（机械工程专业论文）基于motorman自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析.pdf

中文摘要 随着我国经济的高速发展，对电力能源的需求日益紧张，为了适应经济的发展。国家 正大力发展以热电、水电为主的电力设施，同时加快对核电、风力发电、太阳能发电的建 设。发电能力有了大幅度的增长，因此，对与之配套的电力设施的研发、制造技术提出了 更高的要求。 目前，在我国的低压配电设施中，担任主令开关的主要以a c b 框架断路器为主，通过 长期的研发，框架断路器已经具备全智能、高分断、零飞弧、带隔离等功能，用来分配电 力能源，保护线路及设备免受过载、短路、欠电压和接地故障等危害。 通过对a c b 框架断路器的结构分析可以得出结论，性能先进的电气产品，首先要依靠 先进的设计理念、设计手段和测试设备来保证，另一方面也要依靠先进的制造技术来达到 产品的设计指标。因此只有通过先进的制造装备、制造工艺来提高框架断路器的制造精 度，来进一步提高框架断路器的三大性能指标，既额定极限短路分断能力i c u 、额定运行 短路分断能力i c s 、额定短时耐受电流i c w ，以适应现代电力设施的高速发展。 如何利用现有装备，设计可靠实用高效的工装夹具，并通过设置合理的焊接参数，制 造出符合设计要求的产品，正是本文所要论述的重点。论文主要内容如下 ( 1 ) 通过对c w 2 1 6 0 0 框架断路器脱扣机构中主要部件转轴的动作机理及结构分析， 提出了对焊接强度、同轴度、平行度等各项公差值的控制要求。 ( 2 ) 分析传统焊接工艺对转轴机械强度及各项公差值的影响。 ( 3 ) 自动焊接设备的发展历史及发展方向。 ( 4 ) 设计制造了基于m o t o r m a n 自动焊接设备的焊接夹具，并对夹具进行装配、调试 及各项参数的设置，并对转轴进行焊接。 焊好完工后转轴焊缝饱满，外形美观，转轴变形小，并对制品进行了强度及公差的检 测，通过对成品断路器的装配测试，均达到了产品设计的各项性能指标，取得了预期的效 果，为新产品的快速推向市场并进行大规模生产、扩大市场占有率奠定了基础。 关键词：焊接夹具焊接工艺焊接参数 转轴 作者李军 指导老师樊琳 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e h i g hs p e e dd e v e l o p m e n t o f e c o n o m y i no u r c o u n t r y ，t h er e q u i r e m e n t o fe l e c t r i c p o w e r i sm o r ea n dm o r e in t e n s e i no r d e rt ok e e pu pw it ht h ed e v el o p m e n to fe c o n o m y ，o u r c o u n t r y i sg r e a t l yd e v e l o p i n gt h ee l e c t r i c e q u i p m e n t o n t h e r m o e l e c t r i c p o w e rg e n e r a ti o n& h y d r o d y n a m i c e l e c t r i ca n d d e v e l o p i n g t h en u c l e a r e n e r g y e l e c t r i c 、w i n d p o w e re l e c t r i c & s o l a rp o w e re l e c t r i ca tt h es a m eti m e s oi t b r i n g sf o r w a r dm u c h m o r e s t r i c t r e q u i r e m e n t s o n t h ed e v e l o p m e n tm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yo fe l e c t r i ce q u i p m e n t i no r d e rt ok e e pu pw i t hi t 7 s d e v e l o p m e n t n o w ，i nt h es c o p eo fl o wv o l t a g ee l e c t r ice s t a b lis h m e n ti no u r c o u n t r y ，t h es w it c h g e a rw h ic ht a k e sc h a r g eo ft h em a i no r d e risa i r c i r c u i tb r e a k e r ( a c b ) ，b yt h e l o n g t i m ed e v e l o p e d ，t h ea i rc i r c u i t b r e a k e r ( a c b ) a r ec