（机械电子工程专业论文）基于不均匀散热的o型环电阻对焊系统.pdf

摘要 摘要 针对小口径不锈钢o 型环提出了一种断续加热，连续不均匀散热的接触对 焊理论。该理论通过多次的断续加热，连续不均匀散热形成合适电阻对焊温度场， 大大减小了接触电阻对焊接温度场的影响。采用保持恒定的焊接压力作为顶锻压 力的施加方式。 研制了一台。型环电阻对焊设备，该设备采用中频直流逆变式直流电阻对 焊电源保证热输入能量的稳定，采用可编程控制器为控制核心对焊接过程中的焊 接电流，焊接时间，焊接收缩量，焊接压力等焊接参数进行实时的监控。以工业 触摸屏为人机交互界面，对各种焊接参数进行设定。 设计了o 型环专用电阻对焊夹具，该夹具可对静夹紧机构进行垂直方向的 调整，对动夹紧机构进行水平方向的调整，因此为工件的对中提供了有利条件。 通过视频观测单元再将工件接头部位放大5 1 0 倍，确保了工件的精确对中。大 大减小因工件装卡而产生的错边。该夹具采用创新型设计通过悬挂砝码以重力的 方式作为保持和焊接压力一致的项锻加压机构。因此保证了焊接过程中，顶锻压 力和焊接压力的高度一致与稳定。 经过大量试验发现对薄壁不锈钢1 c r l8 n i 9 to 型密封圈( 0 3 x 0 5 r a m ) 以三 次预热，一次焊接效果最佳。通过调整工艺参数，采用断续加热，连续不均匀散 热的方式逐渐获得高温塑性区，大大增加了温度场的可控性，为精确控制焊接收 缩量提供了有利条件。通过激光传感器反馈控制焊接时间，可精确控制焊接过程 中的收缩量。经过焊接检验发现该工艺焊接强度较高，焊后通孔均匀，大大提高 了产品的合格率。 关键词：电阻对焊；不均匀散热；0 型密封环；可编程控制器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o c e s so fs e r i a ln o n - u n i f o r mh e a td i s s i p a t i o nw a sp r e s e n t e df o r t h el i t t l ec a l i b e r n o n - c o r r o s i v eo - r i n g t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h er e s i s t a n c ew e l d i n gw a sf o r m a t e db ym u t i p l e i n t e r m i t t e n th e a t i n ga n ds e r i a ln o n - u n i f o r mh e a td i s s i p a t i o n t h es t a t i o n a r yw e l d i n gf o r c ew a s 勰t h e u p s e t t i n gf o r c e ao - r i n gr e s i s t a n c ew e l d i n gm a c h i n ew a sd e v e l o p e d t h ei n p u te n e r g yw a ss t a b l eb yu s i n g t h em e d i a n 丘铷u c ) ，d i r e c tc u r r e n ti n v e r s i o np o w e r 1 1 圯p l cw a su s e d 勰t h ec o n t r o l l i n gc e n t r e t h ew e l d i n gs h r i n k a g em a s s ，w e l d i n gf o r c e , w e l d i n gc u r r e n ta n dw e l d i n gt i m ew e r em o n i t e r e db y t h ep l c t h ei n d u s t r yt o u c hs c t o a i iw a su s e d 勰t h em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e t h e w e l d i n gp a r a r n e t r e sw e r es e t t e db yt h et o u c hs c “，e n ap r o f e s s i o nc l a m pa p p a r a t uw a sd e s i g n e d t h ec l a m pa p p a r a t uc a na d j u s tt h es t i l lc l a m p d e v i c ei nv e r t i c a ld i r e c t i o na n dt h em o t i o nc l a m pd e v i c ei nh o r i z o n t a ld i r e c t i o n i tw i l lb e9 0 0 df o r t h ew o r k p i e c ec e n t e r i n g