（材料加工工程专业论文）专用多点电阻焊设备结构设计及参数控制研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 专用多点电阻焊设备结构设计及参数控制研究 材料加工工程 李茂 周好斌 ( 签名) ( 签名) 摘要 电阻点焊是一种高效率的焊接方法，其原理是通过电极对工件施加压力，利用电流 流过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接。 论文以袋笼状钢筋网工件生产的专用多点电阻焊设备为研究对象，重点进行了该专 用多点电阻焊设备的结构设计及参数控制研究，具体内容包括设备机械装置、电源系统 及控制系统的完整设计，其中设备采用气压传动实现电极送进和提供焊接压力，单相 3 8 0 v 供电，次级采用分时导通控制的晶闸管整流结构以解决多点焊的均流问题，p l c 完 成自动焊接过程动作和时序控制，p i c l 6 f 7 4 单片机为稳压控制模块核心以实现网路电压 补偿功能：设备本身焊接点数可调( 1 2 点、2 4 点) 、焊接规范可调。 论文研制的焊机经过系统设计、组装调试及生产试用，结果表明焊机机械结构设计 合理；气动控制和焊接控制系统可由p l c 准确控制，能满足该工件连续多点焊技术要求； 网压补偿模块保证电压在很小的范围内波动，保证焊接质量。设备机械部分简单牢固稳 定，电气硬件系统抗干扰能力强：软件系统能满足多种焊接参数控制及焊接技术要求。 大大提高该工件品的生产效率、保证生产质量、显著提高生产的安全性和可操作性。 关键词：多点电阻焊；p l c ；单片机；网压补偿 论文类型；应用研究 英文摘要 s u m e c t ：s t r u c t u r a ld e s i g na n d p a r a m e t e rc o n t r o ls t u d yo f t h es p e c i a l - p u r p o s em u l t i - s p o t sr e s i s t a n c ew e l d i n ge q u i p m e n t s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：l im a o ( s i g n a t u r e ) 厶应l 盆丘 1 n s t r u e t o r ：z h o uh a ob i n ( s i g n a t u r eu 缸址枇 a b s i r a c t t h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi sak i n do f l l i 曲e f f i c i e n c yw e l d i n gm e t h o d i t sp r i n c i p l ei s e x e r t i n gp r e s s u r et ot h ew o r kp i e c et h r o u g ht h ee l e c t r o d e ，u s i n gt h eh e a tg e n e r a t e dw h e nt h e c u r r e n tf l o wt h ec o n t a c tf a c ea n dn e i g h b o rr e g i o no f w o r kp i e c ea n de l e c t r o d e t h i sp a p e rt a k e st h es p e c i a l - p u r p o s em u l t i - s p o tr e s i s t a n c ew e l d i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi st o b eu s e dt ow e l do n ek i n do fb a g - c a g es h a p es t e e lw i r en e tw o r kp i e c e ，a st h er e s e a r c ho b j e c t , l a y se m p h a s i so i lt h er e s e a r c ho ft h es t r u c t u r a ld e s i g na n dt h ep a r a m e t e rc o n t r o lo ft h i s s p e c i a l - p u r p o s em u l t i s p o tr e s i s t a n c ew e l d i n ge q u i p m e n t t h ec o n t e n ti n c l u d e st h ee q u i p m e n t m e c h a n i s m , t