（光学工程专业论文）铝合金激光焊接送丝系统的研究.pdf

摘要 摘要 送丝系绫是铝会会激光焊接填熬焊设备兹重要筑成部分之一，稳定纛豹 送丝是获得优质焊缝的前提和保证。根据铝含金激光填丝焊对所送焊丝的要求， 设计了霪带式送丝瓿，该送丝祝送爨鹃锯簿丝其有蠹好捂商稳定毪，通过实验 对其进行了验证。 本文首先戳菜公司酌送丝视为研究对象，分析和计算了送丝系统的送丝阻 力，通过实黢得出该送丝机送出的锻焊丝不能满足锅含金激光填丝爆的要袋。 据此，设计了履带式送丝机，主要完成了以下工作：( 1 ) 送丝机的整体方案设计： ( 2 ) 关键零郝l 孛豹设诗与分掇；( 3 ) 羧割系统黥软、疆 孛设诗。 在送丝机性能测试中，对送丝系统的工作载荷、工作载荷的波动、空载运 转工况等分潮逶行了瓣试，赛验磷究成果蜀麴纳麓：( 1 ) 本送缝祝送缝速度不受 网压波动及邀丝阻力变化的影响，始终等于设定速度；( 2 ) 送丝软管曲率的变化 是产生送丝黻力变纯的主要撼园，送丝阻力随着送熊软管弯曲程度的增加而增 大：( 3 ) 以不同速度邀进月种焊丝，电机掰消耗的功率不阏；( 4 ) 邀丝枫搦躲 传动散率较低，约为2 1 4 ；( 5 ) 本送丝机遴出的铝焊丝不变形。 在激光壤丝焊实验孛，遴过奉送丝援与骥寿送丝缀懿对跑，实验结果表翳： ( 1 ) 本送丝机送出的效果明显优于现有送丝机；( 2 ) 本送丝机送出的焊丝可实现 稳定绛接鹣最大干绋长度约怒现有送丝租豹3 倍。 关键词：激光填丝洋；铝合金：送丝速度；送丝系统 + a 南蘸貉蕊 a b s t r a e t 秘l 巷锨r e 托e d 堍e q u i 粥e 矬宅i so 嘴o f 也e 瑚静筑撼攀娜弧t m 妒n 麟：i s 融t h ei 器e r k a 黻l 娃i 臻gs y 或e m ，s 轻海i l i 移8 舔羚l i 趣i l i 锣聪8 试r 嚣f 醅d i 耀辫c e s s 穗氆ek 碍 f 乱t o rw h i 媳a s s u r a n c e sw e l d 嚣e a mw i t hh i g h e rq u a l i 识l a s e r 、e l d i 拽g 稍也f i l l e r w i 转f 醣敲u 撼i 芤u 避a l 】o y s 托妇e s 囊蘸e x a c tp o s 稻q 幽go f 恕e & d 稚e 谯撒鑫w 酶 受e d 醇g 镪懿w i 趣p 聪萎蠡1w 粘& s i g 解d 。嚣砖e 玛臻内燃毡a s 棼k ：a 撒w 罄l 藤娃窑。嫩 f i l l 材w i f ep r o v c dt h es t a b i l i 够o f m ow i r ef e e d i n gp r o c e 8 s a 埘r ef e e d e r 盎d ma m 煳s 稍r ef e e d e rw 搽f i r s t l yi n v e s t i g a t e d b 壤e i 鼎髓畦磬醛。强聚臻s i 鹩稚o fw 隧惫醯趣gw 黼黼缸筘蘸赫矗e 舔e 滋越蘸、飘艟 i n v o 确g a t i o nr c s u l t ss h o w e dm a tt h e w i r ef e e d 汹gs y s 把mc o 试d 躺tm e 醴t h e r q 城撺礅嚣啾o fi 勰e rb e a m 、糙凇i 琏gp r o c e s s 谢畦l 鲢l r 讯r ef o r 雒u 删n h ma n o y s i n o 出t oc o m p l c t ed e s i 髓i n go faw 酶f e e d e f 诵搬p e 擞a 至l ，也ef o l l o 、嘏娃gw o 呔w a s f l 畦s 黯d ： 1 ) & 醯譬s o l u 畦。拄稻r 氇e 剥b l e 磁撵f e 涎gg s t 鞠1 w a se o 翻醇e 耗畦。2 ) h y 罐m p sw 醛魏s 主斟d 鑫聪鑫黻鸯磷。辩鑫撼蝴糟勰ds o 量 蝴始f o f 掣懿鼬 c o n 虹口l i i n gw a 8d e s i 猷l c d w eh 8 v e 怒s p e c 蛞v e l yt e s t 稳 酶l 魏l o 诹丑g 瑚蚓t i 炼s 嘲试o f 诚挑f 如鹾n gs y s 穗阻 s 壤蠹嚣sw i 蒋凳醴法窨$ y 蹴m 嫡瞧硼掰瀚唣至o a d 戮d 诵趣。蜓 o a 磊，w o 赫n gl o a d 诚氇 f l u c t u a t i o n 蝴ds o 嗽。强e 嫩粥d m e n t 疆s u l t s 毡凇勰 懿d u c e d ：1 ) 强e 谢r 嚣勤毒d 螽逗 s p e e do f t l l em r ef e e d e ri sa l w a y se q u a lt ot l l es p e 嘲s e tu p ，v o l 协g en u a t u a t i n ga i l d f e s i s 鞠e 娃黼瘿珏go f w i 辖强e d i n g 融s 辩e 鬟b e 好魏氯2 c 疆v 8 加r eo f 也ew i 难粕南 w 雒氆e 黼毪至藏镪r 弼隧c h 蜒f 毫c t sf 鼯i s 穗鞋o ec h a 嚣瘿藏go fw 持妻醅蘸轴g + 套e 满趣诒n e eo f 诫豫凳磷n g i r e 黼e d 硼氇癌瞪s 主勰o f e 娃r v 稚础o f a 诵端t u b e 3 ) l f t 1 1 e 、j 糟s 晰搬s 锄em 龇e r i a lw e r 。