸矯直方法。但將兩種方法結合，其矯直效果提升的同時，也避免了單種矯直方法的缺點，所以這種既拉伸又反彎變形的方法，我們稱之為拉彎矯直法，適合于本次設計。

2 焊絲參數

本次設計需要矯直的焊絲為一般的氣焊焊絲，選定的規格為ER50-6，其結構形狀為圓柱體，屬于碳鋼類焊絲。ER50-6焊絲是常用焊絲的一種，它具有良好的電弧穩定性和焊接性能，在焊接過程中，熔敷效率高、飛濺較少，操作方便。焊縫抗銹蝕和抗氧化能力強，成形美觀。另外，在焊絲加工過程中可忽略退火工藝，降低成本[10-11]。隨著現代科技的迅猛發展和自動化生產水平的不斷提高，實心焊絲的需求量逐年快速增加。根據用戶的使用情況表明，ER50-6焊絲的電弧穩定性和焊接性能良好，化學成分分配合理，價格合理。ER50-6的化學成分及力學性能，分別如表1、表2所示。

表1 ER50-6化學成分質量分數 %

表2 ER50-6力學性能

3 矯直機構的參數設計

目前，國外對矯直研究已經取得了一定的研究成果，國內也有一部分技術人員從理論角度對矯直技術進行了基礎實驗，通過實驗結果分析計算總結出下壓量參數的作用以及如何設定壓下量參數的數值[12-13]。然而彈塑性彎曲是一種典型的截面不均勻變形狀態，矯直過程中金屬絲發生的連續反向彎曲變形會使金屬絲截面產生殘余應力[14]。通過矯直輪數及其排布不斷減小應力，最終達到矯直的效果。矯直機構的重點和難點均在于保證焊絲的矯直精度，提高矯直精度成了矯直工藝迫切需要解決的問題[15]，矯直參數的計算是保證矯直質量的關鍵。

由矯直原理明顯看出，矯直器的主要影響參數有矯直輪輪距t、直徑D、壓下量A和輪數n。

3.1 矯直輪的直徑設計

矯直輪直徑為

式中：D為矯直輪直徑；K為焊絲塑變深度系數；E為彈性模量；d為焊絲直徑；σs為焊絲的屈服強度。

根據機械手冊查得，這里取低碳鋼K=0.063，將表2中，σs=420 MPa，E=206 GPa，取焊絲直徑d=1 mm代入式（1）中，得D=29.9 mm。為了合理選取矯直輪的型號，取矯直輪直徑D=30 mm。

矯直輪本身就是軸承的一種，不需要另外裝配軸承。根據其槽的形狀，矯直輪可分為V型矯直輪和U型矯直輪，價格便宜，安裝方便，適合焊絲的矯直使用。為了防止焊絲因自身重力而影響焊絲矯直的穩定性，采用V型矯直輪，其圖樣如圖2所示。

矯直輪采用寧波百川軸承公司生產的A1500.2Z矯直輪，其主要參數見表3。

3.2 輪距和下壓量設計

在確定矯直輪的型號和規格后，參照現有的矯直理論計算方法，計算輪距和下壓量。輪徑與輪距的關系公式為1.4D≤t≤2D，本次設計使用的矯直輪的直徑為30 mm。得輪距42≤t≤60，為保證矯直質量，取輪距t=50 mm。

焊絲在矯直時的形狀如圖3所示。

圖2 矯直輪圖樣

表3 UBMA1001.2Z規格矯直參數

圖3 焊絲矯直時的截面形狀

矯直輥個數n，可根據具體情況而定，一般來講，矯直輥數越多，則消除焊絲殘余曲率的范圍越寬，調節余地大，有利提高矯直效果。但實踐證明，調整難度與矯直輥數成正比，矯直輥數越多，越難調節，對矯直質量也難以控制。實驗證明，矯直輥數一般取5～7，基本能解決矯直的問題。所以取n=5，下壓量計算公式如下：

將D=30 mm、t=50 mm代入式（2）中，得Amax=13.4 mm。

4 矯直機構的結構設計

氣焊焊絲矯直剪斷機的矯直機構如圖4所示。

圖4 矯直機構

矯直機構由水平和豎直平面的矯直輪部分組成，每個平面均由5個矯直輪組成，其中有3個為活動矯直輪，2個為固定矯直輪。活動矯直輪安裝在動底板3上，固定矯直輪安裝在機架底座1上，始終固定不動。通過調節鎖定手柄4調節矯直輪的下壓量，并鎖定動底板，保證矯直的平穩性和矯直效果。隨著焊絲直徑大小的不同，通過調節鎖定手柄改變動底板的位置，從而調節矯直輪的下壓量。

5 結語

通過本次設計解決了氣焊焊接時焊絲不直所帶來的不良影響，通過焊絲矯直機構將彎曲的焊絲矯直，大大縮短了工作時間，提高了焊接效率，同時也避免了手工矯直的費時費力方法。對于焊絲的矯直質量可以通過控制矯直機構的下壓量來調整。該機構的設計使氣焊焊絲矯直剪斷機的實現成為可能。