銅鋁管焊接系統的原理探討

曾 杰

（銅陵有色金屬集團股份有限公司工程技術分公司，安徽 銅陵 244000）

鋁材料具有較高的性能價格比，因此，在制冷及其他一些行業中多采用銅鋁管做冷凝器。但由于鋁材料的熔點較低，表面的致密氧化膜，故其焊接性能較差，因此，在實際的生產過程當中多采用銅鋁管過濾，用銅鋁管道連接其他管道，為實現焊接設備結構、功能及參數的最佳匹配。從而縮短設備設計周期，提高系統質量，降低經濟成本。

銅鋁管焊接系統的主要功能是處理銅管、鋁管之間的焊接問題，即鋁管作為鋁材料，在材料市場中有突出的性價比優勢，被廣泛應用于冷凝管道制造中，而鋁管具有熔點低、表面附有氧化膜的特征，說明其焊接性能較差，這時就要采用銅管來彌補這一缺陷，用銅管來連接鋁管，再將銅管與其他管道連接，這時就產生了銅管、鋁管焊接需求。這一需求中，主要需處理的問題就是銅、鋁管接頭焊接問題，而銅鋁管焊接系統能夠很好解決這一問題，因此有必要對該系統原理進行分析。

1 銅鋁管焊接系統原理

1.1 總功能分解依據

圖1 技術流程與周圍環境

總功能分解就是將總功能分解成分功能，并找出實現各分功能的方案。總功能分解應逐漸層進行，直到找到相應的功能元。功能元指的是功能結構中最小單位，每個功能元都有相應的技術、物理效應來實現。總功能分解的依據是：焊接系統應由動力系統、傳動系統、執行系統、控制系統、保護系統和支撐系統組成；其技術流程為：動力系統、傳動系統、控制系統、執行系統，這四部分都安裝在支撐系統上，并在保護系統下工作。

1.2 總功能分解過程

總功能分解通常有兩種方法，一是按解決問題的因果關系或手段目的關系分解，二是按產品工藝動作過程的順序來分解。現選用后者，并且逐步進行分解，直至找到相應的原理解為止，為使用功能分解的結果在形式上更加直觀、簡單，采用功能樹進行流程表達。功能樹可以清晰地表達各種功能的層次關系和相互關系，有利于銅鋁管道焊接系統的工作原理設計，如圖2所示。

圖2 焊接設備功能樹

1.3 功能分析

本文將采用黑箱法來進行系統功能分析，該方法應用中首先要設置一個“黑箱端”，其次將“黑箱端”與系統連接，從該端出發，依照系統輸入量及輸出量的關系能夠對系統功能進行分解。隨后針對銅鋁管焊接系統，采用該方法進行功能分解，具體步驟見下文。

（1）步驟一

根據逐步遞進原則，采用黑箱法對系統功能進行分解，由此找到系統中對應的功能元，而其中依據在于每個功能元的技術、物理效應。這一條件下，銅鋁管焊接系統的技術依據在于技術流程，包括動力系統、傳動系統一控制系統、執行系統；物理效應依據在于系統構成，包括動力系統、傳動系統、執行系統、控制系統、保護系統、支撐系統。兩項依據均在支撐條件下運作，觀察它們的運作表現可對系統功能進行分解[1]。

（2）步驟二

根據以上依據可以采用兩種方法來實現功能分解：①根據焊接工藝流程來進行分解，即從焊接的第一環節至最后一個環節，這期間的每個環節都代表了一個功能，依序排律可得系統功能；②依照焊接需求的因果關系來進行分解，即在系統應用中如果系統成功解決了當前問題，則代表分解到此結束，而之前所有環節都代表了系統功能。這一條件下，考慮到本文研究是對銅鋁管焊接系統原理進行全面解析，固選擇第一種方法進行分解，分解結果見表1。

另外，在實際角度上表1中所有二級功能還可以進一步進行分解，如驅動功能能分解為能量傳輸與分配；執行功能能分解為定位、夾緊等執行流程環節（各環節代表一個功能）；焊接功能無下級功能；控制功能能分解為啟動停止、焊接預調、儀器顯示；保護功能能分解為冷卻、過載、溫控、電力控制；支撐功能能分解為若干結構支撐等。