t h ew o r k p i e c e j o i n tw a sm a g n i f i e d5 - l od o u b l eb yt h ev i d e oo b s e r v a t i o n u n i t , t h ew o r k p i e c ec e n t e r i n gw a se n s u r e d t h eu n f i m e s so fb u t tj o i n tc o u r s e db yt h ew o r k p i e c e c l a m p i n gw a sr e d u c e d t h ew o r k p i e c ec a nb ef i 】【e de x a c t l yb yt h ea p p a r a t u s t h er e s i t a n c ew a s r e d u c e d t h ec l a m pa p p a r a t u si n c l u d e dt h ef o r c i n gu n i t t h a tm a d eb yg r a v i t a t i o n a lf o r c ei n w e l d i n gp r o c e s s ，c l a m ps y s t e mt h a tm a d eb yj a w ，v i d e oo b s e r v a t i o na n dc e n t r e i n ga d j u s t i n g s t r u c t u r e t h eh e i g h tb t e w e e nu p s e t t i n gf o r c ea n dw e l d i n gf o r c ew a ss t a b l ei nt h ew e l d i n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ew e l d i n gr e s u l tw a sb e s tw h e nt h et h i nn o n - c o r r o s i v e 1c r l8 n i 9 to - r i n gw a sp r e h e a t e dt h r e et i m e s t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i l e dp l a s t i cy i l e dw a s n a l l 0 w e dd o w nb yi n t e r m i t t e n th e a t i n ga n ds e r i a ln o n - u n i f o r mh e a td i s s i p a t i o n t h ec o n t r o l l i n g t i m ew a sf e e d b a c k e db yt h el a s e rs e n s i n gd e v i c e ，t h ew e l d i n gs h r i n k a g em a s sc a nb ew a r r a n t e d t h i sw e l d i n gs t r e n g t ho ft h i sp r o c e s sw a sg o o d , a n dt h et h r o u g hp o l ed e g r e ec a ns a t i s f yt h e d e m a n d k e y w o r d s ：r e s i s t a n c eb u t tw e l d i n g ；n o n - u n i f o r mh e a td i s s i p a t i o n ；o - r i n g ；p l c 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：埘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：罩学日期：二生兰鱼一 1 1 项目背景 第1 章绪论 化工、航空、航天等领域常需应用具有耐高，低温、高压、防渗透、防泄漏、 抗酸碱性能的密封圈。以往使用的橡胶密封圈因使用时间稍长橡胶本身的形变、 老化、硬化等自身因素而引起泄漏、渗透。 金属。型密封环由于特殊的结构和材料，特别适用于其它密封件难以达到的 商温( 最高达8 0 0 c ) ，深冷( 最低达2 7 0 ) ，高压( 最高达1 4 0 0 k g 疗c m 2 ，) ，高 真空( 最高达1 旷毫米汞柱) 等工况的静密封广泛用于石油、化工、化纤、冶 金、航空、航天等行业，不仅可以用于小直径而且可以用于大直径的密封。金属 o 型环密封环的实物如图1 1 所示。 图i - i 金属。型密封环照片 f i g1 - 1m t o o f o - r i n g 图1 - 2 所示为三种o 型环密封的结构。其特性如下： ( 1 ) a 型一非自紧o 型环，用在较低压力场合，可以密封真空介质及有腐 蚀性的液体或气体介质。 ( 2 ) b 型一充气。型环，在封闭的o 型环内充惰性气体，可增加环的回弹 能力，用于高温场合，0 形环的充气方法，一般是采用在管子焊接之前，将固体 二氧化碳或偶氮二异丁腈放入管内，焊接后再使之气化变成气体，或者直接充高 压惰性气体。 ( 3 ) c 型一自紧。型环，在环的内侧钻有若干小孔，由于管内压力随介质 压力的增高而增高，使环有自紧性能。用于高压超高压场合。 金属空心o 形密封圈是由空心的不锈钢、铝、铜、钦及其他空心合金无缝 管经精密加工、特种焊接、精磨、抛光而成。由于金属o1 形环在服役过程中需 承受高温与高压等恶劣工作环境和部分或完全的反复加卸载等载荷条件，一旦 “o ，形环密封失效，即可能发生泄漏或爆炸等事故。所以，必须严格控制金属o 形环的加工质量。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 阂阂阂 d - ， t ) 图1 2 金属o 形环密封环的3 种类型 f i g 1 - 2t h et h r e et y p eo fo - r i n g 不锈钢是在大气、水、酸、碱和盐溶液或其他腐蚀性介质中具有高度化学稳 定性的合金钢【i 】。多用于化工、石油、食品、医疗等行业。随着不锈钢冶炼的脱 硫技术、真空精炼技术和热轧技术的改进，无缝钢管已经批量生产，并开始大量 应用于各个行业【3 】，金属“o ，型密封环也经常采用无缝不锈钢管焊接而成。 本课题应某航天企业要求，采用1 c r l 8 n i 9 t i 薄壁无缝不锈钢管首尾对接制成 金属0 型密封圈。不锈钢管的主要规格为：0 3x 0 5 m m 和0 4 x 0 5 m m 。产品的 质量要求非常严格，产品焊后经x 光探伤检查内径通孔应在0 0 6 m m 以上，焊 缝处直径不允许小于管径0 3 + 0 。0 5 的0 0 8 n _ l r n ，整个密封环表面粗糙度不低于r a 0 8 ，焊缝处由0 3 压扁到2 - 0 1 不能有裂纹。有些产品管内还有偶氮二异丁晴气 体( 气体有剧毒) 。 焊接工艺为金属o 型密封圈的主要加工工艺，下面详细介绍几种主要的薄壁 不锈钢管的焊接方法【l 喝】。 1 2 薄壁不锈钢管的焊接方法 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管的焊接方法很多，其中大都针对的是壁厚超过l m m 管径 较大的母材。以钨极氩弧焊，t i g 焊等最为突出。并有大量相关文献发表。在管 径较小的管材或线材及超薄壁母材中，文献表明主要采用的焊接方法是微束等离 子弧焊接，电子束焊接，激光焊接等。现将检索到的有代表性的焊接方法整理如 下。 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢可采用t i g 焊接工艺焊接管径及壁厚较大的母材。在窦 怀武的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管路t i g 焊接工艺优化一文中，给出了如表1 1 所示的焊接规范。并采用如图1 3 所表示的v 型坡口及冲氩方式。焊接送丝方面 给出了两种送丝方式，分别是内填丝法和外填丝法。如图l - 4 所示。 在哈尔滨理工大学朱华荣的优秀硕士论文4 0 9 l 不锈钢管激光焊接温度场 及应力应变分析中对1 s m m 的不锈钢管激光焊进行了分析。他认为4 0 9 l 不锈 钢管激光焊接时，由于能量集中，焊接速度较小。随着激光焊接线能量增加，焊 第l 章绪论 缝变宽，纵向残余应力拉伸区域变宽，峰值应力降低：而横向残余应力随线能量 增加而升高。 表1 1 焊接工艺参数 t a b l e l 一1w e l d i n gc r a f t 糍燕 图1 - 3t i g 焊1 c r l 8 n i g t i 不锈钢管的冲氩方式 f i g 1 - 3m e t h o do f p u f f o n1 c r l 8 n i 9 t it i gw e l d i n g ( a ) t i g 焊不锈钢管内填丝法简图( b ) t i g 焊不锈钢管外填丝法简图 ( a ) i n s i d ea d d i n gw e l d i n gw i r eo f t i g( b ) o u t s i d ea d d i n gw e l d i n gw i r eo f t i g 图1 - 4t i g 焊不锈钢管填丝方法 f i g i - 4m e t h o do f t i ga d d i n gw e l d i n gw i r e 在焊接中辽宁石油化工大学蒋应田的不锈钢薄壁管的微束脉冲等离子 弧焊接工艺中提到了对q ) 2 0 m m 壁厚o 8 m m 的不锈钢管进行焊接。焊缝平滑略 带凹陷，焊道均匀美观，焊道宽度2 5 3 o m m 。他还认为通常壁厚 l m m 的薄壁 管焊接时，可采用无间隙对接接头的自熔化焊接工艺，电弧热量完全用于母材的 # g t n t 十位镕z 熔化，这就要求在整个熔化过程中热量恒定。因此焊接过程的工艺参数要高度保 持恒定，主要体现在电流的恒定，电弧的恒长及焊接速度的均匀等方面【j ”。