h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e mi n t e g r i t yd e s i g n e q u i p m e n t u s e st h ep n e u m a t i ca c u t a t o rt od e l i v e re l e c t r o d ea n dp r o v i d et h ew e l d i n gp r e s s u r e ，t h e s i n g l e - p h a s e 3 8 0 vp o w e rs u p p l y , a n ds e c o n d a r yu s e st l l y n s t o rr e c t i f i c a t i o n s t r u c t u r e c o n t r o l l e db yt i m eb a r i n gc o n d u c t i n gt os o l v et h ep r o b l e ma b o u th o m o g e n e o u sc u r r e n to ft h e m u l t i - s p o tw e l d i n g p l cc o m p l e t e st h ea u t o m a t i cw e l d i n gp r o c e s sa n dt h et i m es e q u e n c i n g c o n t r o l ，a n dt h ep i c l 6 f 7 4s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rs e t v e sa st h ec o n t r o lm o d u l ec o r eo f r e g u l a t e dv o l t a g ew h i c hr e a l i z e st h ef u n c t i o no fn e t w o r kv o l t a g ec o m p e n s a t i o n t h ew e l d i n g p o i n t s ( 1 2 ，2 4 ) a n dt h ew e l d i n g s t a n d a r do f t b ee q u i p m e n tc a l lb ea d j u s t e d t h ew e l d i n gm a c h i n ed e v e l o p e di i lt h i sp a p e ri sp a s s e db yt h es y s t e md e s i g n , t h e a s s e m b l yd e b u g g i n ga n dp r o d u c t i o n t e s t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h ew e l d i n gm a c h i n e m e c h a n i s md e s i g ni sr e a s o n a b l e ，t h ep n e u m a t i cc o n t r o la n dt h ew e l d i n gc o n t r o ls y s t e mc a nb e a c c u r a t e l yc o n t r o l l e db yt h ep l c ，i ti sa b l et os a r i s f yt h i sw o r kp i e c ec o n t i n u o u sm u l t i - s p o t w e l d i n gs p e c i f i c a t i o n ，t h em o d u l eu s i n gf o rn e t w o r kv o l t a g ec o m p e n s a t i o nt a l lg u a r a n t e e v o l t a g ef l u c t u a t i n gw i t h i nav e r ys m a l ls c o p ea n dg u a r a n t e ew e l d i n gq u a f i t y t h em a c h i n ep a r t o fe q u i p m e n ti ss i m p l e ，r e l i a b l ea n ds t a b l e ，a n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h ee l e c t r i c a lh a r d w a r e s y s t e mi ss t r o n ga n dt h es o