f c e da t 吐l ed i 攒b 糙n tf e e d i n gs p e e d ，也ec o n s u 搬e d p o w e r 、u l dw a sd i 确r e n t 4 ) 髓et r a n 献1 1 i s s i o ne 壤c i e n c yo f 谢心f e e d i n gs y s t e m 趣 鑫i i 撼e 辆w e 段a u 毒2 l 。喜努霹l ee 鞯s e 畦。拄o f a l 谢撼斑戳稍辩鼢d 鼯蛙墙溺嚣 一 h 一 北京工业大学工学硕士学位论文 f e e d i n gs y s t e mh a d n o tb e e nc h a n g e d 襄猎e o m 碰s o 狂o fl a s 糕a 氆w e l 蠡鹳p e e s s 圭嘲e 鼓氇ee x 辫蠢m e 撼诚氇攮至s 淅r e 如e d i n gs y s t e ma n do r i g i n a lo n es h o w e d 协a t ：1 ) t h es t a b i l 时o ft h i s w j f e 醴遗gs y s t e m 逸b e 托嚣t b n 如蕊g 汹8 lo n e 。2 ) t h em a x i m 越融。a 鸯w i r e e n g 斑 f e e db ym i s 、 r i r ef e e d m gs y s t e mi s 撕p l eo f t l l a tb yo r i g i n a lo n e k e y w o r d s ：l a s e rw e l d i n gw i m 翁l l e rw i r e ； a l u m i m l ma l l o y s ；w i r ef e e d i n gs p e e d ； w i r ef e e d i n gs y s t 蹦l 一- 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 究成暴。尽我爱翔，除了文串特囊熬班标 雯窝致落耱遮方终，论文中不包禽其 他人已经发表或撰籍过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学戚其它教育 祝桶的学位藏证书麓使霜过盼材料。与我丽工作的同志对本研究所散的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：汪玉霉日期：z 鲤幽捆 关于论文使用授权的说明 零人完全了瓣l l 哀工数大学有荧保鼙、楚建学绽论文瓣裁定，瑟：学校奏 权保留送交论文的复印件，允许论义被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分痰客，霹戳采蘑彩窝、缩印绒萁缱复翻手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后威遵守此规定) 签名：= 童王罨导师签名：i i 耋! 查日期：丑璺幽 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 1 1 1 铝合金激光焊接背景 铝及其合盒以其优良的物理、化学和机械性能在航空航天、轨道交通、 航海、汽车等领域得到了广泛应用。由于其比强度高、耐腐蚀、导电及导热性 能优异、易加工成型、无磁性、无低温脆变等优点，它是代替钢材作为结构材 料的理想材料，也是当今所需要的节能、环保绿色材料。随着国民经济及国防 工业的发展，高强铝合金在运输制造业中金属材料所占的比重将大大增加，是 新代高速列车、轿车、船舶的理想替代材料。高强铝合金在汽车、船舶中的 应用不仅会带来明显的减重效益，而且能改善汽车、船舶的动力性能、提商燃 料利用率，带来巨大的经济效益。比如，铝合金与钢配合建造舰船，可使舰船 减重达5 0 以上。1 。除了常规发动机的壳体、活塞、气缸、轮毂等部位采用高 强铝合金外，摩托车与自行车也大量采用了高强铝合金，如摩托车的减震器、 上连板、启动杆、缸头，自行车的曲柄、链轮、轮毂等。铝合金在其他行业如 印刷机械、电力与电器设备、离心机与铁路机具等都获得了及其广泛的应用。 在飞机、汽车和机车车辆等运输行业中，铝台金主要是作为薄壁结构使用 的，结构复杂，需要连接的部位较多。长期以来，这些行业中铝合金板材结构 的连接直到目前仍然使用落后的加工工艺铆接，造成结构自重增加。究其 原因，主要是传统的熔焊方法( 如火焰、电弧、等离子体弧等) 热源是发散的， 功率密度较低，而铝合金的导热性又极强，因此焊接速度低，熟输入量大，造 成热影响区宽、焊缝晶粒粗大。接头性能变差，而铝合金高的热膨胀性又使得 成热影响区宽、焊缝晶粒粗大，接头性能变差，而铝合金高的热膨胀性又使得 靶京工业大学工学礤士学盈论文 焊接缝构的变形量大。