（材料加工工程专业论文）射频同轴电缆铝外导体生产线微电脑控制系统的研制.pdf

摘要 射频同轴电缆铝外导体是由薄铝板经卷管成型、焊接、轧纹等几道工序形成 的密闭金属皱纹管。该产品的生产线对控制系统要求严格，焊接速度( 牵引速度) 与焊接电流之间需要实时匹配才能保证产品质量。 本文针对射频同轴电缆结构的特殊性讨论了多种可能的焊接工艺。对以往的 失效产品进行了深入分析，找出了失效原因。针对薄铝管焊接过程中容易出现的 问题提出了可行的解决方法。确定了适合生产线应用的焊接工艺、选定了焊接设 备。研制了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的生产线自动控制系统。 本文中以多路传感器为基础设计了信号采集系统，克服了单一传感器不能解 决结构性误差以及安全系数低的缺点，充分保证了生产线的安全裕度。在硬件上， 信号处理系统以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心器件，运用多信息融合技术将多路传 感器信号进行融合处理，并最后转化为可供执行器使用的模拟信号；人机交互系 统采用了键盘和数码管。数码管的参数显示使用m a x 7 2 1 9 驱动实现，节省了硬 件资源降低了开发难度。 软件编制过程中协调使用了k e i l 和s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 两款软件。在 k e i l 中完成程序的编写、编译、链接直至生成1 6 位可执行代码。利用s i l i c o n l a b o r a t o r i e si d e 完成程序的烧录以及在线程序调试。 关键词：薄铝板单片机射频同轴电缆c 8 0 5 1 f 0 2 0m a x 7 2 1 9 a b s t r a c t a l u m i n u mo u t e rc o n d u c t o ro ft h ec o a x i a lr fc a b l ei sak i n do fa i r t i g h t c o r r u g a t e dm e t a lt u b e ，m a d eb yt h i na l u m i n u mp l a t ev i at u b e - s h a p i n g ，w e l d i n g ， c o r r u g a t i n ga n ds e v e r a lo t h e rp r o c e d u r e s t h ep r o d u c t i o nl i n eu s e df o rt h ec o a x i a lr f c a b l eh a sas t r i c tr e q u i r e m e n tt ot h ec o n t r o ls y s t e m ；q u a l i t yo f t h ep r o d u c t i o nc a no n l y b eg u a r a n t e e db yw a yo far e a l - t i m em a t c hb e t w e e nw e l d i n gs p e e da n dw e l d i n g c u r r e n t i nv i e wo ft h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h ec o a x i a lr fc a b l e ，s e v e r a lk i n d so f p o s s i b l e w e l d i n gp r o c e d u r e sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n a l y s i st of o r m e rp r o d u c tf a i l u r e si s m a d e ，a n dr e a s o n st h a tl e a dt ot h ef a i l u r e sw e r ef o u n d ap r a c t i c a b l em e t h o dw a sp u t f o r w a r dt os o l v et h ep o s s i b l ep r o b l e m si nc o u r s eo fw e l d i n g aw e l d i n gp r o c e d u r e s u i t a b l ef o rp r o d u c t i o nl i n ea p p l i c a t i o ni sd e t e r m i n e da n dr e l a t i n gw e l d i n ge q u i p m e n t s a r es e l e c t e d a l s oap r o d u c t i o nl i n ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc 8 0 51f 0 2 0 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sd