r w a r es y s t e mt a ns a t i s f yt h em a n yk i n d so fw e l d i n gp a r a m e t e r s c o n t r o la n dt h ew e l d i n gs p e c i f i c a t i o n t h ee q u i p m e n tg r e a t l ye n h a n c e st h i sw o r kp i e c e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , g u a r a n t e e sp r o d u c t i o nq u a l i t y , a n dr e m a r k a b l yp r o m o t e sp r o d u c ts a f e t y a n do p e m t i o n a l i t y k e y w o r d s ：t h em u l t i - s p o tr e s i s t a n c ew e l d i n g ，p l c ，s 缸g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，v o l t a g e c o m p e n s a t i o n t h e s i s ：a p p h e a t i o ns t u d y 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：生 日期：盈珲绎- i 司目 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公 开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：缉、 张野咄 日期：迎缉盂臼! i 目 日期：尘司：= j 厂 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电阻焊技术概述 1 1 1 电阻焊的特点 将准备连接的工件置于两电极之间加 压，并对焊接处通以电流，利用工件电阻产 生热量加热并形成局部熔化( 或达塑性状 3 态) ，断电后，在压力的持续作用下，形成牢 固接头。这种工艺过程称为电阻焊【l j 。 电阻焊有如下两个显著的特点： 4 ( 1 ) 采用内部热源，利用电流通过焊接 区的电阻产生的热量进行加热。 ff 图l - i 电阻焊原理图 ( 2 ) 必须施加压力，在压力作用下，通 l 一变压器2 _ 电极3 一扳件4 一熔化核心 电加热、冷却，形成接头。 要获得适当的电阻热，必须有外加电源，并始终在压力作用下进行焊接。所以，焊 接电流和电极压力是形成电阻焊的基本条件。 1 1 2 电阻焊的分类 图1 - 2 电阻焊分类 电阻焊焊接方法种类繁多，如图1 2 所示【1 1 ，点焊作为电阻焊的一个应用分支，应最 为广泛，点焊是一种高速、经济的连接方法。 1 冬广己 9 芦茜 西安石油大学硕士学位论文 电阻点焊焊接原理：焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及 邻近区域产生的电阻热熔化母材金属形成焊点的方法称为点焊。 瑗羽日渭l 焊按时闺缝持时闻休i t 时闺 h e a ts e n e r a t l o n ( q ) - c u r r e n t ( d i r a s i s t a n c e ( r ) t 自m a ( t ) 图l - 3 点焊过程示意图 点焊焊接循环由四个基本阶段( 如图1 3 所示点焊过程) ： ( i ) 预压阶段：电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压 力。 ( 2 ) 焊接时间：焊接电流通过工件，产热形成熔核。 ( 3 ) 维持时间：切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。 ( 4 ) 休止时间：电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。 1 1 3 电阻焊的优缺点 电阻焊是一种焊接质量稳定，生产效率高，易于实现机械化、自动化的焊接方法， 因此自1 9 世纪末问世以来得到了迅速发展。广泛地用于航空、航天、汽车车辆、轻工家 电等行业。特别是近年来，随着汽车工业等现代化大批量生产企业的不断增加，电阻焊 方法在整个焊接领域中的比例也在增加，而且其应用领域也在不断扩大。 ( 1 ) 与同样用于组装的铆接或其它焊接方法相比，电阻焊的优点为【l 】： 1 ) 因是内部热源，热量集中，加热时间短促，在焊点形成过程中始终被塑性环包围， 故电阻焊冶金过程简单，热量影响区小，变形小，易于获得质量较好的焊接接头。