激光爆接是以激光作梵能量载钵的一秘离能密度焊接方 法，锅合金激光焊接就是在这种情况下提出的一种新型焊接方法。 1 1 2 铝台金激光焊接的特点及应用 与常规焊接方法相比，激光具有优良的传输和聚焦特性，经过聚焦境组后 可以将全部能量集中予一点粥。因此，激光焊接可以使用较小的能爨作用于很 小戆嚣域。”。鼗多 ，激必焊接具有缀多熬霞焦，圭要表现舞虢下足轰； ( 1 ) 焊逢深宽比大。当激光功率、焊接遮度满足一定要求时，激光焊接仍 具有深熔特性。 ( 2 ) 线戆爨输入小，熬影确区及热交形郝缀小，用于薅变形要求严捂的工 件十分有剥。 ( 3 ) 由于激光能舞密度高，加热快，故其对被焊工件材料的适威性很强， 使难洛、难弹金满乃麓陶瓷静焊接酃易于实现。 ( 4 ) 焊接速度裹。靼便燕壤充烊簇要溃糕部势能鬟瑟降低7 溽按速度，只 要焊接间隙设计得当，激光填丝焊接遮度仍邋大于常规方法。 ( 5 ) 激光焊接接头机械性能优良，强度和韧性都接近母材。 ( 8 ) 激巍热工必廷接簸攘工，纛燕工镄蕊，显簿揍工艺参数一缝确定，缂 接质擞易于保证，焊接可靠性高，故易于实现自动化，符合现代生产的发展趋 势。 鬻卜l 掰示秀? o ? 9 镭舍龛静麓 g 浮接帮激光( 激光功率3 5 0 0 劫弹接焊缝对 比。可见激光焊接的爆缝窄焉渫，焊缝的深宽e 较融i g 焊接大褥多。势且，露 为激光束的传输简单方便，所以激光焊接可：逸到较高的自动化程度，并具有较 大的灵活性，例如与机器入、数控的络合。如此在精密焊接的同时，又可将焊 接壤爨控卷在一令稳定筠蓬嚣蠹鼬。 ，2 第l 章绪论 蛐g ( 焊接速度o 6 n m i n )激光( 焊接速度3 m ，m 蛐 黼l 一 m i g 与激光焊接浑缝成型对比 f i g 1 - lc o m p a f i 3 0 no f w e l d b e 坩e e n 州甘ll 站e rw 。娥n ga n dw 池m g ”l d i n g 近年来，铝合金激光焊接得到了飞速的发展，正在逐步取代传统焊接工芑。 例如，欧溯空中客车公司生产的a 3 4 0 飞掇极身的制造就采耀了激光焊接技术， 取代深有的铆接工蔑，使机身的重量减轻1 8 左袁，胄造成本降低了近2 5 。 又如，德国奥迪公司a 2 和a 8 全铝结构轿车的面世也是因为铝合愈激光焊接按 术豹成功开发和应用才褥以实现。 1 3 铝会金激光填丝爆接的妊要性 激光焊接是以激光作为能量的载体的高隧密度焊接方法。由于铝合金对激 光妨反射缀强，锚台金激光焊接首先遇到的问题就是如何有效地撼离事| 料对激 光的吸收”1 。同时，作为一种熔焊方法，锚含盒的激光焊接也不可避免遣存在 一般熔焊经常遇到的挥缝气孔、焊接热裂纹祁接头软化等闻燧。但是，由于激 光焊接所具有的商熊盛密度、快速加热和冷却以及激光焊缝大的深宽陡等特性， 铝合金激光焊接时的焊接性问题也犍其有盘赛的特点，瓶且更加复杂”1 。锅合 金的激光焊接性的问题可以概括如豳卜2 所示。其中最主簧的两个缺陷是气孔 和热裂纹，其他几个都可通过一定躺措施米究服或解决。 j 艺京王、韭大学工学碌士学位论文 图卜2 铝台众激光焊接性的主骚问题 f i g 1 2m a i np b l e m s0 f1 8 s e r 髓l d i n g 锅合金激光焊接时，随着焊接速度的增加，焊缝中的裂纹数增多“3 。因此， 降低弹搂速澄对于防止焊接热袋绞跫有稍静。僵是，当速度降低对，将带来其 他一系列约阍惩。营先，焊接结构敬嶷力变形增大，激光焊接兹馋势不l 鳟戮 充分的体现；其次，由于热作用时间延长，将导致接头的软化，甚至在热影响 区产生液化裂纹；第三，焊接速度降低时，爝缝气孔率增加。基于以上原因， 铝会众魏激必殍揍只辘采鬟褒速度。在裹逮烬接条l 擎下，一方嚣霹豁薅壹熬影 响区液化裂纹，另一方面可以减小焊缝气孔率。同对，必须彻底清除工传坡四 表面的氧化膜，并加强对焊接熔池的保护，遮一方面是为了防止焊缝气孔，另 一方甏霹浚貔丘霞襞纯袋气张掰孳 遽鹣裂纹帮嚣鑫券氧证所数镦裂纹酌产璧。 通过暴用填充材料则可以防止焊缝结晶裂纹，如图卜3 所示“1 。嚣使在很寒焊 接速度时，采用填充烬丝的焊缝也没有出现热裂纹。 篇l 章绪论 簌 鞯 群 雹 昏 镶 攀 舞 基 霎 一 瓣 母耕：a 黼g s t 一授蓐：6 m m ，域充，犀丝： a 删9 4 5 黼晓r 辫l 一3 壤楚搏丝麓婚攘裂蔽熊嚣璃 除姥之姊，锈会金激光辉接填宠焊丝黪勰入还其育以下凭点； ( 1 ) 降低了产品结构焊接前的装配精度簧求，邂应产品工业化擞产的需舞， 最终使锻会金懿激巍技术走出了实验室，邀入王娥领域鞠。 ( 2 ) 通避选定填充耪糕嚣翔入，改善了熔敷金满拣撞金露茭，霹潋获褥贷需 要的焊缝健自& 及显微组织踟。 ( 3 ) 对予厚板对接焊，可以采用扦坡口的多道焊接工艺以较低的激光功率来 完黢，获嚣嚣避免蔫熬辕灭魂攀瓣爱薅沓寒熬离熬浚入羹对簿攘接头震爨产叟静 不利黪喻。 ( 4 ) 通过填充材料的加入，改善了焊缝的表面成型，避免了焊接液筒凹陷、 咬边等缺麓的产生，提嵩芦辉羧接疑匏质塞零平“”。 5 ) 壤楚游丝静慕廷可辨降低锫奢金激巍焊接静貉：器凌率密度。 ( 6 ) 由予焊丝的选用，使功率波动对于焊接过程及焊缝质量的敷丽影响减 小，有利于铝合金激光深熔焊接过裰的稳定。 。 ，毒锅会金激舞焊接薄送丝系统懿要求 铝含金激光填丝焊具有狠多优点，在应用予溅此化生产时，对淤熬岽统提 j 毫京工泣大学工学颟士学位论文 出了严格的要求。 ( 1 ) 采用填充焊丝的铝含垒的激光焊接，含适的焊丝直襁为o 8 1 6 m m f l “。 镭合愈激光壤丝焊，不同于一般弧焊，其聚焦光斑直裰徽小，一般为o 2 o 6 黼 匿琵对遴丝系统餐霹使耩度要求投鸯辏。文黻e 4 3 泠囊了浮熊摆对予激是素嬷 位置，如图1 4 所示。铝焊缎的局部摆动会使焊接过程不稳滋甚至会中断，因 此要求送出的锅焊丝舆有良好的指向稳定性。 謦l 一4 潭篓相对于激光束酶馥鬣对弹按过程静影响 f i g 1 qe f f e c t r e l 8 t i v ep o s i t i o nt ol a s e rb e 蛳o n8 妇p i n 窖娃黔l 瓠 疆) 与传统使用m i g 焊接不同，甩激光焊接时不存在短路越弧和高频起弧的 霉髭毪。焊璧是被直羧送天激光竞瑷袋藿或络渔嚣嬉纯静。嚣瑟黯邀缝速度静 控制糖度要求极裹，缀容易造戚顶丝爆使焊接过程不熬正常避杼。 。l 。5 现考送丝系统篮分 隧内癸珑蠢鹣送热系统主要应熙予传统数焊，黠瑷有遴毖系统蛉缀成、络 构以及性能的研究是十分必要的，是对铝合垒激光焊接送丝系统进行结构改避 酾系统俊耽瓣蒸穑。 瑰有酶送熊系统类型可分隽三饕；攉丝姣、控丝蕊霹拣短丝式，示意溪 如图1 5 所示”。 第l 章绪论 爹墅瓞面 t = 了：( 姆，f jl l a ) 捺丝式b ) 拉丝式c ) 推一拉式 匿l 一5 送丝执类型 f i g 1 5t y p e so fw i r ef e e dm a c h i n e 稚丝式遴丝系统建溽羧痤矮最广泛懿遴丝方式之一。装突密戆铙焘。3 3 一是 送丝系统的麓量和尺寸不受限制，绘设计制造带来较大的余地；= 是焊枪结构 简单轻便，易于操作，维护方便，遮对于在恶劣环境下使用场合很有意义。其 缺煮是舜黧需要经j 童较长静送丝软瓣才# i 进入焊枪，浑丝京较管中受到较大的 阻力，影响了送丝的稳定性。所以软镑长度不应过长，一般邀丝软管长3 5 “1 。 近年来，国内外新研制的送丝系统多采用推丝方案。如哈尔滨工业大学现代焊 接生产技术图家重点实验室研制的g t 艚用送丝系统，f r o n i u s 公司的v r 一4 0 0 0 蟊v r 一4 0 0 0 e 痔裂，臻巍推熊式。 拉丝方戏是将送丝系统与焊枪头部做为一体。其优点在于这种送丝方式焊， 丝送进时受到的阻力较小，不易出现卡丝现象，送熟稳定。缺点是这种送熊方 式辫稔头酃魄较复杂，并慧辖获穗瓣较大绘浑枪头繁来受撼，毽送缝力一般不 大不易长距离送丝。过去大多数电弧喷枪采用拉丝方式，如德国o s u 公司的系 列葶持喷枪，在美国和德国同时注册的m o g u l 枪，m e t c or 与r g 电弧喷涂设备， 著名的美国罩a f a 8 8 3 0 枪等“。 推一拉戴送丝系统是采用推丝、拉丝势爆的送熊方式。其孛接缝电极题主 j 索工韭大学工学硕士学位论文 要的动力，它保 正等速推进爆丝，拽烂电枧像涯随时憋软篝爽鲍焊丝控壹，箕 速度应稍大子推丝电机。这种送丝机可保证1 0 2 0 m 距离内可靠的送丝。适用 于送_ j 茳较软的药芯焊缀和铝弹缝。但帆构及葵控制部分复杂，目前极少应用。 不论采弱骤转送援方式，现骞送艇系统戆缓残鄂楚一样鹣。逶豢麦毫瓿、 减速器、送丝滚轮、送丝盘、送丝软镑等组成“，如图卜6 所示， l 、送丝嘏枫 送敛机外观圈 强l 一8 送丝瓿继成 f i g _ 卜6c o m p “s o no fw j r ef e e dm a c h i n e 送丝机内部图 一般送丝电机主要采用惯性小和机械特性硬斡送照电机。送丝电动机一般 选用他激直流伺服电动机。为进一步掇高送丝的稳定性，送熊电机除了直流伺 服电动祝矫，还大量采用了印捌电机、力矩电机和步避电机。其中日本大都聚 震印刷瞧极，褥欧美剿使用誊渡覆照魄动捉“7 ”1 。常惩麴壹滤健鼹毫糗鳇垄譬 及规格如表1 一l 所示。 表卜l 常用赢流伺服电动机规格 t a b l e 卜lt y p e so fd a cm o t o 型母额定电撬戴定电流有效功率转速额定转矩 ( v )( a )( w )( r m i n )( n c m ) s 3 5 9 1 1 0 0 。9s 53 6 0 沪4 2 1 4 。? s 5 2 l1 1 01 27 73 0 0 0 一3 7 0 02 4 5 s 5 6 9 1 1 0 2 21 6 03 3 0 0 一4 0 0 0 4 6 1 2 、减速器 一8 - 第l 章绪论 送丝电枫采用印刷电机时，困箕转速较高，所以减速器需经过数级齿轮减 速，筵传动& 痤摄鬃邀掇黪转速、送丝滚轮瓣壹经鼗瘊要求瓣速度来确定。瑟 选用伺服电机，因其转速较低，所以减速器只需一缴涡轮蜗杼和一级齿轮减速。 3 、送骛滚轮 送丝滚轮豹终蔫是送逡爆丝，它是送丝梃豹荔攒箨，要求辩瘗瞧好，懑常 由4 5 号钢、离碳工具钢或合金钢制成，并且疑表面热处理使之具有h r c = 5 0 6 0 的硬度，以掇高耐磨性。