表1 銅鋁管焊接系統功能分解結果

1.4 原理

根據功能分析結果，可以從三個角度上來解釋銅鋁管焊接系統的原理，即焊接角度、控制角度、支撐角度，具體內容見下文。

（1）焊接角度

銅鋁管焊接系統的最基本功能要求就是焊接，因此在焊接過程中所有與“焊接”目的存在直接關系的功能就代表了系統原理，這些功能分別為驅動功能、執行功能、焊接功能。首先，在驅動功能上，要實現焊接就必須讓系統運作起來，而系統運作必然需要得到能源驅動，因此驅動功能中的能量傳輸、分配就實現了系統運作目的，通過該功能所提供的能源，系統可以正式開始焊接。其次，在得到能源驅動的條件下系統將執行焊接指令，原理上以定位、夾緊功能為例，其中定位功能具有確認銅鋁管位置的作用，系統在該功能作用下會鎖定指定位置，在進行下一步操作，定位完成后系統將對銅鋁管夾緊，以供后續焊接。最后在焊接功能上，該功能是唯一一項沒有下級表現的功能，因為通過該項功能就實現了焊接目的，所以存在這種表現。由此可知，從焊接角度上，銅鋁管焊接系統的原理為先實現系統驅動，再確認位置、調整銅鋁管狀態（通過夾緊功能將銅鋁管調整至可焊接狀態），最后通過焊接功能來實現焊接目的。

（2）控制角度

銅鋁管焊接系統作為自動焊接系統，其并不具備智能邏輯，必須在人工管制下來進行運作，而要將人工管制要求輸入系統，該系統就需要具備控制功能及保護功能。首先，控制功能與保護功能存在的意義在于“保障焊接質量與保障系統安全”，這兩點也是人工管制中最主要的，因此在原理上系統如果沒有這兩項功能，則說明系統可靠性不足，不能投入實際使用。其次，在控制功能的啟動停止、焊接預調、儀器顯示功能表現上，該功能充分落實了人工管制需求，可以將人工管制指令輸入系統，如啟動停止是對系統啟停狀態進行控制，人工可以根據需求來輸入指令，使系統自行啟停或手動啟停；焊接預調可以接收人工對焊接質量的要求，即人工根據質量要求在焊接預調功能基礎上對焊接參數進行調整，輸入系統后就實現了焊接質量控制；儀器顯示實現了人機交互，人工通過儀器顯示數值可知焊接狀態，如出現調整需求可直接在其他功能上進行調節。保護功能為自動運作功能，其在系統啟動狀態下會對系統冷卻、過載、溫度、電力數據進行控制，依照人工設置標準來進行判斷，如果任意數據不滿足人工設置標準，就會對相關數據進行控制，若控制無果將啟動應急保護機制，即自動停止。由此可知，從控制角度上銅鋁管焊接系統原理為：參照人工指令來控制系統行為，確保焊接質量、根據人工標準來保護系統安全。

（3）支撐角度

支撐角度角度所涉及的功能就是支撐功能，該功能主要是為以上所有功能提供支撐，可以說在沒有支撐功能的條件下，系統是無法運作的。其基本原理在于：根據系統運作需求、設計架構，為同屬性功能提供支撐結構，由此可見支撐功能具有多元化表現，可根據實際需求來設置多個支撐路線，如銅鋁管焊接系統的驅動功能、執行功能與焊接功能，均屬于實現焊接所需功能，這時支撐功能將生成一個“焊接所需功能結構”來支撐這些功能，而針對控制功能、保護功能，又要設置一個新的支撐結構來進行支撐，這即為支撐角度上支撐功能的原理。

2 銅鋁管焊接系統冷凝管焊接中的傳感器原理

在冶金設備冷凝管制造中，冷凝管必須具備良好的耐溫能力，這時冷凝管材質就成為了人們關注的焦點，但根據相關研究發現，傳統冷凝管所采用的的鋁材在耐溫能力上較差，因此需要替換，這時銅材進入了人們的視線，認為將銅管兩端分別為設備、鋁管連接，能夠利用銅管良好的耐溫能力來實現冷凝過度，再通過鋁管實現回流等操作，由此在冷凝管制造中就產生了銅鋁管材焊接需求。這一條件下，我們采用銅鋁管焊接系統可以實現該焊接需求，實現方法就在于傳感器：首先將系統硬件布設在焊接流水線上，設定一個焊接位置，其次在硬件上安置傳感器，該傳感器會對焊接位置進行圖像識別，如果圖像陰影較大，則說明焊接位置上有銅鋁管，需要焊接，這時系統驅動功能將驅動機械臂夾起銅鋁管，依照人工預設參數進行焊接，完成后將銅鋁管放在指定位置，再回歸到初始狀態，等待下一批次銅鋁管。

3 結語

綜上，本文采用黑箱法分析了系統功能，并從不同角度闡述了銅鋁管焊接系統原理，同時針對銅鋁管焊接系統運作需求，分析了傳感器應用原理，同樣對該項技術的應用原理機械能了分析。通過分析可知，銅鋁管焊接系統具有保障焊接質量、運作穩定的特征，加之傳感器可實現系統運作，說明該系統應用價值可觀，值得推廣。