e v e l o p e d t a k et h em u l t i c h a n n e ls e n s o r sa sf o u n d a t i o n , as i g n a lg a t h e r i n gs y s t e mi ss e tu p ， t h u so v e r c o m es h o r t c o m i n g so fi n d i v i d u a ls e n s o r sa n de n h a n c et h es a f e t yc o e f f i c i e n t t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mt a k e sc 8 0 51f 0 2 0s i n g l ec b j pm i c r o c o m p u t e ra si t sc o r e c o m p o n e n t ；i n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yi su s e dt op r o c e s st h ed a t a , a n df i n a l l y c o n v e r t st h ed a t at os i g n a l sw h i c ha r ea v a i l a b l ef o rt h ee x e c u t o r s t h ei n a n - m a c h i n e i n t e r a c t i o ns y s t e mu s e sk e y b o a r da n dd i g i t a lt u b e t h ed i g i t a lt u b e su s e dt od i s p l a y p a r a m e t e r sa r ed r i v e nb ym a x 7 2 19 i nt h i sw a y ，h a r d w a r er e s o u r c e sa r es a v e da n d d e v e l o p i n gd i f f i c u l t yi sr e d u c e d i np r o c e s so f p r o g r a m m i n g ，t h et w ok i n d so fs o f t w a r e ：k e i la n ds i l i c o n l a b o r a t o r i e sd ea r eb o t hu s e d s u c ho p e r a t i o n sa sw r i t i n g ，c o m p i l i n g ，a n dl i n k i n go f t h ep r o g r a ma r ef i n i s h e di nk e i l u n t i lt h e e x e c u t a b l eh e xc o d e sa r eg e n e r a t e d t h e nt h es o f t w a r es i l i c o nl a b o r a t o r i e si d ei su s e dt od o w n l o a da n dd e b u gt h e p r o g r a m k e yw o r d s ：t h i na l u m i n u mp l a t e ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , c o a x i a lr f c a b l e ，c 8 0 51f 0 2 0 ，m a x 7 219 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：啬移超 签字日期：瓤唧年厂月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：嗜彭超 导师签名： 签字日期：伽呷年月，日签字日期：呷 日叨扩0 月 d 仁年 第一章绪论 1 1 问题的提出及相关背景 第一章绪论 随着社会走向信息化，c a t v ( c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n ) 、c c t v ( c l o s e d c i r c u i tt e l e v i s i o n ) 等通讯事业的发展，集电视、通信、广播、数字传输于一体的 多功能双向系统在发达国家正在被广泛使用，我国也正在朝着这方面发展。 我国有线电视网络的发展取得了举世注目的成就。一个世界上最大的有线电 视网正在中国的城市、乡村兴起。“九五”期间，有线电视联网进入高潮，系统 的规模逐渐扩大，用户越来越多并且朝着频带宽、容量大，损耗低、失真小、抗 干扰能力强、可靠性高、敷设方便、维护简单、具有双向传输等方向发展 1 】。 物理发泡射频同轴电缆因其回波损耗大、衰减小、接收频道宽，能在1 g h z 高频下正常使用，成为当前理想的传输线。 