送艘滚轮有多种形式，最简单的只有一只盎动滚轮， 吴一炎为热舔觚动滚轮。还饔采孺双主动轮、三主动轮和疆主动轮静送丝租稳， 这种送丝机构的两个、三个域四个送丝滚轮辘都装蠢相同的泼轮，主动轮分裂 为两个、三个成四个，能够在压力不增加时使送丝力成倍增大“。 4 、压紧机构 为保送遴丝滚耱对丝毒耋窍较大戆簧递力，送丝滚轮舞毖须莲爨。一般熬采 用压缩弹簧聪紧，也有使用曲轮或扭转弹簧朱压紧的。在使用时，愿紧力必须 调节适，聪力过大，会使熊材变形，而导致丝材在软管、鼯电嘴中送进困难 莲办i 霪小，容荔打漕，造成熊耪送遴不均匀。 5 、送丝软管 邀丝软管是送丝系统的煎要组成部分，宦担负辫从送丝机向焊按熔池输送 挥丝鹣任务。送丝软篱一般翔钢丝饶成螺旋管、尼茏管或聚阏氟乙烯管制成。 钢丝软管使用寿命长，塑料绒尼龙管送丝阻力小。软管内径臻与所遐过的烽丝 相匹砑已，过大或过小都会造成送丝不稳定“。 不论采用哪种送丝方式，现有送丝系统的送丝原理均是利用一对送丝轮威 嚣对淡上静送丝轮与溽丝之鬻豹摩擦力寒送邂烽丝。在应爱予铝含鑫激光填簇 焊接时，存在一些难点和困难。 托素工监大窜工学碛士学位论文 ( 1 ) 镪烬熊与镳辫丝不露，楗! s 硬度枣，铝焊丝与送丝滚轮之阕必金鼹接 触，接触面积小，压紧机构聪力较小时，焊丝容易打滑，造成焊丝邀进不均匀。 匿力较大时，套使弹缎变形，而导致煞材在软管、寻丝嘴中邀迸困难。 2 送逡变影翳锅溽丝，与其嚣套鲢零丝嘴壹径豁须摇应嚣扩大才琵稳定 送出铝焊丝。这样一米，焊丝的指向稳定性燮篾，锱烬丝在激光聚焦光斑黔邂 偏摆，影响了焊接过稳的稳窳性。尤就是铝合企厚税窄间隙对接的填挺焊接， 蠢予警缝赣不戆深入裁骧秀粼，簿墼静篷彀瘦较长，滓丝戆撂商稳定经交差。 因此，导丝嘴爨径的扩大对锻食金蓐擞窄闯隙对接姆接过程稳定性静影酶更嬲 严重。 1 1 。6 课题意义 本课题研究的主要内容就悬针对锅合金激光填丝烬接而提供的送燧系统， 蓬蠹羚褥： 锫会金激兔焊接韵送丝视掰提蓟韵均是虚髑现有对滚轮送箍系统， 极少燕劐专门麓予链会佥激光壤丝簿戆文藏爱袭。受了获褥稳定熬锈会金激党 填丝焊接过程，本文挝供了一种可实现送出的锅焊丝不变形，具有良好指囱稳 定性的激光焊接用送丝系统。本送丝系统不仪涟丝力大、可近距离送擞，而鼠 还霹戳枝壹铝弹堡，麸褥铩涯锅会金激巍海接鹃稳定靛。本文掰聚炎蕊蠹客程 国内外送丝系绞领域处尚未见报道，弹辟了搿螅送丝原理，磷究懿髫橼基在敬 善和推进铝合盛激光焊接送丝系统技术，因此，本谋照的设立具有重疆的现实 意义。 。2 论文各部分辩恚要肉容 送熟系统酌矫究楚镪合金激光焊撩鹩基础健课遂。针对国内外目前存在的 阕题襄发震方爨，奉论文萋重对熟舞解决送出鹣豁鬓丝不变形、其毒嶷好斡搂 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章铝合金激光焊接送丝系统的设计 2 。1 激光焊接送缝速度及其影响因素分析 必了更好瓣溃是镪会金激光髯按黠送丝遮度戆稳定毪、连续遵帮均每愁熬 要求，提高焊接质量，为送丝系统的设计提供理论依据，对影响激光填丝焊送 丝速度的分析和阻力计算是十分重要和必要的。 2 1 1 激光焊接送艇速度分析 送丝速度与焊接速度的甄配直接影响焊缝成型效果，送缎速度过大，导致 溽缝余离过大，甚至来不及端纯影确浮搂过禳稳定憋；送丝速度过小，滓接熔 化不遗续，导致焊接过程不稳定，焊缱成型苓规则。”。合理选择送丝速度可以 充分利用激光能量，提高效率。焊丝速度应根据接缝间隙量确定。文献 2 6 给 出了送丝速发： 誓一警 1 ) 式孛：v r 麓送丝滚度，热i n ；b 淹怼接瘸骧，渤；6 为王释浑壤，珏l l l l ；黏。 为焊接速度，m m i n ：d 为焊丝童径，m m ；k 为成形系数，成行系数由余高的骚 求确寇，约为1 1 1 2 。 骰设对搂瀛豫兔o 。2 隧，王舞潭嶷兔3 赫，簿接滚度为4 糟内i n ，挥丝鲞径 为l 。2 m ，成形系数取l 。2 ，将值代入式2 一l ，w 计算出送丝速度为l 。2 7m 屈i n 。 猩实际填丝焊中，由于受各种因索的影响，送丝速度并不能绝对地均匀、 稳定的保持在莱一数簸上，而是在这个数值辩近出现一定的波动，脊时波动幅 度较大，难嗷傺涯送丝速度懿稳定煎，将影旗焊缝成型震量。 籀2 章铝合金激光焊按送丝系统的设计 2 1 2 影晌送丝速度稳定性因素 在激光填丝焊过程中，由于影响负载的各种因綮随机变化与波动，如送丝 盘豹直径交纯、送熊盘转动阻力的爨纯、弹艟的j # 豢特征、送丝轮的直径误差、 送篓软管黪弯曲程凄等因素，这些睫枧嚣素的变证，霹毙使送丝阻力发生 连续变化，也可能使送丝阻力发生阶跃性变化，送熊阻力最终显现为随时间变 化的一个变鬣。当邀丝电机的驱动力所做的功与送缎阻力所做的功不等时，出 瑷爨亏功，系统将定一个裁瓣稳定学簿点交绽，黪慧捉黪惫速度发生变纯，最 终导致送丝速度的不规则波幼。此外，电网电压的波动、焊丝质量、绕盘质漫、 送熊过程中出现的打滑现象婷都是引起送熊速度波动的因素汹。3 2 3 。 在以上影响送丝速度稳定毂因素孛，当瓣基移垮丝等终郏条势定眩，送丝 阻力对送丝速度的影响是主要的，因此本文盎要分析送丝阻力的变化与送丝速度 稳定毪豹关浆。 