焊接 工艺参数如表1 2 所示。其焊缝外观图如图l 一5 所示。 表1 - 2 礅求等离子弧焊接9 2 0 r a m 壁厚o8 n m a 的不锈钢管上艺参数 t a b l e l - 2 m i c r o - b e a m d a m w e l d i n g o n08 m m w a l l s t a i n l e s ss t e e l w e l d i n gc r a f t 幽1 - 5 微束等离子孤焊接不锈钢管接头外观图 f i g l - 5 w e l d j o i n t p i e t y , * o f m i c r o - b e a m p l a s m aa r c w e l d i n g o ns t a i n l 黜s c e dp i p e 此外还有一些用电子柬焊接及钨极氩弧焊的方式在不锈钢管的对接中应用 1 “。焊接装置示意图如图卜6 所表示 9 - 2 “。 图l - 6 钨极氩弧焊 f i g l 一6g a s m n g s t e t la r c w e l d i n g 在管管直接的对接接头焊接工艺上，虽然电弧焊通过较高的弧长控锖柳较精 第l 章绪论 确的热输入量可以满足管管直接的焊接，但是在金属o 型密封环的对接中，由 于o 型密封环的直径比较小，电弧难以绕工件接头部位旋转一周，因此电弧焊 显然无法满足o 型密封环的焊接要求。 而电阻对焊作为固相焊的一种，可通过制作特定的焊接电极将o 型密封环 首位连接并夹紧，通过电流加热使接头部位达到合适的温度，在顶锻力的作用下， 实现原子间的结合。并且电阻对焊设备价格低廉。因此本课题提出一种电阻对焊 的方法对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢薄壁空心o 型密封圈进行尝试。 1 3 电阻对焊简介 电阻焊作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的加工、装配方法。 电阻焊工艺是用电阻焊方法焊接零、部件过程的总称。由于被焊零件的材料性质、 形状、尺寸及质量要求不尽相同，所以，具体焊接工艺也各有特点。电阻焊的主 要方法包括点焊、凸焊、缝焊、对焊等。 对焊包括电阻对焊和闪光对焊，其接头以对接形式将整个接触面焊接起来， 一个部件或零件具有一个或多个接头，一般可一次焊成。缝对焊兼缝焊和对焊过 程的特点，其接头属于对接，但焊接时，接头是逐点焊成的，与缝焊相似，主要 用于焊接管子纵缝和拼板焊接。对焊和其它焊接方法一样，要获得坚固的接头， 必须使两焊件端面上的原子间达到键合。对焊在固态下实现焊接。在固态状态下 要使焊件端面上原子间产生建合力，必须使它们之间的距离缩短到l o 。i 衄的数 量级。实际上焊件的表面总是不平的，即使经过精密加工的平面，其微观不平度 仍然超过1 0 。5 m m 。为此，两焊件互相接触时，只能在个别点上建立物理接触点， 其接触面积不超过总面积的1 0 。此外，焊件表面总是存在一层氧化膜、油污以 及吸附气体等，其厚度一般在5 x 1 0 5 m l n 以上，阻碍了端面的真实接触点的形成 键合。可见，固态下焊接，必须消除焊件端面的不平度和氧化物等隔离层。焊件 接触点在压力作用下产生初步塑性变形，消除表面部分的不平度，由于表面金属 的塑性流动，还能破碎并去除部分氧化膜，使端面上的原子得到机械活化而键合。 电阻对焊装置主要包括焊接电源，机械装置及控制装置等。焊接电源作为焊 接生产的能源供给装置，其性能直接影响到焊接质量，因此对焊接电源的研究长 期以来受到人们的高度重视。随着科技的迅猛发展，为适应新材料、新工艺不断 提出的应用要求，焊接电源也在不断的发展与完善之中，经历了从单相到三相， 从不整流到整流的演变。采用逆变技术的次级整流焊接电源是目前发展的重要方 向。在电阻对焊系统的机械结构包括机架，电极加压机构，夹紧，顶锻机构， 电极握杆，传动机构等装置。电阻对焊系统中的控制装置用于实现焊接电流、电 极压力、夹紧力、顶锻力等工艺参数的调节与控制，保证焊接循环中各阶段工艺 北京工业大学工学硕士学位论文 参数的动态波形相互匹配及时间控制。对要求严格控制焊接质量的焊机还可实现 规范的自动调整和焊接质量的监控【2 1 之6 1 。 1 3 1 电阻对焊原理及工艺参数简介 2 3 图1 - 9 电阻对焊原理图 f i g 1 9t h ep r i n c i p l eo f b u t tw e l d i n g 电阻对焊是将焊件1 夹紧于电极( 或称夹头) 2 中( 图1 9 ) ，在电极力f w 的作用下，使焊件端面互相压紧，然后接通变压器3 ，焊件通电加热。当焊件端 面均匀加热至适当温度( o 8 0 9 t r e e ) ，并在其附近达到合适的温度分布后，切断 电流，焊接区在顶锻力下变形、冷却，并获得牢固的接头。由此可见，电阻对焊 过程是加压和加热综合作用的过程【2 7 之引。 电阻对焊的主要工艺参数包括电阻对焊的主要工艺参数有：伸出长度、焊接 电流( 或焊接电流密度) 、焊接通电时间、焊接压力和顶锻压力。 伸出长度即工件伸出夹钳电极端面的长度。