2 0 0 7 年为我国3 g ( 第三代移动通信) 年，以t d s c d m a 为首的3 g 网络 建设全面铺开，未来几年内数千亿的3 g 投资意味着电信投资新一轮的高峰。其 中移动通信基站是移动网络基础设施的主要部分，其投资费用约占整个网络投资 的7 0 ，具有极大的市场。作为基站馈线，新一代的射频同轴电缆，其技术发展 和市场前景将备受关注1 2 j 。 资料显示，现在我国每年要新增各类基站几万个，年需求射频同轴电缆己达 六万公里以上。今后几年每年射频同轴电缆的需求量将超过十万公里。可见，移 动通信的高速发展将带来各类基站的增加，最终带来射频同轴电缆需求的增加， 这为移动通信用射频同轴电缆提供了更为广阔的市场前景【3 】。 传统射频同轴电缆的皱纹铜管外导体由0 2 o 4 m m 铜带经卷管成型、焊接、 轧纹等几道工序形成。由于近几年原材料( 特别是铜) 成本的不断增加，使得移 动基站用铜质轧纹外导体射频电缆价格快速增长。铝在电气、机械和射频性能方 面与铜非常相似，因此国际上现有用铝管替代皱纹铜管的需求，所以有必要开发 铝质射频传输电缆，该产品具有非常好的性价比。它的开发可以适应目前高速度 进行的无线网络的组建，为用户提供高质量的移动业务和覆盖。该产品在保留了 原有机械性能的同时，减轻了重量也增加了选择传输电缆的灵活性，具有非常有 效的成本优势。 为适应我国有线电视网络发展需要，我国自9 0 年代初相继研制开发了铝塑 带纵包加编织型的物理发泡同轴电缆，但铝管外导体物理发泡同轴电缆因其技术 第一章绪论 含量新，难度大，一直还未开发。铝外导体物理发泡同轴电缆其铝管的结构形式 目前有两种，一种是焊接铝管，一种为无缝铝管。 焊接外导体物理发泡同轴电缆生产过程中焊接质量的优劣决定了电缆产品 的电气性能及机械性能，是影响产品质量的关键工序。薄壁管件焊接时，对焊缝 的热输入要求非常严格：热输入过大，则造成管件焊穿，而热输入太小又不能形 成稳定的焊缝【4 堋。焊接完成后还要进行表面皱纹轧制，此过程中金属管受力复 杂，很容易发生开裂。 较铜质外导体物理发泡同轴电缆而言，铝质同轴电缆的生产工艺性能较差， 不仅存在铜质电缆生产过程中所有问题，还有铝焊接自身的一些技术难题。铝及 铝合金表面存在一层致密的氧化膜，其熔点高硬度大，在焊接过程终须予以考虑 其影响，如果处理不当就很有可能造成氧化物夹渣、未熔合等质量缺陷，使电缆 的机械强度以及耐蚀性能大大降低，影响电缆使用寿命，甚至造成产品的报废。 目前，国内的皱纹管外导体的生产设备一般存在生产速度较低，焊接过程中 焊接电流与焊接速度难以达到实时匹配、调整耗费时间长，铝质外导体高速焊接 时电弧不稳定，焊缝容易产生夹渣缺陷影响产品质量。为了解决这些问题以提高 产品竞争力、进一步提高生产厂商的经济效益，对薄铝管高速焊接成型过程进行 深入研究非常必要。 1 2 薄板焊接技术概述 随着工业发展以及民用产品需求范围变广和质量要求的提高，厚度小于 l m m 的金属薄板在航空航天、电子、化工、汽车工业等部门得到了广泛应用。 薄板自身特点决定了在其焊接过程中将可能出现一系列问题。大量的焊接试 验证明烧穿、未融合以及焊接变形是薄板焊接时的主要问题。焊接前需正确选择 焊接方法，目前能够较好的控制焊接线能量的方法主要有电子束焊、激光焊、t i g 焊和微束等离子弧焊。 1 电子束焊接 电子束焊接是上世纪六十年代发展起来的一种高能量密度的熔化焊接方法。 它是利用加速和聚焦的电子束轰击工件，将动能转化为热能，使焊件熔化，形成 焊缝【7 1 。电子束焊的主要特点是：电子束能量密度高、焊缝深宽比大、焊接时环 境高纯度使外接气体介质对焊缝金属的污染程度达到最小、适应性强等优点。此 焊接方法的缺点是设备复杂、造价高、维修困难；接头边缘加工和装配质量要求 高，在空气中会产生x 射线等。 2 激光焊接 2 第一章绪论 激光焊接是利用激光器产生的激光束，经聚焦系统聚焦后成为微细光束，当 调焦到焊缝处时，光能转换成热能，使该处金属熔化形成焊接接头。与传统熔焊 比较，激光焊接的优势主要集中体现在l 卜1 3 】：能量密度大、焊接时被焊材料不 易氧化、可对绝缘材料直接焊接、焊接装置不需要与焊接工件接触、激光束不会 带来磨损、可长时问稳定焊接等。 激光亦有其不足的一方面激光焊接要求焊件装配精度高，且要求光束在工件 上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄。如工件装 配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。其次激光器及其相关 系统成本高，一次性投资比较大。 3 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是一种能够较好控制热输入，又易于推广应用的薄板焊接方法。 一般采用惰性气体氩气作为保护气体，熔化金属可以通过填丝或自熔母材而形 成。钨极氩弧焊优点体现在【1 4 18 】：焊接过程中有效隔离空气，焊接区域受保护 良好、气流对加热区域有冷却作用有利于避免烧穿、热源和焊丝可分别控制，易 于调节、便于操作和实现自动化。其缺点是热量不够集中，电弧温度较低生产效 率不够高。 4 微束等离子焊接 微束等离子弧是等离子弧的一种。在产生普通等离子弧的基础上，采取提高 电弧稳定性措施，进一步加强电弧的压缩作用，减小电流和气流，减小电弧的尺 寸，使微小的等离子焊枪喷射出的等离子弧焰流如同针一般细小【l9 1 。