l 、送丝系统的阻力分据与测试计算 送丝阻力是激光填丝焊送丝系统的一个霾要参数，是确定送丝电机功犟、保 证遴丝速度滚续积警稳鲍重要寝据。 ( 1 ) 送丝系统的阻力分析 所谓送缝系统黻力是指在激光壤丝弹过程中，焊丝连续不断的送进掰受到 静嚣秘阻力翘送丝驱动系统瓣内部阻力。它主要由烬丝在邀避过疆孛弓l 起熬各 类摩擦阻力组成。 送丝系统阻力龟括焊丝进入校瀛机构，焊丝与校直滚轮的摩擦阻力f l 、在 送丝敦譬孛绣受刭懿摩擦力您、送缀鑫转羲掰受戆转动摩擦辍力受鹣、爱磐帮 多对压轮驱动焊丝时由于备送丝轮的有效作用直径误差所产生的内部摩擦力 f 4 、焊丝与导丝嘴的摩擦力f 5 、以及填丝过程中从驱动电机到驱动轮的传动系 统摩擦掰弓l 怒的疆力& 。 北京工业大学工学硕士学位论文 誊遴墼瓤巍供魏驱动力大予或等予送墼辍力之耪，嚣 f 鞲秘直f t + & + r + r + f 妄+ 段( 2 2 ) 焊丝处于加速绒匀速送进状态 当送熊机提供的驱动力小于送艇阻力之和，即 f 糊力 5 k g c “ 节电效粜 6 l o 最高线速度 4 0 m s 满载伸恢 1 _ 8 断裂馋长 2 0 4 0 篱 摩擦系数 0 6 o 8 z 馋漫痰 一l o 8 0 传动效举 9 8 9 9 2 4 1 3 传劝带的设计 根据系统结构臻求，传动带的相关参数如表2 4 所示，经校舍，各参数满 足髓能要求。 表2 4 佟动带槌荧参数 t a b l e 2 4p a r a i n e t e r so fd r i v i n gb e l t 2 。4 。2 履带主动轮齿轮的设计 如图2 4 所示，铝焊丝依靠两条夹送乎带对其的摩擦力来送丝，两条平带 分别安装在相应的童动轮和从动轮上，两条平带要求具有相同的线速度，为了 达劐此西韵，两个主动轮阍以齿轮传动，传动眈为l ，齿轮与主动带轮散敲一 - 2 3 - 北京工业大学工学硕士学位论文 倭。 按接触疲劳强度和送丝机系统结构设计腰带主动轮齿轮根关参数见表2 5 。 表2 5 齿轮相关参数 t a b l e 。2 5p a r 锄e t e r so fg e 矗r 根据以上设计参数，经计算得齿根许用窍曲应力为= 2 5 0 6 舰阳，齿根 弯曲威力为郎= 6 5 3 8 舰阳，可知郎嘞，所以齿轮强度满足要求。 主动轮齿轮懿王佟瑟黧豳2 5 鬟零。 a 撇 齿t 麟 盥静羹 2 0 耩置啜 糠 齿沧甲心彀苒暇隰堪麓娃：0 0 2 3 m m 静疆盎羹 j 措缝性度空功叠麓0 m m 巍疑囱糠壹叠羞f 8 = 1 9 齿螂向掠音叠基 篷2 弓主动轮齿轮 f i g 2 5d r i 、槲g e a r 篇2 章键合金激光焊接送丝系统的设计 2 4 3 减遵器的选择与计算 2 4 3 1 减速器的选择 减速器是机械传动常用的减速装置，采用减速器可以降低电机的速度，同 时增加了工件的扭瓶。常用减速器的种类有直齿轮减速器、斜齿轮减速器、行 星豢轮减速器、漏辘蟋抒减速器等。 由于本送丝系统选用的电机为伺服电机，其额定转速为3 0 0 0 r m i n ，转速 较低，所以减速器必需用级涡轮蜗秆。涡轮蜗杆减速器减速比大、体积小 这纛符合零送丝系统结稳紧凑豹要浓。 2 4 3 2 藏涟器藏逮琵豹确定 途蔫熬髑骚电机转速为3 0 0 0 r 内i n ，最大送丝速度为2 0 m m i n ，主动轮赢径 先4 2 蕊。减速比为 f ：煎兰【垡! 趔：! ! ! 型竺望匕2 0 7 3 ； 2 0 o 式中：电机额定转速 d 主动轮直径 艿露龙冀基豢厚度 。最大送熊速度 取传动比f - 2 0 。 ( 2 9 ) 减速器逸瘸上海预益簧秘税援奢限公截豹r ￥蓉弼铝舍金满轮娲秆减速器， 其型号为r v f 4 ，中心距为4 0 啪，传递功率3 7 0 礴。 外观图见图2 6 。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 涡轮螭耔减速嚣 f i g 2 - 6w b 眦唱e a rs p e e dr e d u c e r 2 。4 4 送丝电动机的选撵与计算 2 。4 4 1 送坌塞电动机类型的选择 送丝电动机是整个送丝系统的动力源泉，是获得稳定、离效填煞的保证， 所以送丝电动机的特性是激光焊接送丝系统的一个童要环节。 l 、激毙焊接填丝浑对毫动税静黉求 巍激光壤熊焊过程中，由于负载变纯随机因素的影畹，比如送丝瘢转动黻力 的变化、校崴滚轮的误差、邀丝软管的弯曲程度等因素，这姥因素可能使送丝 阻力不断发生变纯，凝终送丝阻力表现为随时闻变化的一个变量。所以对送丝 毫砉陡提出熟下要求： ( 1 ) 焊丝送进均匀、平稳。 ( 2 ) 送丝速度受电网电魇波动和负载变化的影响小，即县有较硬的机械特 注，系统静羧密转戆最爵不隧终舔受载戆交纯瑟交绽。 ( 3 ) 启动转矩大，起动遮度快，惯量小，调速方便。 ( 4 ) 能够频繁起幼与停止。 第2 章铝合金激光焊接送丝系统的设计 ( 5 ) 绩擒楚单，傣疆小，重量轻。 2 、几种常用电动机性能的比较 能够用于送丝系统常用的电动机主要脊：步进电机、一般直流伺服电机、 窜粼逛辊、交滚餐羧电凝，撬将它稍熬毪筑捌子表2 6 。 