如铝 制地铁车厢体及房屋构架、汽车车身的焊接等。 2 ) 与铆接相比，重量轻、结构简化，易于得到形状复杂的零件。减轻结构重量不但 节省金属，还能改进结构的承载性能，减少动力消耗，提高运行速度。如高速铁路车辆、 导弹、飞行器、船舶等对结构重量控制甚为严格。 3 ) 电阻焊因机械化、自动化程度高，可提高生产率，改善工作条件。与手工铆接相 比，采用点焊可以节省工时5 6 以上，与成组压铆相比也可以节省一半以上的工时。 4 ) 表面质量较好，易于保证气密，采用点焊或缝焊装配，可获得较好的表面质量， 避免金属表面损伤。 2 第一章绪论 ( 2 ) 尽管电阻焊有很多优点，但仍存在以下问题i l 】： 1 ) 由于电阻焊的加热是采用内部热源焦耳热，凡影响电阻大小、电流波动的因 素均会造成热量波动，使得焊接质量不稳定。因而可靠的无损检验方法已成为确定焊接 接头质量的关键，目前国内外一些重要受力构件之所以不能采用电阻焊装配即与此有关。 2 ) 电阻焊机械化、自动化程度较高，相对与一般熔焊设备要复杂，维修也困难。由 于电压低( 几伏) 、电流大( 达十几千安培) ，要求电源功率大( 有的达1 0 0 旰伏安以上) ， 因而一般馈电网负荷困难。 3 ) 焊件的材料、厚度、尺寸及形状受焊机功率、机臂尺寸与结构形状的限制，故对 于一些封闭型、半封闭型结构或因焊件的材料而不易采用电阻焊的设备时，则需定制专 用设备。 1 2 国内外电阻焊的发展状况 焊接作为现代金属加工中最重要的方法之一，已为世人所瞩目。据不完全统计，全 世界年产4 5 左右的钢和大量的非铁金属( 如c u 、a i 、t i 等) 以及部分非金属( 如塑料等) 都 是通过焊接加工成为构件而付诸使用的【2 】。焊接设备素有“工业缝纫机”之称，是国民经 济发展必不可少的重要设备。 电阻焊技术作为焊接学科的一个重要组成部分，随着新材料、新技术、微机技术和 电力电子技术的不断进步，电阻焊技术出现了前所未有的发展。新一代电阻焊设备不断 涌现，如点焊机器人的诞生、多功能高精度微机自适应控制器的面市、逆变技术和柔性 焊接技术在电阻焊设备上的推广，使得电阻焊机不仅在传统的汽车应用领域独领风骚， 而且还挤身于高科技以及更广泛的应用领域，成为国民经济中不可缺少的、生产效率极 高的一种生产设备。 1 2 1 电阻焊机的发展现状 电阻焊具有较高的生产效率，焊接质量易于控制，易实现生产机械化和自动化，在 大规模的自动生产线中得到了极其广泛的应用。在电阻焊设备中，点焊机的应用范围最 广，缝焊机和对焊机相对较小，专用电阻焊机所占比例就更小一些【4 1 。以电阻点焊机为 例，其发展经历了工频交流、直流脉冲、三相低频、二次整流以及电容储能点焊机的过 程。2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机技术和电力电子技术的发展，发达国家还先后推出 了逆变式电阻焊机和柔性化的电阻焊成套设备，促进了电阻焊设备的自动化、智能化的 进一步发展。 国外逆变电阻焊机的研究比较成熟，商品化程度发展较快【5 】。自2 0 世纪8 0 年代中期 逆变点焊机问市以来，日本、美国等发达国家就先后推出了逆变式电阻焊机产品，用于 汽车、家电、电子行业，建立起以逆变点焊机器人为主的汽车生产线，使逆变式电阻焊 机进入实际应用阶段。逆变技术应用于点焊机器人，使焊钳和焊接变压器一体化，焊接 3 西安石油大学硕士学位论文 变压器的质量为交流式的1 3 1 5 ，钳质量减为1 3 1 2 。 逆变式电阻焊电源由于输出功率大，基本上采用全桥式逆变电路，采用微机控制实 现焊点质量的自适应控制和故障自诊断。与交流电阻焊机相比，具有体积小、质量轻、 动态响应速度快、控制精度高、电流脉动小、电网二相平衡、功率因数高等优点。 逆变式电阻焊机在国外得到了广泛应用，其中汽车制造业方而所占比例较大。在汽 车生产过程中所用电阻焊机主要有：悬挂式点焊机、点焊机器人和多点焊机。如一辆轿 车车身上大约有4 0 0 0 6 0 0 0 个焊点，因此点焊机和多点焊机器人在车身焊接生产线上所占 的比例就体现了该生产线自动化程度。当然，在汽车生产中还有对油箱周边的焊接和减 振器焊接的缝焊机，对汽车车圈焊接的对焊机等。 与国外电阻焊设备发展一样，国内电阻焊设备的发展也经历了工频交流、直流脉冲、 三相低频、次级整流以及微机应用以及质量控制器技术水平提高的过程。纵向比较，国 内电阻焊技术有很大进步和提高。但是与国外先进技术相比，与国民经济发展要求相比， 还有很大的距离，存在不少问题，某些行业进口电阻焊机仍然居高不下，其原因较为复 杂。有的是早已开发的产品并已投入市场，如次级整流焊机，但因宣传力度不够，应用 并不广泛。有的则因技术原因虽已开发成功，但尚未形成产品，推向市场还有一个过程， 还需进一步完善，逆变电阻焊机就是这一类。电阻焊专机有一定的发展，但总的来说， 在技术水平、自动化程度以及可靠性方面与进口机相比仍有一定的差距，电阻焊成套设 备方面差距更大p j 。 