通常将焊接 电流在3 0 a 以下的等离子弧焊接称为微束等离子弧焊接。它是在机械压缩、热 压缩以及电磁压缩3 个效应作用下形成的等离子弧焊。与钨极氩弧焊相比，微束 等离子弧的优点是：可焊很薄的金属( 最小焊接厚度为0 0 1 r a m ) 、电弧稳定性好， 在很长范围内都能保持柱状特征、焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形 小等。但其对焊接电源有特殊要求，除了普通等离子弧的直流电源、下降伏安特 性、电流可以细微调节外，它要求高空载电压。微束等离子弧的空载电压一般在 1 2 0 v 1 6 0 v ，有时高达2 0 0 v 。所以微束等离子弧需要特制的电源。 1 3 薄板焊接用新型焊接电源 对薄板和对热输入敏感的金属材料焊接若采用一般电流进行焊接，在熔滴过 渡、焊缝成型、接头质量以及工件变形各个方面往往不够理想。如果采用脉冲电 源进行焊接则可以缩小熔池体积，缩小焊接热影响区，改善焊缝成型，缩小焊接 热影响区，有利于改善接头组织，减小形成裂纹和出现变形的倾向【2 0 】。 3 第一章绪论 与一般焊接电源不同之处在于其提供的焊接电流是周期性脉冲式的，包括基 值电流和峰值电流。可调节参数很多。例如脉冲频率、幅值、宽度、电流上升速 度和下降速度等，还可以变换电流波形，达到对焊接工艺的最佳适应。 逆变是将直流电按照需要的波形转换为交流电的过程。弧焊逆变器的供电系 统首先将三相或者单相的工频交流电整流、滤波后，获得逆变电路所需的平滑直 流电压。电路中的逆变电路再将此直流电压转变为频率在几千至几万h z 的中频 电压。此时的电压比较高，需要用中频变压器进行降压。降压后的中频交流电经 整流器整流、电抗器和电容滤波后再次变为直流电。作为脉冲焊接电源的一个组 成部分，此直流电还需要再次逆变形成所需要的波形。 按照所应用的开关电子器件逆变弧焊电源可分为晶闸管式、晶体管式、场效 应管式以及i g b t 式。 传统的弧焊电源用工频传输电能，弧焊逆变器采用的是几千至几万h z 的中 频。制作变压器的用料多少与工作频率成反比，并且工作频率的提高还可以减少 制作滤波电感的用料。因此弧焊逆变器的质量仅为传统电源的1 5 1 1 0 ，体积减 少至1 3 左右。 1 4 工作内容 综上可知，有多种方法可以实现对薄板的焊接。必须对可行的工艺方法进行 对比、筛选，选择最优方案予以实施。研究的目的在于通过焊接工艺试验制定一 套可行的焊接规范，并在此基础上研制能够胜任产品生产的控制系统。通过多路 传感器采集焊接速度信号，以此为依据确定焊接电流输出特性以及电流脉冲频率 各项参数，并使它们能够实时匹配。将控制系统的脉冲输出作为焊机焊接电流脉 冲输出的控制信号，使焊机电流输出电流具有负脉冲特性，以保证焊接时电弧的 稳定性，解决铝材表面的氧化膜对焊接过程中的不利影响，确保在保证焊接质量 的基础上使焊接过程能够顺利进行。拟开展以下几个方面的工作： 1 分析薄铝板焊接的工艺性能，制定可行的焊接方案 2 完成对焊接速度的信号采集，构建以多路传感器为支撑的信号采集系统， 以提高系统的稳定裕度。确保实时、准确的将焊接速度信号进行采集。 3 设计一套单片机为核心的控制系统，依据实际生产中的经验数据，确定 焊接速度、焊接电流以及脉冲各项参数之间的匹配关系，拟合方程并运用到控制 软件中，实现三者的自动匹配在控制系统中完成对各路传感器采集来的信号进行 转化、变换，利用多信息融合技术实现信息的融合处理。 4 第一章绪论 4 实现人机交互，能够在操作界面上对各项参数进行修改、设置，能实时 显示生产过程设备状态及工艺参数。 1 5 研究意义 随着我国科技和经济的迅速发展，铝质薄板和超薄型材料的应用越来越广 泛。焊接质量的优劣决定了产品的最终性能。焊接过程自动化控制能够减少人为 因素对生产过程的影响，并能够抑制外界干扰的不利影响。将各相关传感器采集 的信号运用多信息融合技术进行处理，有助于信号的保真、精确。焊接过程中利 用电弧中粒子对氧化膜的冲击作用达到金属表面的清理，可避免用化学方法清理 铝材表面带来的费时、费力、成本增加。因此研究薄板高速焊接过程的自动控制， 尤其是实现焊接过程中焊接电流、焊接速度和轧纹速度的实时匹配，保证焊接过 程热输入稳定，对提高外导体焊接质量和生产效率、降低生产成本具有重要的实 际应用意义。 5 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 2 1 射频同轴电缆 现代无线通信网络的工作频率一般很高，因此对通信网络中使用的射频同轴 电缆性能( 高频下的衰减、电压驻波率、机械物理性能等) 要求也很高【2 1 1 。经过 不断的发展演变，现代通信网络中大多应用物理发泡射频同轴电缆。它的内导体 采用无氧铜质线材，有很低的导体衰减。发泡绝缘层是由聚乙烯材料和少量成核 剂混合经物理发泡工序形成的发泡密度在7 5 8 0 之间的一层绝缘层。外导体 是由薄金属带( 厚度为0 2 o 4 m m ) 经切边、卷管成型、焊接、定径形成的符合 一定直径要求的金属管。图2 - 1 为射频同轴电缆结构示意图： 内 图2 1 射频同轴电缆结构 层 射频同轴电缆对信号的衰减首先来源于材质问题。构成射频同轴电缆的内导 体、外导体以及发泡绝缘层都对其衰减有影响。