选择伸出长度时，要考虑两个因 素：顶锻时工件的稳定性和向夹钳的散热。如果伸出长度过长，则顶锻时工件会 失稳旁弯。伸出长度过短，则由于向钳口的散热增强，使工件冷却过于强烈，会 增加塑性变形的困难。 焊接电流i 和焊接时间t t o 在电阻对焊时，焊接电流常以电流密度j 来表 示。j 和t t o 是决定工件加热的两个主要参数。二者可以在一定范围内相应地调 配。可以采用大电流密度、短时间( 强条件) ，也可以采用小电流密度、长时间 ( 弱条件) 。但条件过强时，容易产生未焊透缺陷；过软时，会使接口端面严重 氧化、接头区晶粒粗大、影响接头强度。 第l 帚绪论 焊接压力f 与顶锻压力f u ，f o ) 对接头处的产热和塑性变形都有影响。减 小f 有利于产热，但不利于塑性变形。因此，易用较小的f o ) 进行加热，而以 大得多的f u 进行顶锻。但是f o ) 也不能过低，否则会引起飞溅、增加端面氧化， 并在接口附近造成疏松。 环件对焊常用在汽车轮、链环、轴承环及齿轮锒套的制造中。环件焊接的特 点是存在分流和变形弹力的影响【2 9 。o 】。如图1 1 0 所示。 厂1 图1 1 0 环零件对焊图 f i g 1 1 0s k e t c hm a po f l o o pb u t tw e l d i n g 分流增加了焊接需用容量，随着环件直径减小，截面增大和材料电阻率减小， 分流增大【3 0 1 ，分流i s 可按公式1 - 1 计算： 纠，半2 卷岩 m 。 式中 r e - 一闪光接触电阻或电阻对焊接触电阻( q ) ； r b 焊件电阻( q ) ； z s 一分路阻抗( q ) ； r s 一分路电阻( q ) ； x s 分路电抗( q ) 。 分路电阻由下式计算： 尺= 肌风华 ( 1 - 2 ) 式中d 一环的平均直径( m m ) ； l 1 伸出长度( i l u l l ) ； 北京工业大学工学硕士学位论文 s 一环件截面积( 删n 2 ) ； m 集肤效应系数，当环件直径d _ 2 0 m m 或厚度8 _ 1 0 m m 时，集肤效应 系数可以忽略，即m = l 。 分路电抗由下式计算： 置：c o l ：伽( 1 n 竽一2 ) ( 1 - 3 ) 口 式中一一角频率，国= 2 刀f o s ) ； p 一一磁导率( h m m ) 。 当磁导率增大时，电抗增大，分路电流减小。所以，有时为了减小分流，在 环上套一可拆卸的磁轭。当焊接大型有色金属环件时( 铝、铜及其合金) ，可以 把所焊接的环作为变压器的二次绕组，这样可以完全消除分流【3 1 1 。 变形弹力与焊件材料，截面尺寸和形状及环的直径等有关。顶锻时，必须克 服变形弹力的影响【3 2 1 ，因此，总的顶锻力为 = l + e l ( n ) ( 1 - 4 ) 式中f 叩l 一一般焊件所需要的顶锻力( n ) 。 对于直径为d 的圆形截面的环件，f 1 按下式计算： e l ：_ e d 4 a a l ( 1 5 ) 2 4 d 式中e 一材料的弹性模数( m p a ) ； 。一- 焊接时总损耗量( i 眦) 。 环件对焊，小直径环件一般采用电阻对焊。对于直径小于2 0 的电阻对焊焊 接规范见表1 4 【3 3 1 。 表l _ 4 直径小于2 0 m m 的环件电阻对焊参考规范 t a b l e l - 4b u t tw e l d i n gc r a f to fd i a m e t e rl e s st h a n2 0 m ml o o p 第1 章绪论 1 3 2 电阻焊电源的发展 5 0 年代开始，我国引进了电阻焊机技术，开始仿制，上下托架多采用铸造 技术，采用电子管、离子开关控制、经济技术指标比较落后 2 2 l 。 6 0 年代后期，我国对部分仿制产品的机械结构、控制线路作了改进。淘汰 了电子管线路，广泛采用晶体管电路，集成电路控制也愈来愈多，引燃管基本上 已被大功率晶闸管取代，采用了板焊机机械结构。 7 0 年代初，我国在参考国外样机基础上已为汽车工业提供十多台专用多点 焊机，基本上满足了生产需要。8 0 年代初，我国首次引进了电阻焊机制造技术， 使通用点焊机、缝焊机和航空工业用三项低频点焊机、缝焊机、次级整流点焊机 和凸焊机的制造技术迅速提高到工业先进国家7 0 年代后期水平。同时还利用引 进技术改进了其他电阻焊机和设计制造专用电阻焊机。在此期间高校、研究所和 工厂先后已研制过多种微机控制，主要用于控制点焊机并进行生产考核，已有产 品销售。同时还积极开展电阻焊机参数测量记录等研究，以及开展点焊机器人的 研究【2 3 1 。 国外近年来在电阻焊机发展商主要有以下几个方面： 1 积极发展次级整流焊机 由于次级整流焊机的功率因数高，一般采用三相供电，所以在相同的输入容 量下，焊机输出电流提高，三项网路平衡。它还具有以下优点：次级回路面积的 变化、次级回路伸入铁磁材料焊件不会造成焊接电流的变化；焊接规范允许变化 范围大；适合多层焊件的焊接，镀锌钢板的焊接和多凸点或环形凸点凸焊等。因 此发展较迅速，在点焊机器人中也开始得到应用。 2 电阻焊机微机控制的研究 微机技术的发展大大提高了电阻焊机的控制技术水平，特别在使用面最广的 点焊方面国外许多公司已经采用微机控制，可以方便储存多项焊接规范，获得各 种形式的焊接循环，又可比较简便地实现焊接质量监控与群控，使点焊的质量更 加可靠。