表2 6 常用电机性能比较 于a b l e 2 喝e o m p 氆r i s o no fm o t o rp e r f o r m a n c e 步进电机有不受网压波动稆受载变化影嚷蛇优点，与交流饲服瞧规相 其 缺点是在低速时易出现低频振动现象，这种豳步进电机的工作原理所决定的低 频掀动现象对于机器的正常运转非常不乖j ：劳进电机的输出力矩随转速升黼而 下黪，显在较葛转速融会怠剩下降，_ | 箩 叛其矮裹工终转速一般在3 6 0 0 歉隧； 步进电机一般不具有过载能力；步遴电机的控制为开环控制，启动频率过商或 负载过大易出现丢步成堵转的现象，停止时转速过黼易出现过冲的现象；步进 毫瓤放静盘攘速蘩互作转速( 一般梵每分锌足吾转) 嚣要2 0 0 4 8 0 逡移，热邃性 能不佳。 印刷电机是一种低惯性爨的电机，其动态响应速度快，其缺点鼹，低速运 蔻塞z 濂大学工学矮士学像论文 行与绢鼹彀枫相跑不建缀稳悠，赉予亳极转速较褒，器经过数级齿轮减速。 但因为采用丁多级减速器，一方砸使系统装嚣变樾笈杂，另一方面糍怒使阕环 控制系绞产鸯鑫激撵蕊靛耋装爨灏之一，影响了系统瞧缝豹提毫“。 豢瀛翻缀激祝与交流馁鞭嗽魂褶魄，直流镧溅驱动技术受窀撬零巍靛隧瓣 影响，其发越受到了限制。搬溅塌服电枧存农撬械缕约复杂、维护工佟爨大等 缺点，在避行过程中转予容易黢热，影响了与其连接的其他机械设错的精度， 建毯藏躅戮耱速及太窭蠢靛繇愈，撬辕挟囊器强或麓塞滚强辍驱动鼓零发矮麓 援臻。交滤德服毫砉琏炎爨了瀛溅髑服惫捉存在翡魄捌、按怒器等枫城部糖耩磐 来的务种缺点。特别是交流倒服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服 系统的优越悭。所以交流饲强系统在王厂爨渤化( f a ) 等各个镢域褥刘了广泛豹 应嚣。拭俑滕驱动产器兰l 裁的廉燧来看，壹流饲黢产鼹正逐濒减少，交濂镯暇 产品则目渐增加，市场占有窭邋步扩大。在实际虚蹦中。精度更高、遮度更快、 使用篼方便的交流伺服产品融级成为主流产潞。 交瀛词鼹邀瓠其蠢诿邃蒸潮蹙、穗逮耪茨褰、凌惑穗瘦捷戮爱在较宽魏蔻 匿蠹产生壤葱黪转矩等良好鹣搜零性蕤。恧羹炅有缝梅紧凑、终形小、黧爨轻， 可实现高转趟惯量比，动态响殿好，运行平稳，滔墩于高速、高精殿、频繁起 动与搏止、快速定证簪场合，飘电甑不震维护、懿在恶劣环境下工住。 透过戳上邀规靛魄较，遗撵交流词骚电秘规幸筝为锫台金激毙焊接邀艘豢统 的送热电枫。 2 ，4 。4 。2 送缎邀动机功率的计篝岛选择 l 、等效转动惯擞瞻诗葵 转动惯鬣j 包括电机转予的转渤惯量、各轴的转动惯最、轴上蜗轮、主 燕2 牵缀合鑫激光烬接遴丝系缓斡设诗 幼轮齿轮、燕动轮、压衿、校或滚轮、送数盘的转动惯趱和送熊盘上丝材的转 端镄囊，送簇传动示意鬻鲡霆 7 掰示。 1 辘 j 2 l 一邀墼爨褪2 一联辙嚣3 - 娲释隼- 涡辕s 一蠢辕l8 - 鸯戆27 啭凄整8 一皇魂轮2 一殍 丝l o 一主渤轮1 壤2 一? 邀箍系绫簧凌示纛落 f i g 2 7s c h e m eo fw i r ef e e ds y s t e m 露设遴墼毫橇靛转秘浚量麓矗撬，l 辘及篡辘主零襻、2 辘及其辘主零 髂、3 辘及荚轴上零件漱转动惯攫矜裂必曼、是、3 。，传动比必：，戳各 个轴的转动惯量转换关系见袭2 7 、各零部件转动惯擐数值见表2 8 。其中，1 轴 鹃转动谈繁镱括联辅器、瓣稃、传动辘、支祷传渤辅静轴承内蕊瓣转动愤鳖，2 辕戆转动溪鬟惫揍娲耱、滚轮s ( 数爨i 个) 、主魏轮l ( 数爨| 个) 程蛰动辘懿转 动惯量，3 轴的转动惯量包括齿辕6 ( 数嫩1 个) 和生动轮2 ( 数量1 个) 。此外还 稀韬焊丝及焊丝镦酌转渤惯匿、校赢滚轮( 数熏1 5 个) 、压轮( 数豢8 个) 、从动 轮( 数量2 个) 静转麓馔薰。 l 束工业太学泛学硬士学位论文 表2 7 辑会戮l 轴瓣转动攘璧关系 耗b l e 。2 ”? 敬u i v a l 鸯珏t 撵黼母肄to fi n 鳍t i 毡 褒2 8 蠢霉部件转动馕蒙 1 8 b l 孽。2 嚏o 蒜e n 乞o fi n e r t i ao fp a r t s 零馋名称 柽关足寸拱搬)转动矮董g 辨撤2 ) 数量( 令) 磁轴器 1 6 l 巷5l l 辅蜗杼2 l l 电机主轴i 8 0 0 0l l z 辍 落轮及主动轮l主动轮 糍径4 2 粤7 4 1 8l 涡轮及传动轴?2 l o l 3 辘 落轮及圭劫轮2主璐轮嶷径4 2 9 7 4 1 8l 镪爆丝及姆丝盘盘壹径2 8 0 9 x 1 0 7 l 棱直滚轮童轻i 8 1 8 51 5 箕娩 嚣轮直径i 63 0 38 献绣轮 直径3 0l i 5 8 82 张紧轮直径1 6 s o o2 愁躲：= 去，= l ，磐袭2 7 联涿，爨2 辘窝3 辙舞台嬲l 辘弱转动嫒爨 所乘懿因子是捆露憨。 ( 1 ) l 辘豹转动惯餐 点= 1 6 1 6 s + 2 1 5 0 十1 8 0 0 0 3 6 3 1 5 9 。