在3 g 以下频段，金属衰减所占 比例远大于介质衰减所占比例。亦即内外导体的材料性能对电缆衰减影响更大， 因此要考虑信号传输过程中的集肤效应、邻近效应。不考虑移相、驻波的条件下， 其衰减常数由金属衰减和介质衰减两部分组成。用公式可表示为： 口2 屠+ 质2 了r 、工c + i g 石 fl 6 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 一4 f x t ；o x206x10-缶(kp。ikel+kp2dktr2)+91。厂(石t锄如l呐lo g 竺 dd 吖、y 叼一。 口 其中属为金属衰减；质为介质衰减；厂是信号的传输频率；是绝缘 的等效介电常数；以指的是绝缘的等效介质损耗角；d 为绝缘等效外径；d 为 内导体等效外径。k 。和k 。，分别为内外导体材料与标准软铜不同时的电阻增大 系数；k 。是导体的电阻率p 与国际标准软铜的电阻率p 。的比值；k ，和k 。：分别 表示内、外导体为皱纹管时相对于光滑管时的增大系数。 对应于一定材质可确定公式中所涉及到的所有参数值，通过理论计算可知金 属衰减在电缆总衰减中占得比重很大。总体而言，影响电缆衰减的主要因素是电 缆波峰、波谷的尺寸以及波峰到波谷中的倾角大小。更直观的说就是在不考虑反 射的情况下外导体的表面电阻对电缆的金属衰减起决定性作用。这样我们就得到 这样的结论：在各种可能的影响因素中，外导体的物理结构对电缆衰减性能起着 至关重要的作用，需要在生产过程中精确控制其成型情况。 2 2 铝外导体高速焊接工艺分析 对于这样薄的金属板对接，一般推荐采用卷边接头。但由于产品结构较为特 殊，并且为保证生产效率需要在自动生产线上进行装焊，所以此种焊接方法并不 可行。经对比发现对接接头是一种可行的焊接方法。 电缆结构特殊性表现在两个方面。首先，电缆生产对长度有要求，每根电缆 的长度一般在5 0 0 米以上，中间不允许出现接头。这就要求对接焊缝长度在电缆 长度要求的范围内不允许有质量问题，生产线在运行过程中必须平稳可靠。再有 就是在外导体焊接后要进行表面波纹的轧制，这就要求焊缝必须有一定的机械强 度，保证轧纹期间无开裂现象。铝材本身就属于较为难焊接的金属之一，而且工 件壁厚很薄、需要高速乃至超高速焊接使得技术难度很大，需要仔细研究铝的物 理化学性能以及其焊接成型过程，制定合理的焊接规范才能保证可靠地焊接质 量。 2 2 1 铝焊接特殊性 和低碳钢相比，纯铝的膨胀系数，导热系数，熔化潜热和热容量都比较大。 铝的熔点为6 7 5 c ，1 3 = 2 7 2 9 c m 3 ，纯铝无同素异构变化，不能用热处理来改变性 7 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 能。对杂质很敏感，即便存在很少量的铁或者硅都容易在晶界上生成复杂化合物 或者共晶体，严重影响耐蚀性。由于铝及铝合金独特的物理化学性能，在焊接过 程中会遇到一系列问题，概括如下【2 2 】： 1 铝的氧化性 铝化学性质活泼，暴露在空气中极易氧化成厚度为o 1 0 2um 难熔的硬膜 形态的a 1 2 0 3 。它的熔点高达2 0 5 0 ，p = 3 8 5 9 e r a 3 。氧化铝能对机体内部能起 到保护作用，这也是铝具有耐蚀性的重要原因。焊缝区域处于高温环境，铝的氧 化特别剧烈。氧化物一方面妨碍熔池内液体金属的正常流动，另一方面因其比重 大于液体铝而下降形成夹渣，损害焊缝金属的耐蚀性，熔合面上若生成氧化膜就 会隔断工件与焊缝金属熔融，无法焊接。 2 烧穿和未熔合 铝的导热性和导电性约为低碳钢的5 倍，因而热损失较大。另外，纯铝的热 容量大，熔化潜热大，焊接时需要更高的线能量，需大功率或者能量集中的热源， 并且需要预热。 烧穿是指部分熔化金属从坡口背面流出，形成穿孔的缺陷。产生烧穿的原因 主要是焊接电流过大、焊速过慢或者电弧在某处停留时间过长以及装配间隙过大 等。烧穿的产生与熔池受力状态密切相关，如图2 2 所示，薄金属板平焊时熔池 主要承受的力有：熔融金属的重力，取决于熔池金属的多少；电弧吹力，主要由 电流大小决定：熔池金属表面张力，除与金属种类有关外，还与熔池表面状态有 关。另外，固液体金属的附着力和液体金属内部的内聚力都是保持熔池的内力， 但是相对较小，对烧穿的影响可忽略不计。 图2 2 平焊时熔池金属的受力情况 重力和电弧吹力是促使熔池塌陷或使之烧穿的力，而表面张力是阻止熔池塌 陷或者烧穿的力。如果这三个力不能平衡，液体金属会被拉断而出现烧穿。为了 使薄件焊缝不致烧穿，应提高熔池的表面张力，降低其它力的作用，即减少热量 积累而造成熔池液态金属量的增加，尽量较小焊接电流和热输入。 未熔合是指焊道与母材或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分，它减弱了 焊缝工作截面，造成严重的应力集中，大大降低接头强度。形成原因是工件表面 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 没有很好的清除氧化膜、油污等污染物，或者在焊接时该处流入熔渣。 薄铝板焊接时，由于其导热性和散热条件良好，焊接热量迅速地从加热区域 传导出去使焊缝难以熔合，不能形成完整、连续的焊缝，因此需要大功率或者能 量密度集中的热源。此外，薄板对热输入极其敏感，很容易发生烧穿现象。