以美国p e r t r o n 公司的t i m 4 0 0 0 型微机控制器为例，其焊接规范用键盘 输入，屏幕显示，由于焊接电流热量可设置多步，使电流波形设置成为任意曲线， 以适应镀层钢板的点焊。控制器对点焊点进行计数，可分三级递增焊接电流，以 补偿电极直径的增大。可以设置电流上下限，超差时发信号或停机。电网电压补 偿达到电网波动2 0 情况下，焊接热量变化 _ _ 1 4 。d e 值叫做偏心轮的偏心特征，表示 偏心轮工作的可靠性，此值大，自锁性能好，但结构尺寸也大。 ( 2 ) 增力比：i = 1 2 1 3 。 北京工业大学工学硕上学位论文 图3 - 3 楔形夹紧机构 f i g 3 - 3c t m i f o r mc l a m pf r a m e w o r k f ( a )( b ) 图3 - 4 偏心轮夹紧机构 f i g 3 4e c c e n t r i c i t yw h e e lc l a m pf r a m e w o r k 偏心夹紧的主要优点是操作方便，动作迅速，结构简单，其缺点是工作行程 较小，结构不耐振。但在电阻对焊过程中没有振动，并且不需要有太大的行程， 因此在本课题中选用偏心轮夹紧机构作为焊件的夹紧机构。实物图如图3 5 所示 电极安装在上电极座8 与下电极座l l 之间的槽中，其中上电极与上电极座 8 通过顶丝4 固定连接。下电极与下电极座1 1 通过顶丝5 连接。芯轴6 将夹紧 器座1 与上电极座8 连接。因此芯轴只能旋转，不能够上下移动，因此通过旋转 偏心轮手柄2 ，将使上电极座8 沿着挡板7 、挡板1 0 之间的滑槽向下运动，并且 第3 章气体保护接触对焊装置机械设计 压缩弹簧9 。直到工件被夹紧为止。 在设计中，除考虑夹紧工件外，还需要考虑方便电极的更换，以适应焊接不 同尺寸的工件，本夹紧机构的电极通过顶丝将电极顶紧，因此更换电极只需要松 开顶丝即可。 2 3 6 ( a ) ( b ) 图3 5 偏心轮夹紧机构实物示意图 f i g 3 - 5s k e t c hm a po fe c c e n t r i c i t yw h e e lc l a m pf r a m e w o r k 3 2 焊接顶锻加压及送进单元设计 电阻对焊时，在加热阶段的压力叫做焊接压力，在顶锻阶段的压力叫做顶锻 力。焊接压力影响接触点的析热强度，顶锻力影响塑性变形。焊接过程中有两种 加压方式，一种是等压方式，即顶锻力等于焊接压力，第二种是变压力式，即顶 锻力大于焊接压力。 为配合第二章所述的气体保护接触对焊工艺，本课题采用保持恒定的焊接压 力作为顶锻压力。为使得焊接压力与顶锻压力稳定且保持高度的一致与稳定，则 需要种高度恒定并且稳定的力作为焊接过程中的焊接压力。而常用的液压，气 压等加压机构都要考虑其设备本身的响应速度等等。且机构复杂，而重力则是一 种高度保持恒定不变的力。因此采用重力的方式作为焊接压力最为合适。为将重 力作为焊接夹具中的顶锻加压机构，本课题设计如图3 - 6 所示的焊接加压机构， 其实物图如图3 7 所示。手柄的支点固定，滑块上p 点可沿水平方向前后移动。 曲柄上p 点的运动轨迹为绕圆心o 的圆周运动。其运动范围被限位块所局限在 a b 之间。根据力矩平衡原理，在忽略摩擦力的情况下，钢丝绳的拉力g 在支点 北京t 业大学t 学硕十学位论文 0 所产生的力矩与手柄上p 点在支点o 所产生的力矩相等。即： g 厶= f l 2( 3 - 2 ) 在由条件l l _ l 2 可得g = f 。 其中手柄上p 点的力f 与滑块上p 点的力f l 的关系可表示为下式： e = f c o s 0( 3 - 3 ) 图3 _ 6 】页锻加压及送进单元原理图 f i g 3 - 6p i c t u r eo fp r i n c i p l eo fu p s e t t i n gc e l la n ds e n d i n gc e l l 而在焊接过程中，焊接收缩量往往较小，即滑块的行程很短。且均在o p 与 滑块路径近似垂直的时候才开始焊接过程。可认为0 在整个焊接过程中都很小， c o s 0 可近似为1 。因此式3 3 可表示为f i _ f = g 。即砝码的重力g 就转化为了焊 接过程中的顶锻压力，由于重力是一种恒定不变的力，因此保证了焊接过程中焊 接压力与顶锻压力的一致且稳定。 在图3 7 中，手柄的一个臂与滑板连接，另一个臂与钢丝绳1 连接，钢丝绳 1 绕过定滑轮悬挂砝码2 。设计过程中应尽量减小钢丝绳与定滑轮之间的摩擦， 以及滑块与滑轨之间的摩擦。在滑板前后有限位块，以防止送进过程中滑出轨道。 该方式主要优点在于结构简单，通过悬挂砝码的方式成功将重力变成了焊接 过程中的焊接压力及与焊接压力保持一致的顶锻压力。该结构易于操作者使用， 更换压力大小只需要更换砝码的重量。 第3 章气体保护接触对焊装置机械设计 图3 - 7 顶锻加压及送进机构 f i g 3 - 7p i c t u r eo fu p s e t t i n gc e l la n ds e n d i n gc e l l 3 3 焊接对中单元设计 焊接对中机构是为了保证焊缝对中，最大程度降低错边，减小接触电阻对焊 接的影响，防止焊接一周加热不均匀而设计的。 