h a r a c t e r i s t i co fe r g o n o m i cd e s i g n ， c o n v e n i e n t u s a g e ，a l l c a s ei n t e l l i g e n c e ，h i g h b r e a k i n gc a p a c i t y ，z e r oa r c i n g d i s t a n c ea n di s o l a t i o nf u n c t i o n e t c ， a n dt a k et h er o l eo f d i s t r i b u t i n gp o w e ra n dp r o t e c t i n gw i r e s a n d e q u i p m e n t f r o mb e i n g d a m a g e db yo v e r l o a d ，s h o r tc i r c u i t ，u n d e r v o l t a g ea n dg r o u n d f a u l t e t c w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nb ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fa c b ，t h e m o d e r ne l e c t r i cp r o d u c t i o nm u s td e p e n do nm o d e r n d e s i g nt h o u g h t ， d e s i g nt e c h n i q u e s & t e s te q u i p m e n t ， a n d b ym o d e r nm a n u f a c t u r e t e c h n i q u et oa c h i e v et h ed e s i g ni n d e x s ow ec a n i m p r o v e t h e p r e c i s i o no fa c bo n l yb ym o d e r nm a n u f a c t u r ee q u i p m e n t & p r o c e s s ，t o 第2 页共4 页 a d v a n c et h r e em a i nt e c h n i c a li n d e x ：l i m i t e ds h o r t - c i r c u i tb r e a k i n g c a p a c i t y ( i c u ) ，o p e r a t i o ns h o r t c i r c u i tb r e a k i n gc a p a c i t y ( i c s ) ，r a t e d s t a n dc u r r e n tf o rs h o r t ti m e ( ic w ) ，i no r d e rt o a d a p tt h eh ig hs p e e d d e v e l o p m e n to fm o d e r ne l e c t r i ce s t a b l i s h m e n t h o wt ou s ec u r r e n te q u i p m e n t ，b yd e s i g n i n gr e l i a b l ea n dh i g h p o w e r e dc l a m p ， s e t ti n g l o g i c a lw e l d i n gp a r a m e t e r ， m a n u f a c t u r i n g p r o d u c t i o nw h i c h a c c o r dw i t hd e s i g n r e q u i r e m e n t ，i s t h e e m p h a s e s w i l lb ed i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e t h em a i nc o n t e n t so ft h e p a p e r a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h ea c t i o nm e c h a n i s m & s t r u c t u r eo fr o t a t i n g s h a f tw h i c ha c t sm a i n p a r t i nc w 2 1 6 0 0s e r i e sa c b sr e l e a s e e q u i p m e n t ，p u tf o r w a r di t sr e q u i r e m e n to nw e l d i n gi n t e n s i t ya n d s o m et o l e r a n c ep a r a