总之， 在薄铝板焊接时热输入量的控制要求严格，参数适用范围窄，需要严格控制、精 心调整各项参数，以获得良好的焊接质量。 3 焊接变形 焊接变形是薄板焊接中另外一个关键问题，焊接过程是局部加热和冷却的过 程，在焊接热的作用下，材料受到不均匀的加热和冷却，各部分的应力状态也各 不相同。薄板自身的拘束度较小，焊接时的变形程度相对较大。铝的热膨胀系数 大，热传导能力强使得其变形控制有一定难度。 4 无色泽变化，操作者判断困难 铝焊接过程中由固态转变为液态时，没有显著的颜色变化，焊接操作时不易 据此进行判断。 综上所述，薄板焊接适应着重注意：严格控制焊接热输入量，在能保证焊接 质量的前提下尽量用小的线能量施焊，以便减小热影响区，减小焊接热循环过程 中带来的一系列的问题。 解决焊接变形的主要措施有以下几点： 1 严格控制焊缝的热输入量，选择合适的焊接方法和焊接工艺参数( 焊接 电流、电弧电压、焊接速度) ； 2 装配尺寸力求精确，装配间隙应尽量小； 3 选用高品质夹具，夹紧力平衡均匀； 2 2 2 同轴电缆铝外导体现行生产概况 同轴电缆的生产已经全面实现了机械化，目前各生产厂商正在逐步提高其自 动化水平。希望在射频同轴电缆生产线上能够使金属带剪边、卷管、装焊、轧纹 以及后续的收线绕轴等工序协调进行，同步完成。一般只需在开机前根据所生产 产品的具体工艺人工设定某些参数值，一旦生产线开始运行即可利用控制系统实 现自动生产。手动参数配置提高了生产线的灵活性和对生产的适应能力，可以使 一条生产线兼容多种规格、型号电缆的生产。生产线的高自动化水平一方面可以 减少人为操作带来的误差，利用闭环控制系统能实时准确地将输出值稳定在要求 的范围内，还能大幅提高生产效率，实现可观的经济效益。 成卷的金属带放送后要经剪边、压平等操作才能实施卷管、焊接。剪边修整 一方面是为了得到准确的外导体直径，另一方面是为了使得金属带边缘平齐，保 9 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 证卷管后装配间隙均匀以便顺利施焊。焊接时薄铝带受热熔化后形成熔池，液体 金属强度很低，难以支撑其自身重量，会形成塌陷或者变形。卷管操作时应考虑 到焊接对管型的要求，可采用反变形法将卷制的金属管设计成略微向外翘起的形 式，焊接时熔池塌陷的影响与凸出部分相抵消，形成较为规则的圆形截面。焊接 前后铝导体截面形状可用图2 3 示意表示。由于薄板焊接熔池凝固时间很短，焊 缝形状控制比较困难且熔融金属所受力比较复杂，因此金属管不可能为特别规则 的圆形，但必须保证在可接受的范围内成型。 1 2 图2 3 铝外导体卷成型后截而形状( i ) 和焊接后截面形状( 2 ) 对比 2 2 3 铝外导体焊接技术探究及工艺方案制定 第一章中已经谈到铝及铝合金的焊接有多种方法，综合考虑生产成本和技术 要求决定采用t i g 焊。铝及铝合金的t i g 焊，也称钨极惰性气体保护焊( g t a w ) 。 在焊接过程中，安装在电极上的纯钨或活化钨电极，实际上是一个非熔化性的电 极，在这个电极和母材之间，形成交流或者直流电弧。利用电弧产生的大量热量 将待焊金属熔化，将分离的部件连接在一起，从而获得永久性的接头。电极以及 焊缝在由安装在电极夹上的喷嘴喷出的惰性气体屏蔽保护【2 3 1 。 在t i g 焊接方法中又有很多分类，包括交流焊，直流焊以及脉冲焊。即便 同为直流焊接又有正接和反接的区别。t i g 焊时，焊接电弧正、负极的导电和产 热机构与电极材料的热物理性能有密切关系，从而对焊接工艺有显著影响。下边 就各种方法予以讨论选择可行的焊接方法并制定实用的工艺规范。 1 直流t i g 焊 直流t i g 焊时，电流极性不发生变化，电弧连续且比较稳定。按照工件与 电源连接方法的不同，又有直流正接法和直流反接法之分。 直流正接法焊接时，焊件接电源正极，钨极接电源负极。由于钨极熔点很高， 热发射能力强，电弧中带电粒子绝大部分是丛钨极上以热发射的形式产生的电 子。这些电子撞击作为负极的焊件，释放出全部动能和位能，产生大量的热量使 l o 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 工件温度迅速升高，从而形成深而窄的焊缝。此接法生产效率高，焊件收缩应力 和变形较小。此外，由于钨极接受正离子撞击时释放的能量较少，钨极在发射电 子时需要耗费大量的逸出功，因此钨极上的产热并不多，不易因过热而造成烧损。 除此之外，由于钨极热发射能力强，采用小电流焊接时可采用小直径电极，使电 流密度增大，提高电弧稳定性。 直流反极性焊接时，工件与电源负极相连，钨极与电源正极相连。与钨极相 比焊件的熔点低、电子发射比较困难，一般只能依靠表面阴极斑点处发射电子。 阴极斑点总是出现在电子逸出功较低的氧化膜处。当阴极斑点受到从弧柱中来的 正离子流的撞击时，温度会急剧升高，氧化膜在极短的时间内被汽化破碎，露出 纯净的母材金属，这就是常说的阴极雾化作用【2 4 1 。由于母材金属的电子发射能力 低，阴极斑点会自动转向附近有氧化膜的地方。如此，工件表面的氧化膜不断被 击碎，焊接过程可以顺利进行。 直流反极性时钨极处于正极，t i g 焊阳极产热比阴极多，大量电子撞击钨极， 产生大量热，钨极会因为过热熔化导致烧损。 2 交流t i g 焊 交流 r i g 焊时，电流每半个周期过一次零点，转变一次极性。