嬲瑰2 ( 2 ) 2 辘熬转羲骥藿 矗= 9 7 4 1 8 + 2 1 6 0 0 = 1 1 9 0 1 8 9 瑚柳2 3 ) 3 辘靛转动攘囊 第2 章铝合金激光焊接送丝系统的设计 以= 9 7 4 1 8 9 卅川2 ( 4 ) 萁继部分折合到2 轴和3 辆静转麓惯量 咖弘( 去卜= 缸降卜 = 2 1 1 3 1 4 x 1 0 6 髫挪搬2 式中：，第i 个单个零件的转动惯量 第i 个零件的角速度 魏第i 个零磐憝令数 吐第i 个零件的直径 ( 5 ) 折合到电机轴的等效转动惯量 矗= 十( 亡) 2 ( + 以+ 如) = 。2 z ，s 9 4 9 饼m 2 e z t ， 2 、效囊载转楚计算 设计负载阻力，= l o o ，枫械系统传递鲍损失蹿= 3 0 ，主璇轮纛径 d = 4 2 研肌，传动比f = 2 0 ，则等效负载转矩为： ，_ 鱼 嚣= 二_ 互( 1 + 擘) = o 1 3 6 5 小 ( 2 1 2 ) 3 、选择电动机 由于该伺服电机长期连续工作在变负载之下，敞先按方均根负裁初选魄动 瓿，壤援公默m 1 虿诗雾爨嚣璃鼹毫动蔽功率( 极藏转麓系统稿= 7 。，毫掇焱毫 转速 “= = 3 0 0 0 ，埘n ) 忡s 以s ) 镣 掰 ：f 1 5 2 5 1 塑擅! 型q ：o 0 9 2 o 1 5 3 3 k 形 、 71 5 9 o 7 6 0 北京工业大学工学硕士学位论文 式孛：嬲2 受载方麓禳力矩跏，零文串矗辔= 磊) 负载方均根转速p ，s ) 初选a s 灯0 2 l 2 5 0 型交流伺服电机，其功率为塌= o 2 x 矿 只，额定转速 = 3 0 ，棚n ，转予惯量以= o 1 8 1 0 - 4 琢掰2t 最然矗，矗= 2 3 4 ll _ 6 9 71 4 81 5 5o 0 2 6 3 2 2 7 9 42 9 63 1 o 0 8 6 6 34 ，2 1 5 4 4 4唾6 50 。i 6 0 45 5 8 25 9 2 6 20 3 4 6 1 56 9 8 27 4 0 7 7 5o 。5 4 l l 6& 3 8 28 8 8 嵇3o 7 7 9 5 表3 2 l 不同速度下的测量值( 第二组) 羝b l e 3 2 l 耩e 8 s 醢# e dv 8 l 毡e8 tv a r i 8 | l ts 蛰e 娟 i 序号转矩( m m )转速( r m i n )转速( r a d s ) 功率( w ) l1 7 0 21 4 8 l s 5o 。0 2 6 4 22 8 0 22 9 63 l o 0 8 6 9 34 2 1 64 4 44 6 50 1 9 6 45 s 5 9 26 2 0 。3 莲7 56 9 9 07 4 07 7 5 o 5 4 2 6 8 3 4 08 8 89 3o 。7 7 6 表3 2 2 不弱速度下酶测量擅( 第三组) 蚀b l e 3 2 2m e a s u r e dv a l u ea tv a r i a n ts p e e d | 痔号 转矩( n m ) 转速( m i n )转速( r a d s )功率( 辩 l1 7 0 01 4 8 1 5 5o 0 2 6 4 22 7 9 82 9 6 3 lo 。0 8 6 7 l 34 2 2 04 4 4唾6 5 o 1 9 6 北京工业大学工学硕士学位论文 45 5 8 35 9 26 20 3 4 6 56 9 8 67 4 07 7 50 5 4 l 68 。3 8 68 8 89 3o 7 8 0 表3 2 3 不同速度下测照值的平均值 t a b l e 。3 2 3 琏e 8 s u r e d8 e r 8 9 ev 8 l u ea tv 8 r i a n ts p e e d 序号转矩( n m )转速( r m i n )转速( m d s ) 功率( w ) l1 7 0 01 4 81 5 5 0 0 2 6 4 22 7 9 82 9 s3 l 0 。0 8 s 7 34 2 1 74 4 44 6 50 1 9 6 45 5 8 55 9 26 20 3 4 6 55 9 8 67 唾o彳? 。s0 5 4 i 68 3 8 48 8 8 9 3o 7 8 0 掇据表3 2 0 至表3 2 2 三缝实验数据，求邂对袋熬转速掰涪耗功率懿孚溜 值见袭3 2 3 ，然后进行拟合，拟合曲线如图3 4 所示，横烂标x 表示转速 ( r m i n ) ，纵坐标y 表示所消耗功率的平均值( w ) 。 它秘魏线羧舍方程为： y = 一o 。1 9 8 7 5 l + o o o l o l 9 5 x( 3 5 ) 嚣 w 婷 髂 0z 0 04 0 05 0 08 0 01 0 转速( r 试n ) 强3 - 4 魄辍空载溅试转速隧力联满耗珐率熬羧会曲线 f ig 3 4f i t t i n gc u r v eo fr o t a t i o n a ls p e e da n dc o n 8 u m e dp o w e rf o rw i r ef e e d e rt e s t i n g w i t b 驻专蠢u 畦叠氆靛w f e 4 、送丝阻力和送熊功率 送丝系统的阻力由机械传动系统黼力和输送铝焊旌的送缀阻力组成，机械 簧凄爨力瑟港糕熬凌奉及当爨送丝醒力嚣表s 1 9 。送缝阻力静夭，l 、耪所瀵耗葫 率不能童接测擞得出，本文是运用输送铝焊丝的当量邀丝阻力和所消耗的功率 雾3 章钱