m e t e r ss u c ha sp a r a l l e li s me t c ( 2 ) a n a l y z i n gt h e e f f e c to ft r a d i t i o n a lw e l d i n gp r o c e s st ot h e i n t e n s i t ya n dt o l e r a n c ep a r a m e t e r so fr o t a t i n gs h a f t ( 3 ) t h e d e v e l o p m e n t h i s t o r y a n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c y o f a u t o m a t i c a l l yw e l d i n ge q u i p m e n t ( 4 ) w ed e s i g n e dt h ew e l d i n gc l a m pw h i c h c o u l db ea s s e m b l e do n m o t o r m a na u t o m a t i c a l l yw e l d i n gm a c h i n e a f t e ra s s e m b l e da n dd e b u g g e d t h e c l a m p ，b ys e t t i n gl o g i c a lw e l d i n gp a r a m e t e r ，w e l d i n gt h e r o t a ti n gs h a f t t h ea p p e a r a n c eo fw e l d i n gli n el o o k e dv e r yp l u m pa n ds p l e n d i d ， t h em e t a m o r p h o s eo ft h er o t a t i n gs h a f tw a sv e r ys m a ll ，a f t e r c h e c k e dt h e i n t e n s i t y a n dt o l e r a n c e p a r a m e t e r o f r o t a t i n g s h a f t ，t e s t e dt h ef i n i s h e dp r o d u c t i o no fa c b ，t h er e s u l t so fe a c h 第3 页共4 页 i n d e x e sa c c o r d e dw i t ht h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t ，g a i n e dt h ee x p e c t e d p u r p o s e s o e s t a b lis h e dt h ef o u n d a ti o nf o rn e wp r o d u c ti o nt ob e m a n u f a c t u r e di nl a r g es c o p e ，c o m ei n t om a r k e tq u i c k l ya n de n l a r g e t h eo c c u p a n c y ! k e yw o r d ： w e l d i n gc l a m p w e l d i n gp a r a m e t e r w e l d i n gp r o c e s s r o t a ti n gs h a f t w r i t t e nb y 第4 页共4 页 s u p e r v is e db y l i j u n f a n l i n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 蝴 研究生签名： ! 骂坠 日期： 进：s ：! b 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：堕：羔：曼 e t 期：弘。8 j ，6 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 第1 章绪论 1 1 课题的背景与意义 1 1 1 国内外低压电器行业发展概况 我国低压电器行业经过5 0 多年的发展，目前已经形成了比较完善的产品体系，从 品种、性能及生产能力等方面基本上满足了国民经济各领域的需要。据不完全统计，全 国已有规模大小不等的低压电器企业近1 5 0 0 家，产值近2 0 0 亿左右。各低压电器企业 在诸多方面不断创新，取得了骄人的业绩。为中国电气行业的发展作出了卓越的贡献。 我国低压电器的发展大致可分为三个阶段： 第一阶段是9 0 年以前，基本上是“闭门造车式的模式，仿原苏联的产品开发， 计划经济情况下的开发思路，当时生产出的产品无论是从技术、质量上都非常落后。由 于当时还没有改革开放，所以也没有这方面的信息传进来，也没有这方面的技术可以借 鉴，也就没有自己的产品。 