因而继承了 直流正极性焊接和直流反极性焊接的优点。在电流负半波范围内，焊件作为阴极， 在“阴极雾化”作用下表面氧化膜被清理掉。正半波时，工件作为阳极产热较多 可以保证充足的焊接热输入。对钨极而言，一方面产热较少可得到一定程度的冷 却，烧损较轻；另一方面，钨极发射电子容易，有助于电弧稳定。 交流焊接亦有其不利的某些因素。在工频条件下电弧电流每秒1 0 0 次经过零 点。交流电流经过零点时电弧熄灭，弧柱温度下降，促使电弧空间带电粒子复合， 周围空间的电离度也跟着下降。尤其在工件作为阴极的半波范围内，电子发射能 力低，电流过零点后再复燃比较困难。由于焊件以及电弧弧柱的电、热物理性能 以及几何尺寸方面存在差异，造成电弧电流在正负半波内电弧导电能力有所差 别，使得焊接回路中正负半波电流的不对称，导致电路中存在直流分量。正半周 期时，因为钨的熔点高，可加热到很高的温度，同时钨的热传导率低，尺寸小， 热散失条件差，有利于钨极电子热发射，因此弧柱导电性好，电弧电流大电压低。 在负半周期( 工件接电源负极) ，情况恰好相反。工件的熔点较低，尺寸一般较 大，散热条件好，不容易被加热到很高的温度。因此不利于电子的热发射，因而 电弧电流小而电压高。除此之外，正负半波周期的导电时间也不对称。 为解决这些问题必须采取一些措施，以保证焊接过程的稳定性。 3 脉冲t i g 焊 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 脉冲t i g 焊与一般t i g 焊接方法相比有如下特点：它以较小的基值电流维 持电弧燃烧，用可控的脉冲电流来加热工件。焊接回路中每产生一个电流脉冲， 工件上即产生一个点状熔池，脉冲间歇期间熔池冷却结晶。只要合理调节相关参 数值让相邻点状熔池有一定重叠即可保证焊缝的气密性。 脉冲t i g 焊接的优点显著，主要表现在：电弧压力大，挺直性好，可明显 改善电弧的稳定性、可控制对母材的热输入及焊缝成型情况、焊缝组织及外观成 型可通过脉冲电流对熔池的搅拌作用得到改善以及热裂纹倾向小、热输入较低可 焊接薄板或者超薄板等优点。 现行使用的脉冲焊接电源以方波电源居多，其波形图可用图2 - 4 表示： u 图2 - 4 普通脉冲电源输出波形 t 这种波形输出亦不能解决氧化膜问题，它只是比较好的解决了焊接过程的热 输入改善了焊缝成型，降低了烧穿的可能性。 已经知道直流反极性焊接时钨极烧损严重，要能保证顺利焊接必须加大钨极 直径。钨极直径加大后会使能量密度降低。然而外导体很薄，要求对接焊缝比较 窄，加大钨极直径后必须在较大的热输入下才能使金属熔化形成熔池，这种情况 下金属管内的发泡物质容易受热变质。鉴于此种考虑，没有使用此种方案。确定 具体的焊接工艺之前，对t i g 直流正接法进行了焊接试验，结果表明直流正接 法虽然能够实现在小电流下引弧并能充分熔化焊缝金属，但是电弧不具有阴极雾 化能力，难熔的氧化铝不但干扰焊接过程使电弧不稳定，焊接速度提高时会发生 电弧跳动，还有可能在机体上产生内部缺陷。经检验发现焊接后的铝管表面某些 区域有黑色灼烧斑点，怀疑此处可能存在某些内部缺陷。为进一步了解管件焊缝 情况，观察了外观存在缺陷处的金相组织。 将金属管纵向剖开后矫正成平板状，在有外观缺陷处取样做成金相试块。金 相试块制作时应保证可观察面是缺陷部位的横截面。铝的硬度较低，在磨制金相 试样时应注意最后一道选用1 0 0 0 号以上的砂纸，确保磨制之后金属表面划痕较 浅以便于后续抛光。抛光时要选用比较柔软的抛光布，并添加粒度较细的研磨膏 进行较长时间抛光。试验中首先用8 0 0 号砂纸粗磨，然后用1 2 0 0 号砂纸精磨。 腐蚀介质选择的是混合酸溶液，腐蚀时间为一分钟。 1 2 第二章射频同轴电箍厦其铝蚪导体高速焊接工艺研究 2 00p m 田2 - 5 埠缝的开裂与飞溅粘着 图2 - 5 中( 1 ) 是焊缝部位放大2 0 0 倍时的金相照片，可以观察到接头部位 比正常板厚要薄一半甚至更多。焊缝部位已有开裂并且焊缝表面成型质量很差。 焊缝背面有一块粘附在母材上的金属飞溅。图2 - 5 中的( 2 ) 、( 3 ) 两幅是将放大 倍数提高到了5 0 0 倍此时焊接缺陷尤为清晰。焊缝的正反两面部有裂纹出现， 正面开裂更为严重焊缝背面附近的依并 金属与母材并未焊合可判断为焊接过 1j1 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 程中产生的金属飞溅。很明显，这样的焊接接头质量差、强度低。在后续的轧纹 过程中很容易开裂，导致产品的报废。 圉2 - 6 焊缝区域的显微缺陷5 0 0 倍放大 图2 - 6 是放大倍数为5 0 0 倍时的金相照片。第一幅图中可以清楚的看到焊接 母材与焊缝区域的交界线，第一幅图的在熔合线上和第二幅的表面附近各存在一 个圆形的孔洞，判断为气孔。其成因可能是因为焊接过程中电弧不够稳定，有气 体侵入液体金属。焊件很薄，散热能力很强，冷却速度快，没等气泡逸出便结晶 凝同。存在的另外一个问题是在焊缝上还各有一块黑色物质，判断应为焊接过程 中产生的夹杂物。继续加大放大倍数至1 0 0 0 被可以更加清楚地观察图2 - 6 中所 显示的缺陷。 