为满足薄壁o 型密封圈的对中，本设计采用左半部分通过旋转左调整螺钉3 使滑块1 及滑块以上的左夹紧机构沿着滑轨5 向上或向下移动。因左底座6 与水 平面之间有一定的夹角，因此通过调整左调整螺钉将会使左夹紧机构向上运动。 为焊缝在高度方向的无错边安装提供了可能性。其中调整螺钉3 与固定在滑板上 的调整螺钉支座2 通过螺纹连接，调整螺钉3 的安装座4 与底板6 固定连接。其 机构如图3 8 所示。 焊缝接头部分的对中除了要保证垂直方向的对中外，还需要保证水平方向的 对中。在该焊接夹具中通过调整右半部分的测微头来实现焊接夹紧机构的水平方 向的移动。其右半部分的水平方向调整机构如图3 - 9 所示。 该机构通过旋转测微头7 测微头4 使滑块5 带动滑板2 着滑轨的方向移动。 其中测微头7 测微头4 分别通过测微头安装座1 和测微头安装座3 与右滑板6 定 连接。滑板2 方安装右夹紧机构，因此实现了右夹紧机构垂直与滑板6 向的运动。 这样就为焊缝在水平方向的对中提供了有利条件。 北京丁业大学t 学硕十学位论文 图3 - 8 高度方向调整机构 f i g 3 - 8p l u m ba d j u s tf r a m e w o r k 图3 - 9 水平方向调整机构 f i g 3 9h o r i z o n t a la d j u s tf r a m e w o r k o 型密封环的工件尺寸往往较小，其直径只有3 5 m m 。仅靠操作者肉眼观 测并调整对中机构难以辨认工件是否已经完全对中，为此本焊接夹具还设计了视 频观测机构，通过焊接夹具后方和下方的两个摄像头，对工件呈9 0 度夹角进行 观测。并将图像放大l o 倍在液晶显示器中显示出来。这样，既方便操作者对焊 缝对中情况进行观测，也方便操作者对其进行调整。摄像头的位置及距离工件的 角度均可调整。如图3 1 0 所示。1 为后摄像头，2 为后摄像头安装座。图3 1 1 第3 章气体保护接触对焊装置机械设计 中1 为下摄像头，2 为下摄像头夹具。 图3 1 0 焊接夹具后摄像头结构图 f i g 3 - 1 0w e l d i n gc l a m pr e a r w a r dv i d i e o nf r a m e w o r k 图3 1 1 焊接夹具下摄像头结构图 f i g 3 1 1w e l d i n gc l a m pu n d e r s i d ev i d i c o nf r a m e w o r k 3 4o 型环专用焊接夹具整体结构及特点 该o 型环焊接夹具用于专用o 型环的装卡，可牢固的将工件定位，整个结 构放置在木板上，分为左右两半部分，并且左右两半部分相对绝缘。左半部分与 电源一极相连，右半部分与电源另一极相连。该夹具还提供了气体保护装置，保 护气通过央具中的进气管经过夹具的左夹具，然后在工件接头附近喷出。三维视 图如图3 1 2 所示。 该焊接夹具具有以下三大特色： 1 焊接夹具结构紧凑，操作简单，易于更换焊接电极，且夹具中自带保护 气出气管和入气管，无需另配气体保护装置。 2 通过旋转左调整螺钉可调整工件接头处的高度差，以保证在垂直方向的 无错边。通过旋转右半部分前后两个测微头，可调整工件接头处的横向偏差，以 北京i 业大学i 学碰学论i 保证在水平方向的无错边。且该机构装置配备有视频放大的摄像头，通过将工件 接头部分放大5 1 0 倍则可更加清楚的观测错边情况。通过调整右半部分扳手位 置来装卡工件可调整工件两端伸出电极的长度，以保证工件两端的伸出长度根 据焊接工艺可随意改变。本焊接央具还专门配有不同尺寸的塞尺，将塞尺放入左 右两半部分的下电极之间，一方面保证了伸出长度的准确，另一方面，塞尺为有 机玻璃且都刻有中心线通过下摄像头的观测系统可保证工件两端伸出电极的长 度的高度一致。( 分别到达塞尺的中心线为止) 圈3 一1 2 0 型密封圈专用电阻对焊夹具实物示意圈 f i g3 - 1 2 t h e3 d p c o f a p p r o p r i a t i v e o - r i n g b u t t w e l d i n gc l a m p 通过左调整螺钉调整工件接头处垂直方向的对中度，通过两个测微头调整工 件接头处水平方向的对中度，通过右扳手配合塞尺阔整工件两端接头伸出电极的 长度。即在以工件为原点x 、y 、z 三个方向实现了精准的安装。大大减小了因 错边，两端伸出长度不一致而产生的废品。 第3 章气体保护接对焊装置机械计 3 机械方式的设计通过定滑轮下悬挂砝码的方式施加顶锻压力。经实验表明 此种加压方式可避免在焊接过程中囚顶锻压力不稳而造成的废品。 焊接央具实物照片如图3 1 3 所示。 圈3 - 13 专用。型环电阻对焊装置实物照片 f i g3 1 3 t h e p i c t u r eo f a p p r o p d a t i v e 0 一r i n g b u t t w e l d i n g d a m p 3 8 本章小结 本章主要介绍了o 型环专用电阻系统中的焊接夹具。