第二阶段是9 0 - 9 7 年，以仿制西欧国家和日本产品为主，因为这个时期内国外同 行业的跨国公司都己进入国内，像施耐德、西门子、a b b 等，带来了先进的产品、先进 的技术，在这个过程中，开发管理上远没有达到国外公司的水平。产品是在仿制，但对 国内产品设计人员的概念，对用户技术起到了很大的作用。 第三阶段是从9 8 年到现在，基本上是仿制到自主相结合的阶段，在此期间，对国 外产品进行了二次开发，积累了各种经验，达到了自主开发的阶段，使产品更加完善。 反观国外低压电器市场的发展历史，经过几十年的市场风雨，形成了主要以施耐 德、a b b 、西门子、伊顿为龙头的市场格局，分别占据着以各自的高端产品为代表的全 球市场。如何以高性能、低成本来占据市场，成为各电气巨头的主导方向。在我国正努 力开发第三代产品关逐步推向市场的同时，国外主要的低压电器公司从2 0 世纪9 0 年代 中后期又不断推出更新产品，新一代产品除了高性能、小型化、电子化、智能化、模块 化、组合化以外，其主要特征是可通信、高可靠、维护性能好，符合环保要求等。 1 1 2国内外低压电器的发展方向 随着新技术的发展，特别是电子、微电子技术和计算机的迅速发展，将对低压电器 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 元件带来深远影响。在原有产品继续完善性能、功能、提高质量的同时，将产生一批新 型产品，低压电器未来产品发展将有以下几个趋势： ( 1 ) 低压电器产品智能化：在现代化电站和工矿企业中，已广泛采用电子计算机监 控系统，对与之配套的低压断路器提出了高性能、智能化的要求，并要求产品具有保 护、监测、试验和自诊断显示功能。 ( 2 ) 产品电子化：在现代化企业中，采用p c 控制系统来代替电子机械零件组 成的系统，已是机电一体化控制系统的主流。 ( 3 ) 产品组合化、模块化，将不同功能的模块，按不同的需求，组合成模块化组合 电器，是当今低压电器产品的发展方向。 ( 4 ) 引入现场总线技术，其主要技术是不通信，能与现场院总线来进行系统连接， 现场总线的发展和应用将从根本上改变传统低压配电与控制系统及其装置。 ( 5 ) 发展固态低压电器和环保产品。在固态电器方面，利用晶闸管作主回路的产品 已进入实用阶段。在环保方面，采用无污染银触点、纳米技术、工程塑料外壳，降低机 械嗓声和低电磁干扰“1 。 1 2 本课题的主要研究对象 在现有电力成套项目中，主令开关基本上都采用框架断路器。如何实现框架断路器 的高分断能力，这成为各生产制造方的主攻方向。而要实现分断能力的大幅提高，一方 面要从电子脱扣器着手，加大芯片的运行能力，缩短信号处理时间，提高电磁脱扣器的 输出能量。另一方面要提高脱扣器的可靠性，使得脱扣动作能顺利、快速完成。而在整 个脱扣机构中，通过对现有框架断路器的结构分析，最终都将通过脱扣机构转轴来完成 触头的合闸及脱扣。 本课题的主要研究对象就是起到关键作用的机构转轴的制造工艺及焊接工装夹具。 如何通过提高转轴的强度、加工精度，保证其同轴度、平行度等各项指标，将对大幅提 高断路器的分断能力起到很大的作用。 1 3 本课题的主要任务 通过对基于弧焊机器人焊接平台焊接工装的设计及焊接工艺的分析，制订了相应的 转轴焊接参数，消除了传统手工焊接造成的各种质量问题，缩小了焊接对各组件的变形 2 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 量，进一步提高转轴的焊接精度，从而进一步提高断路器的装配精度，提高生产效益， 降低生产成本，为提高框架断路器的市场竞争力提供保障。 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 第2 章传统机构转轴的焊接工艺分析 2 1机构转轴的工作机理 最近开发的c w 2 1 6 0 0 四极框架断路器的机构组件图中其机构转轴的零件如图2 1 所示。由此可以看出，机构转轴是由一组冷冲零件及其一根金加工而成的轴经过焊接而 成的。各冲压零件上具有经过冲压加工的各种孔位。在机构的装配过程中，这些孔位都 要与相应的组件组合，完成各种功能。 目函曝鄹凰匿黧霉孵躁隰辫囝露霹圜霹翻匿蜀圆馨盟躜黧圈鼷缀缀戮缆霹翳器鍪鍪鬻j 篡算剧捌 1 蔓堑9 塑塑宴萋生塑煦一三墨竺婴堡二二一一 一：一一曩 4 - 詹堪，r 国固盘 囊搜爱国i l 搋。历史i 国- 甾磁 i 型堕茧氲型鲨蘧雯霆霾逦重= 二= = 二= = 二二二二二= = 二二i = 二二i 二堕1 ) 塑量蔓 r 一习 i ，? 目弓；碡一一一一一一_ 厂毯蕊i 霜一 兰塑型；j 毋蕾固囤盔国嗣”芝堡耋重：l 望堂垫要：l 望堂塾墨：i 望堡塞i 笪蔓= 壁j 雁夏嚣蘸i 薹蘑l j 磊 图2 1c w 2 1 6 0 0 四极机构转轴示意图 在整个断路器的装配过程中，转轴与各机构零件经过初步装配后形成整个执行机 构，同时，执行机构再通过安装在轴两端的铜轴瓦，以及安装螺栓同定在断路器底座 上，并绕着轴瓦转动。同时，转轴l 二的各悬臂通过其上面的销孔与各动触头联接，完成 整个装配过程。 