第二章射频同轴电缆厦其铝外导体高速焊接工艺研究 图2 7 焊缝区域的显微缺陷1 0 0 0 倍放大 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 制作金相试样所用的材料是很薄的金属板，而且所观察的金相也只局限于铝 管的选定的横截面方向。在诸多限制条件下观测到了缺陷的存在，按照概率论知 识可以推算这种夹杂物和气孔在铝管中的量并不少。这些缺陷虽并未导致电缆外 导体焊接后立即失效，但是势必会给产品埋下隐患。夹杂物和气孔的存在会降低 波铝板的导电能力和抗腐蚀能力，影响产品寿命和信号传输质量。 总结上述理论分析与试验证实可知采用直流正接法能保证较大的热输入，钨 极不容易过热，可以在提高焊接电流的同时增大焊接速度以提高生产效率。然而 速度的提高经常导致电弧不稳定。解决方法可让焊接电流有负半波，产生阴极雾 化作用将铝带表面的氧化膜破坏掉，提高焊接过程稳定性。 在研究过程中决定采用t i g 焊接方法实施焊接，但其电流输出波形与以往 的脉冲电源波形有所创新，传统脉冲电源只是采用了基值加峰值的方式实现了对 焊接热输入的控制，在对氧化膜干扰方面显得无能为力。为了解决钨极过热烧损 与工件表面氧化膜对焊接过程影响两者之间的矛盾，决定将焊接电流调整为带负 脉冲的形式。其波形图可以用图2 8 表示： u 图2 8 带负脉冲的t i g 焊焊接电流 这种电流波形具备了焊接铝质工件所需要的电流特征。正半波范围内具有传 统脉冲电源的基值和峰值特性，可以对焊接热输入进行比较准确的控制，另外在 负半波有持续时间很短的电流作用，起到消除氧化膜和稳定电弧的作用。应用时 只需对这种电流波形参数进行设定即可达到理想的焊接效果。设计预想是要求系 统能够对此电流波形的正半波基值、峰值、占空比以及频率可调，以便达到对热 输入的可靠调节。焊接过程中电弧区域的温度很高，很短时间的负电压即可使正 离子得到足够的能量撞击工件产生阴极雾化作用将氧化膜破除掉。因此将负脉冲 的幅值以及持续时间固定，系统的占空比通过调整正半波参数调整。 按现场经验数据可归纳出焊接电流与焊接速度之间关系，可以表述为： i = 如+ b ，式中i 为焊接电流，v 为焊接速度，b 为维弧电流。系统设计过程中 得很重要一项工作就是将此关系式运用到闭环控制中，使焊接电流可以与焊接速 度随动。 1 6 第二章射频同轴电缆及其铝外导体高速焊接工艺研究 结合电缆生产的工艺要求和可行的设备配置决定采用钨极氩弧自动焊。焊接 时用牵引系统拖动金属带移动，焊枪固定装卡实施焊接。接头形式为纵缝对接。 焊接电源选用以i g b t 作为开关器件的专用焊机，其脉冲触发源和对幅值的控制 信号来自本工作中所研制的控制系统。用纯度9 9 9 0 的氩气对焊接区域实施保 护。采用专门的焊接夹具，钨极选用直径为1 6 m m 的铈钨极。 2 3 本章总结 本章在铝焊接理论的指导下结合实际的生产经验，经过对以往产品的失效分 析后，确定了射频同轴电缆铝外导体具体的焊接方法，选定了焊接设备，并明确 了焊接电流与焊接速度之间关系。下一步工作是设计合适的控制系，使其能够为 焊机提供一定频率的负脉冲触发信号，将所选焊机的自身优势与脉冲焊的长处相 结合，使焊接过程更加稳定，以确保焊缝质量。另外需要使焊接过程中牵引速度 ( 焊接速度) 变化时焊接电流能够与之实时匹配，保证合适的热输入和理想的焊 接效果。 1 7 第j 章铝外导体高速焊接控制系统设计 第三章铝外导体高速焊接控制系统设计 本章是在第二章的工作基础上进行的系统构建及所用器件的相关硬件配置。 薄铝带焊接时需要设定和显示的参数比较多，本章所设计的控制系统应能够实现 参数的写入和实时参数的显示。实际生产过程中可能遇到的情况比较复杂，如何 提高生产线的自动化水平，在生产过程中实现实时准确的闭环控制，达到理想的 输出效果，保证整条生产线的平稳安全运行是本章的工作目的。按照此设计原则， 构建了以c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心的控制系统，目的是为了能够将多路信号在单片机 内实现信息融合处理。采用基于m a x 7 2 1 9 和数码管的显示系统实现参数的显示。 为简化操作，系统中采用了按键式写入方式完成对某些参数的设定。 3 1 控制系统总体框架概述 前边已经确定了采用电流带负脉冲的焊接工艺，在保证充足热输入的情况下 使线能量尽可能的小，并克服铝带表面氧化物的影响。冈此所设计的系统还要能 够对包括脉冲频率、占空比、脉冲幅值脉冲在内的参数进行设定。该控制系统能 够对采自传感器的信号实现变换并按照焊接工艺需要完成相应的计算。其中如何 根据焊接速度的大小确定焊接电流值，并使焊接电流和轧纹转速能够与焊接速度 随动是关键是工作的重点。按照实际经验数据找出焊接速度、焊接电流之间匹配 关系并将之运用到程序中实现自动跟随是后续软件编写的重要工作。 根据皱纹管外导体生产实际需要，设计了铝外导体焊接控制系统，系统结构 总体框架和控制电路板实物图分别为图3 - 1 和图3 2 。 实际生产中生产线连续工作时间较长，有时甚至二十四小时不问断工作。如 果采用单一传感器进行信号采集，一旦工作过程中受损发生故障将直接导致生产 的被迫停止。除此之外，采用某一种类型的传感器难以解决其自身结构带来的误 差。因此，系统中采用了三路传感器对牵引速度( 焊接速度) 进行信号采集，增 大了系统的可靠性裕度。在后续的信号处理阶段采用信息融合技术，将三路信号 有机的结合起来，使控