为实现第二章所述的 不均匀散热的电阻对焊理论。该夹具利用砝码的重力作为焊接过程中的顶锻压 力。充分保证了焊接压力与顶锻压力的一致性与稳定性。此外本章详细的介绍了 专用。型环电阻对焊焊接夹具各部分的设计过程及主要功能，给出了原理图及 实物图。最后本章论述了该焊接夹具的特点及优势。 第4 章电气系统设计 o 型环焊接系统采用气体保护接触对焊焊接工艺，为保证焊接质量，焊接过 程中能量的输入和焊接程序的控制要有很高的精确性。此o 型环焊接系统以p l c 为控制核心，分为焊接能量控制系统，焊接压力控制系统，焊接位移控制系统， 保护气体控制系统，装卡微调观察系统等5 个部分组成。本章将详细介绍上述电 阻对焊系统各部分的设计方案及具体设计过程。 4 1 逆变式直流电阻对焊电源设计 整个电阻对焊系统框图如图4 1 所表示。 图4 - 10 型环焊接系统组成结构图 f i g 4 1c o m p o s eo fo - r i n gw e l d i n gs y s t e m 针对气体保护对焊工艺需求，研制开发一台输出功率可实时调整的逆变式直 流电阻焊接电源，采用双闭环控制技术，内环采用恒流控制，外环可根据工艺需 求采用恒流、恒压、恒功率或脉冲输出等控制模式。内环的稳定控制保证了焊接 电源的可靠性，外环的稳定控制保证了焊接工艺的可靠与合理控制。其原理图如 北京工业大学工学硕上学位论文 图4 - 2 所示。 图4 2o 型环专用焊接电源原理框图 f i g 4 - 2t h ep r i n c i p l eo fa p p r o p r i a t i v eo - r i n gp o w e r 该焊接电源使用具有专利权( 2 0 0 4 1 0 0 5 0 1 3 3 6 ) 的倍流整流技术，使电阻焊 逆变器的频率提高到2 0 k h z ，大大提高了控制性能并缩小了体积。 磁环 图4 7 倍流整流电路 f i g 4 - 7d i p l o i dc u r r e n tc o m m u t a t ec i r c u i t 4 2 控制系统设计 o 型环焊接过程控制系统以p l c 为控制核心，以固态继电器为开关量执行 部件，分别实现对焊接位移控制的行程开关、气体控制系统的电磁气阀、焊接电 源的启停开关、焊接参数给定进行控制。利用液晶触摸屏进行人机交互，在焊接 过程中液晶触摸屏上显示焊接状态。控制系统构成如图4 9 所示 该控制器是基于p l c 可编程控制器的控制系统，与触摸屏配套，可通过修 改参数，比较方便的对焊接电源进行控制。控制系统所有状态及开关量的输入直 接进入p l c 可编程控制器入口，输出直接驱动d c 2 4 v 电磁阀及中间继电器。系 统控制实现了模块化，其它焊接机构的控制均可与主控制器相联接，系统主控制 器可对位移控制、压力控制、焊接电源、保护气体控制等机构进行精确控制。具 有“模拟”和“焊接”两种状态，可在“模拟”状态下对系统的各个动作进行调试，而 第4 章电气系统设计 l!i 实际焊接电源并不动作；在“焊接”焊接状态时，所有动作按预设一次自动完成， 操作简便、快捷，自动化程度高。采用由触摸屏设置来控制焊接参数，并可分别 设置每段焊接参数，每段可有不同的参数，最多可以分四段进行焊接。p l c 可以 存贮l o 套焊接工艺参数，每套焊接参数可以分为1 0 个状态，与焊接电源的通讯 可以通过继电器编码实现；焊接自动报警功能，当有条件不满足时，触摸屏上自 动报警。p l c 可编程控制器、位移传感、显示等各部分均采用各自的电源，相互 之间完全隔离，控制器控制精度及抗干扰能力明显提高。 图4 - 9o 型环焊接系统构成框图 f i g 4 - 9c o m p o s eo fo - r i n gw e l d i n gs y s t e m 4 2 1 焊接压力控制系统设计 该焊接压力系统采用b k 2 s 称重传感器测量砝码的重量，经过a d 转换后， 在控制核心p l c 单元与设定的焊接压力进行对比，当该数值与触摸屏中所设定 的焊接压力一致时，则能够允许焊接进行，否则禁止焊接。系统结构图如图4 1 0 所示。 通过焊接压力将以数字化的形式直接在压力表中显示出来，方便操作者观察 当前压力。当该压力与设定的焊接压力不一致时，将会有焊接压力异常指示。程 序流程图如4 1 1 所示。 北京工业大学工学硕一l ：学位论文 图4 - 1 0 焊接压力控制系统 f i g 4 - 10w e l d i n gs t r e s sc o n t r o ls y s t e m 囡 图4 1 1 压力控制流程图 f i g 4 11s t r e s sc o n t r o lf l o wc h a r t 第4 章电气系统设计 4 2 2 焊接收缩量控制系统设计 根据某行业的特殊规定该薄壁不锈钢o 型密封环要求在焊后保证一定的强 度外还要求焊后的尺寸( o 型环的直径) 和焊后的通孔。为满足上述特殊的需要， 该不锈钢o 型环需要严格控制焊接过程中的收缩量，因此本课题针对焊接收缩 量提出一种新的控制方式，以精确的控制焊接收缩量。 该控制采用l g l 0 a 6 5 p