在断路器需要合闸时，扳动执行机构上的手柄或由电动操作机构通过一根v 型轴转 动执行机构，带动转轴旋转，完成触头的合闸动作，并压缩储能弹簧，为脱扣过程储备 能景。在电路i e 常的情况下，始终保持合闸状态。在需要人工分闸、欠电压或电路不正 基于m o t o r m a n 目动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 常时，分别由欠电压脱扣器，分励脱扣器及手工按钮完成脱扣动作，带动转轴旋转，完 成动静触头的分离。由此可以看出，机构、转轴在整个合闸、分闸过程中，始终扮演着 执行者的角色。所以其强度、精度都将影响着断路器的分断- i 1 - 厶匕f j t 。 2 2 机构转轴的工艺要求 从机构转轴的结构及其动作机理来看( 见图2 2 ) ，其对焊接工艺的要求较高，首先 要保证焊接强度，由于在脱扣机构动作时，其脱扣时间极短，在几十毫秒内完成动作， 圈霪目盈四圜国豳强匦蜜蟹圜匠厨冒窭固蜀团篓露疆墼冀珑鬻餮翳黧缎墓鬟囊鬣鍪鬟 ，堂编辑熙毒煮学曼蜮王墨粤碧助磐二。 - 勤i ： 一 一 一：一迢j 脚电霜 皇墅i 型谚。圃国嗣l 壁：圭兰宣 望竺塾翌1 望整茎茎：l 望造丕i 塑笺：璺：羯舀i 覃虿毫菌 图2 - 2c w 2 1 6 0 0 四极机构装配示意图 ：i 旦j 剖 d i 键掺” 而转轴在极短的时间内转过相应的角度，角加速度极大，从图2 - 3 的角加速度曲线图中 可以看出，其最大角加速度可达1 3 3 8 。m s 2 ( 2 3 3 5 x 1 0 5 r a d s 2 ) ，因此转动扭矩较大，加 上触点到达一定角度后，又有一个较大的负加速度，其最大角加速度可达一2 8 5 7 5 。m s 2 使转轴从较大的转速到达停滞状态，所以转轴又受一个反向的扭矩作用。可以根据剪切 强度的计算，可以计算出转轴焊缝处最大剪切强度： m n 产i p 其中，m n 为焊缝处的扭矩，i n 为焊缝处圆截面对圆心的极惯性矩， 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 经过简化计算，取 其中，d 为焊缝外径，d 为焊缝内径。 表2 1 为转轴各悬臂的质量和相对于转轴回转中心的回转半径。 表2 1 悬臂编号悬臂质量m 回转半径r ( m ) 转动惯量j ( k g m 2 ) 回转力矩 ( k g )m ( n 们 c k 8 1 3 1 8 1 6 1 4 x 1 0 。3 1 3 8 7 x 1 0 。32 6 9 3x 1 0 60 6 2 8 8 c k 8 1 3 1 8 1 81 4 x 1 0 31 4 0 9x 1 0 32 7 7 9 1 00 6 4 8 8 c k 8 1 31 8 2 11 5 1 0 。31 3 8 4x 1 0 32 8 7 3 1 0 石0 6 7 0 8 c k 5 1 3 1 8 0 4 2 0 x 1 0 - 31 2 9 1 x 1 0 33 3 3 3x 1 0 _ 60 7 7 8 2 所以，分别取m n = o 7 7 8 2n m ，d = 1 5 x 1 0 。m ，d = 1 4 x 1 0 一m ，p - - - 7 x 1 0 一m ，得 t = 4 5 4m p a 3 0 0 2 0 0 1 0 0 念 瑚 莓o 0 0 瑙 一3 0 0 4 o o 脱扣过程转轴角加速度变化规律 黔寥 搿獬鬻弼够貔彩 鬈鬻，：誉零h? _ 。一“ o ， 7 麓一 k ” ，一 _ j ，1 。”：j ， ，。iv ，i ：，o ：麓 爹+ 一，一， ，”， 缀 s? ? ： 。，。i ； - | ，! i j卜、i ； 脱扣分闸转 0 7 。0 j ；，一，_ ：。| 。：一，：j i ? ，。ji ，+ ! 溪 轴碰撞区域 1 ， j j 角加速度变 |o 一。： 化特性 ，1 h ? j 7 “，7 | l ，。 ，警 尹 ： 一卜“7 ，。 ，7 舯旷、f ，_ ，+ ：，。、矿，| ，：y 。一，。 j ：鬟 。a， l。 。j j i ，7 ：7 。 ， ， r|， o 10 - l ? 。? ? 。、，。j 。警 一1 i 一、 ， ， 爹。 ， 芯。 ， 2 ：， 一 一 ? j t f ：，r j ：oj ：，o ，p ，t o o ；，j 毒 薮7 ：7 。： i ，： ， ， ，： t ， 。 ，j 。i ：4 甄+ #，7 ：一。丢： 碰撞过程角i ， 。 j i i ? ，j：? 。 ， 0 磊蠡磊磁。加速度蜂粤厶 ， 茏溺自篪女，磊。! 荔蠢磊貔霆囊幺；窦笼；i z 。施黝 施螽蠹磊施象g ；荔叛舅魏磊磊么磊魏；荔黪船! 罐# j ；。黝 o o o1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 05 0 o o6 0 0 07 0 o o8 0 0 0 9 0 0 0 时间( 毫秒) 图2 3 c w 2 1 6 0 0 机构转轴分闸角加速度示意图 6 d 谢 扎 砀 d p 弋 ， 旦乾 i l = m h 舯 o 屯 越幽晏妖 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 转轴从较大的正向冲击转成较大的反向冲击，在极短的时间内发生，这对焊缝强 度要求极高。从c w 2 - 1 6 0 0 机构转轴图上可以看出，转轴是由一根低碳钢光轴和一组低 碳钢冲压而成的悬臂焊接而成，由于悬臂是由3 m m 厚度的钢板冲压而成，而且孔边缘 较小，所以焊接电流较小，焊缝高度较低，只有3 , - 一4 m m ，对焊缝强度有较大影响。所 以工艺难度较高。其次，在保证焊接强度的同时，还要保证转轴具有较高的形位公差。 从转轴的工作机理来看，首先要保证各悬臂有较高的平行度。 由于触头合闸及脱扣是在极短和时间内完成，角速度较大，图2 4 机构转轴分闸角 速度示意图上可以看出，其最大角速度可达4 0 m s ，而悬臂又是通过其上面的孔位由轴销 与触头和其他相关零件组成，只有在保证各悬臂的平行度的情况下，才能保证各作用力 能通过各触头中心，达到各触头的合闸与脱扣具有较高的同步性。同时，各悬臂与触头 联结时，是通过轴销联接的，这就要求各悬臂上的各孔保证较高的同轴度，只有在保证 同轴度时，各触头才能做到同步，并具有相同的触头超程，保证相同的触头压力。只有 在保证转轴的形位公差时，才能保证触头具有较高的分断能力，进一步提高断路器的性 能。 釜 瑚 趟 v 趟 幽 霰 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 脱扣分闸转轴角速度变化规律 爹甲鼍鬻? 鬈黟穿缪黟l雾獬磐 搿镌缀嬲缓嬲彩瓣缓黪蟹戮髯缓搿锈擎蟹错谚簏磐鬻缀骖影粼影麓终蟹f ；甄墙? 髫 鏊；。- | 、- 。、一。脱扣分闸转 群：；? ! ? 0 7 誓o7 “+ o 。7 菇 “一 毳。? ? _ 一j | ，? o +“? ：一- 籀 轴碰撞区域 驴：= t ，：。o o ：?1 ，r角速度变化 ； 、， 乳! j ：j ：。，；。? - ：，q 特性 、? ：一, t ? 。、 p i -， “妒黟黪芗警二嚣。擘，：。? 。j ，i ；，：，? j 、r j i 。f 。，。j、z ：j 一i j ， | ；i3 。i ? 。i ：，。 一7 。 一i i ， ， j ，“ 黟，v 0 ，。| i 一。 7 “0o 0j ；。；i j ， | _ _ ? ? 7 | 。? i 0 擎4 j 一 。| 7 一。71 ，7 一。，“一一。“秀 o 一 1 ，一 引j ，；卜 j - j7 ：j ：，i j | ，一；。、i ：? ：2 ；| j ，。，| ，掌 、 l 。， 卜 ， ” 爹。 j o 一 一。 二 一| ? ? ? 一? 0 i ， j ， o ：- 广1 。? 。二：二 l 一j ， q o 1 0 0 0 0 02 0 0 0 0 0 ? o i l ) o c ， 、，一 ? 哕e ? o 哆，掣，7 0 , 0 0 0 0 ，? ： 0 9 轧! l 旌：彭藏缀荔磊曩：i 毫渤毫乳， $ 聋施t 勃锄貔孩么貔搋么a 貔籀瓤级缀躲i g 么凌彩荔荔 曩；磊：宠荔渤磊溅鬣荛扬i 时间( 毫秒) 图2 4c w 2 1 6 0 0 机构转轴分闸角速度示意图 7 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 2 3 传统转轴焊接工艺分析 在新产品试制阶段，为了试验验证零件的可靠性，一般采用传统的手工焊接来制作 机构转轴，并采用直流焊机焊接，为了保证转轴的焊接质量及焊接精度，一般都要制作 简单的焊接夹具。由于c w 2 1 6 0 0 4 p 机构转轴刚开始进行试制，所以一开始没有制作纯 手工焊接的夹具，只是在以后设计了手工焊与机械手焊接的公用夹具。由于转轴零件外 形及工作机理基本相似，所以在此以c w 2 - 1 6 0 0 4 p 机构转轴的焊接夹具来阐述手工焊接 夹具的结构及工作机理。 如图2 5 所示，夹具基本上都是由底板( 序5 ) 、底座( 序l o 、序1 1 、序2 ) 、压板 ( 序1 ) 、定位销( 序3 ) 以及一些辅助压紧装置( 序4 、9 、8 ) 等组成。 首先，底座( 序2 、1 0 、1 1 ) 通过螺栓( 序7 ) 、定位销( 序5 ) 以及导向键( 序2 0 ) 按照 转轴上各悬臂的轴向位置固定在底板上，这样就保证了悬臂的轴向位置，并保证了各悬 臂的平行度，而在各底座上，都有一些精度较高的孔，便于序3 定位销穿过，这样，在 转轴焊接装配时，各悬臂串列在光轴上，由定位销从左到右依次穿过各悬臂及底座后固 定，这样就完成了悬臂的固向定位，保证了各悬臂上各孔的同轴度。当然，这些夹具上 的定位孔都是经过线切割加工而成的，具有较高的精度。最后，通过压板( 序4 ) 及螺 栓，将各悬臂压紧在各底座上，把轴压紧在底座上端，这样就完成了焊接前的装配工 作。 在准备焊接时，先根据焊接元件的壁厚、焊缝高低调整好焊接电流及焊条的规格、 型号，然后进行各悬臂的点焊。给各悬臂点焊结束后，再进行同向焊接。 焊接结束后，对所得到的转轴进行清理飞溅及整形、检验，最后讲行装配试验验证 其强度及制作精度。 2 4利用手工焊接夹具焊接转轴存在的缺陷 在利用传统手工焊接转轴时，虽然简单可靠，但仍存在着较多的缺陷。 ( 1 ) 由于采用夹具焊接，而在焊接过程中，要经过多次反复翻动夹具才能完成一根 转轴的焊接，所以操作工劳动强度大，生产效率较低。 ( 2 ) 由于夹具结构的特点，再加上操作工的熟悉程度不同，在焊接过程中多次翻动 夹具，造成焊缝接头较多，在接头处有较多的焊瘤，以及夹渣等情况，并且由于多次焊 图2 - 5 转轴手工焊接夹具 9 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 接，起弧与收弧的电压、电流不稳定，在有的部位易产生咬边，有的部位反而有虚焊现 象，一方面影响外观质量，而主要是对转轴的强度有较大的影响。 ( 3 ) 由于反复多次焊接，在焊接过程中，容易导致各悬臂变形翘曲，以及轴的变 形，一方面在完工后取下工件较困难，另一方面可能损坏夹具，影响精度。 ( 4 ) 由于电流、电压不稳定，在局部位置易出现严重烧蚀现象，致使悬臂出现塌边 现象。 ( 5 ) 在其后的改进过程中，考虑到悬臂是低碳钢、薄壁件，宜采用细焊条、小电流 加工，所以尝试采用c 0 2 保护焊加工，但效果不是特别理想，存在着焊缝高低不均，易 断弧的现象。 1 0 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 第3 章气体保护焊接的工艺分析 3 1 气体保护焊接工艺概述啪 熔化极气体保护焊( g m a w ) 是产用连续送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧 作为热源来熔化焊丝和母材金属来形成熔池和焊缝的方法。为了得到良好的焊缝应利用 外加气体作为电弧介质并保护熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。 影响气体保护焊的因素主要有焊接设备、焊丝和保护气体等。 3 2 基本原理 3 2 1焊丝的加热与熔化 电弧是在电极和金属间在气体介质中产生的强力而持久的放电现象，它是将电能转 换成热能的元件电弧分为三个区间，有弧柱、阴极区和阳极区对电极的加热主要是两 电极的产热，而弧柱区( 又称等离子区) 的产热影响不大电弧的两个电极区的产热量由式 ( 3 一1 ) 与式( 3 2 ) 决定： p a = i ( u a + u w )( 3 - 1 ) p k = i ( u k u w )( 3 2 ) 式中p a 、p k 阳极区和阴极区的产热； u a 、u k 阳极区和阴极区的电压降； u w 电极材料的逸出功； i 电弧电流。 可见，两个电极区的产热量主要与电极材料、气体种类及电流大小有关，在g m a w 法中，阳极区的电压降u a 较小( 0 2 v ) ，而阴极区的电压降u k 较大( 约为i o v ) ，因此 在焊接时，如果焊丝接阴极，则焊接速度明显高于焊丝接阳极( 反接法) ，但焊接时电弧 不稳定，所以一般产用直流电源反接法，虽焊接速度较低，但电弧稳定，质量较高。 焊丝熔化率由式( 3 3 ) 决定： m r = a + b l l 2 ( 3 3 ) 式中m r 焊丝熔化率( r a m s ) ； a 阳极或阴极的比例常数，其大小与极性、焊丝化学成分有关【鲫耐( s a 2 ) 】； 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 b 电阴加热比例常数【1 ( s a 2 ) 】； l 焊丝干伸长： i 电弧电流。 由此可见，电弧功率，工件处的压降和等离子体压降对焊丝熔化率的影响不大。 3 2 2 熔滴过渡 g m a w 法工艺特点按熔滴过渡可分为三种形式：短路过渡；大滴过渡；喷 射过渡。影响熔滴过渡的因素很多，其中主要因素有：焊接电流的大小和种类：焊 丝直径；焊丝成分；焊丝干伸长；保护气体。 3 2 3 工艺参数 影响g m a w 法焊缝熔深、焊道几何形状和焊接质量的工艺参数如下： ( 1 ) 焊接电流( 送丝速度) ( 2 ) 极性 ( 3 ) 电弧电压( 弧长) “) 焊接速度 ( 5 ) 焊丝伸出长度 ( 6 ) 焊丝倾角 ( 7 ) 焊丝直径 ( 8 ) 保护气体成分与流量 对于这些参数的影响与控制的目的是为了获得质量良好的焊缝。这些参数并不是完 全独立的，改变某一个参数就要求同时改变另一个或另一些参数，以便获得所要求的结 果。选择最佳的工艺参数需要较高的技能和丰富的经验。最佳工艺参数，受下列因素影 响：母材成分；焊丝成分；焊接位置：质量要求。因此对于每和种情况，为获 得最佳结果，工艺参数的搭配可能有几种方案，而不是唯一的一种。 ( 1 ) 焊接电流 当所有其他参数恒定时，焊接电流与送丝速度或熔化速度以非线性关系变化。当送 丝速度增加时，焊接电流就变大。对每一种焊丝，在低电流时，焊接电流与送丝速度近 1 2 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 似线性，而在高电流时，特别是l 焊丝( 0 8 - - 0 9 r a m ) ，焊接电流与送丝速度变得非线性 较大，而此时，熔化速度以更高的速度剧增。 当送丝速度一定时，当焊丝直径增加时，要求更高的焊接电流，当其他参数不变 时，电流变化将引起如下变化： a 、增加焊缝的熔深和熔宽； b 、提高熔敷率； c 、增大焊道尺寸。 ( 2 ) 极性 极性是用来描述焊枪与直流电源输出端子的电链接方式，当焊枪接正极端子时表示 为直流电极正( d c e p ) 称为反接，相反当焊枪接负极端子时表示直流电极负( d c e n ) 称 为正接。g m a w 法大多采用d c e p ，这种极性时，电弧稳定，熔滴过渡平衡，飞溅较 低，焊缝成形较好，和在较宽的电流范围内熔深较大。 ( 3 ) 电弧电压( 弧长) 在g m a w 中，弧长选择范围较窄，必须进行控制，当弧长过短时，会造成瞬时短 路，造成气体保护失败。由于空气的卷入而易生成气孔或吸收氮而硬化。相反，如果电 弧过长，则易产生飘移，影响熔深与焊道貌岸然的均匀性。 电弧电压不但与弧长相关，而且与焊丝成分、焊丝直径、保护气体和焊接技术有 关。当其他参数保持不变时，电弧电压与弧长成正比。由于电弧电压是一个较易测试的 参数，所以在实际生产中都要求给出电弧电压值。电弧电压值决定了焊丝材料、保护气 体和熔滴过度形式。 ( 4 ) 焊接速度 焊接速度是指电弧沿焊接接头运动的线速度。当其他条件不变时，中等焊接速度的 熔深最大，焊接速度降低时，则单位长度焊缝上的熔敷金属量增加。相反，当焊接速度 提高时，在单位长度上由电弧传给母材的热能上升，这是因为电弧直接作用于母材，但 当焊接速度进一步提高时，则单位长度上的向母材过渡的热能减少，则母材的熔化是先 增加后减少，再提高则易产生咬边倾向，其原因是高速焊接时，熔化金属不足于填充电 弧所熔化的路径和熔金属在表面张力的作用下而向焊缝中心聚集的结果。当焊接速度更 高时，还会产生驼峰焊道，这是因为液体金属熔较长而发生失稳的结果。 ( 5 ) 焊丝伸出长度 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 焊丝伸出长度是指导电嘴端头到焊丝端头的距离，随着焊丝伸出长度的增大，焊丝 的电阻也增大。电阻热引起焊丝的温度升高，同时也引起少许增大焊丝的熔化度。另一 方面，增大焊丝电阻，在焊丝伸出长度上也产生较大的电压降。这一现象，传感到电 源，就会通过降低电流加以裣，于是焊丝熔化率也立即降低，使得电弧的物理长度变 短。这样一来，将获得窄而多的焊道。娄焊丝伸出长度过大时，将使焊丝的指向性差和 焊道成形恶化。 ( 6 ) 焊枪角度 就像所有的电弧焊方法一样，焊枪相对于焊接接头的方向影响着焊道的形状和熔 深。这种影响比电弧与电压或焊接速度的影响要直观得多。焊枪角度可分为二种：焊枪 轴线相对于焊接方向之间的夹角( 行走角) ，焊丝轴线和相邻工作面之间的夹角( 工作 角) 。当焊丝指向焊接表面的相反方向时，称为右焊法，反之称为左焊法。当其他焊接 条件不变时，焊丝从垂直变为左焊法时，熔深减小而焊道变为较宽和较平。在平焊位置 采用右焊法时，熔池被电弧力吹向后方，因此电弧能直接作用到母材上，而获得较大熔 深。焊道变得窄而凸起，电弧较稳定，飞溅较小。对大多数焊接，角度一般均在1 0 。 1 5 0 之间。 ( 7 ) 焊丝尺寸 每一种成分和直径的焊丝都有一定的可用电流范围。g m a w 工艺中常用焊丝 0 4 - - 0 5 m m 范围内，常用提在1 0 - - 一1 6 m m 。因为g m a w 采用小直径焊丝和较大的电 流，所以焊丝的熔化率非常高，可达到2 4 - - - 2 0 4 m m i n 。为了防止焊丝表面锈蚀和减小 送丝阻力，以确保焊丝可以连续而顺利地通过送丝软管和焊枪，通常在钢焊丝表面镀铜 或防护油，同时焊丝还被规则地线在一定尺寸的焊丝卷上。 熔化极气体保护焊，焊丝的公演成分一般和母材相近，具有良好的焊接工艺性和 焊缝特性。几乎所有的焊丝都要添加脱氧剂和其他净化元素。这样做是为了通过与氧、 氮、氢的反应来使焊缝中的气孔减少到最小限度来保证焊缝的机械性能。 ( 8 ) 保护气体 保护气体的主要作用是防止空气的有害作用，实现对焊缝和近缝区的保护。因为 大多数金属在空气中加热到高温，直到熔点以上时，很容易被氧化和氮化，生成氧化物 和氮化物，这些反应物可引起焊接缺陷，如夹渣、气孔、裂缝及焊缝脆化等1 5 l 。 1 4 基于m o t o r m a n 自动焊接平台的转轴焊接夹具及工艺分析 保护气体除了提供保护外，气体的种类和流量将对下列特性产生影响：电弧特 性、熔滴过渡形式、熔深和焊道形状、焊接速度、咬边倾向以及焊缝金属的力学性能。 熔炉化极气体保护焊使用气体主要有纯惰性气体、惰性气体混合气、惰性气体和 氧化性气体的混合气体。在此主要论述惰性气体和氧化性气体的混合气体对焊缝的影 响。 惰性气体与氧化性气体的混合气体是采用惰性气体中充入部分氧化性气体而形成 的，常用的时、h e 、心+ c 0 2 、a r + c 0 2 + 0 2 。使用混合气常具有以下作用： 1 提高熔滴过渡的稳定性。 2 稳定阴极斑点，提高电弧燃烧的稳定性。 3 改善焊缝熔深形状和外观成形。 4 增大电弧的热功率。 5 控制焊缝的冶金质量。 6 降低焊接成本。 心+ c 0 2 混合气体适用于焊接低碳钢和低合金钢，常用混合比例为a t ( 8 0 ) + c