1 2 2 钢筋焊接网的最新发展 焊接钢筋网是将纵向钢筋与横向钢筋分别以一定的间距相互排列且相互成直角，全 部交叉点均用电阻点焊而成的钢筋网片。其焊接材料可以是热轧带肋钢筋、冷轧带肋钢 筋、冷拔光圆钢筋等 6 1 。焊接钢筋网的应用始于1 9 0 1 年美国的马萨诸塞州【7 1 。 ( 1 ) 钢筋焊接网生产特点 钢筋焊接网是一种在工厂用专门的焊网机采用电阻点焊焊接成型的网状钢筋制品。 采用多头点焊机用计算机自动控制生产，焊接质量好，焊接前后钢筋的力学性能几乎没 有变化嘲。 ( 2 ) 焊接网的优越性 钢筋焊接网与传统的绑扎钢筋比较，具有间距尺寸准确、强度高、刚性好、承载均 匀、抗裂性能强节约钢材、安装速度快、劳动强度小等特点。它是把钢筋的优越性与工 厂化的生产进行结合，使材料性能得到更大发挥，同时使钢筋工程转为工厂化的生产9 1 。 ( 3 ) 国内外焊接网发展概况 早在2 0 世纪初，德国、意大利、奥地利、法国、美国等国家就制定了焊接钢筋网的标 准，并有专业工厂成批生产定型焊接钢筋网，以商品方式供应市场；1 9 6 0 年日本也制定 了焊接钢筋网标准【1 0 l 。 4 第一章绪论 自2 0 世纪二三十年代正规的焊网厂在欧美一些国家陆续建成，到现在已有7 0 多年历 史。最初采用的材料是普通热轧钢筋，后改用冷拔光面钢筋。1 9 6 8 年欧洲几个国家研制 成冷轧带肋钢筋，大约自1 9 7 3 年开始大量采用抗拉强度5 5 0 n m m 2 、直径5 1 2 m m 的冷轧 带肋钢筋作为焊接网的主要材料。 目前焊接网在欧洲已形成一个高度发达的单独行业，并有几家著名的焊网机制造公 司。欧洲焊网厂规模均较大【1 1 】，一般年产量在3 5 万吨，设备先进、生产效率高，最高 年产量可达6 0 万吨。欧洲的一些国家，特别是德国等对冷轧带肋钢筋焊接网的各种力学 性能( 包括静力与动力) 作了大量系统的试验研究，很快制订了产品标准，自1 9 7 2 年至今， 冷轧带肋钢筋焊接网的规定一直被列入德国混凝土规范【1 2 】的历次版本中。有关协会组织 还出版了专门技术手册，在欧洲的钢筋标准中对焊接网作了专项规定【”l 。 俄罗斯( 前苏联) 在2 0 世纪三四十年代就开始对冷拔低碳钢丝焊接网混凝土板进行试 验研究，并于1 9 5 0 年颁布了焊接骨架与焊接网使用规程。目前，采用的钢筋焊接网分重 型网和轻型网，重型焊接网的热轧带肋钢筋直径一般为6 2 5 m m ，最大可达4 0 m m ，网 片最大宽度3 0 5 0 m m ，最长9 0 0 0 m m ：轻型焊接网的钢筋为冷拔低碳钢丝( 直径3 5 r a m ) 和热轧带肋钢筋( 直径6 1 0 t u r n ) 。 美国从2 0 世纪3 0 年代开始直至2 0 世纪末期的几十年间，陆续不断的对焊接网钢筋的 力学性能、焊接网混凝土板的结构性能、焊接网作梁柱箍筋的受力性能以及锚固与搭接 性能、板的疲劳性能等进行了多方面的试验研究。制定了焊接网产品标准、设计实用手 册，并在混凝土房屋建筑规范中对焊接网作了相应规定【1 4 1 。 新加坡是亚洲应用焊接网最好的国家之一，早在1 9 5 7 年建厂，目前几大焊网厂规模 均较大，设备先进。焊接网产品标准多次修订【1 5 1 。新加坡焊接网仍以冷轧带肋钢筋为主， 最大直径达1 3 m m ，热轧钢筋直径最大可焊至l j z 5 m m 。 我国在2 0 世纪9 0 年代以后才逐渐采用焊接钢筋网【l “。1 9 8 7 年从国# b i j i 进了焊接网生 产线之后，各地又陆续引进一批生产线。国内的科研院所、设备生产厂家在消化、吸收 国外设备的基础上研制出符合我国国情的焊接网生产设备。据不完全统计，目前已有焊 网厂约5 0 家，设备年生产能力5 0 多万吨。 钢筋焊接网成型机按控制方式分为机械式、数控式：按传动方式分为液压式、气动 式：按网片形状分为平面式、立体式。国外钢筋焊接网焊接生产设备价格昂贵且耗电量 大，不适合我国国情。国内目前制造钢筋网焊接设备的单位约5 8 家i l7 1 。 1 3 论文的主要内容及章节安捧 1 3 1 研究目的 在生产实际中，需要加工一种如图1 - 4 所示的袋笼状冷拔钢丝网工件，该工件采用焊 接方法能很好的生产出来，综合考虑多种焊接方法，专用多点电阻焊是一种较为理想的 5 西安石油大学硕士学位论文 焊接方法。 本课题的目的是研制一台用于焊接这种袋笼状冷拔钢丝网工件的专用多点电阻焊设 备，在保证产品质量的前提下，提高本产品加工的生产效率及可操作性。 图1 4 焊接网工件示薏图 1 3 2 研究内容 焊机本身要求根据该工件的特殊结构形状以及焊接技术要求设计整个机械装置，包 括加压机构、特殊的电极、及整体框架等；电气部分的供电系统及控制系统设计等，要 求焊接点数可调( 1 2 点、2 4 点) 、焊接规范可调，为了保证焊接质量，通过控制电路使 其在焊接时具有网路电压补偿功能，并尽可能简单的解决多点焊时的均流问题等。 1 3 3 技术路线 ( 1 ) 焊机基本参数确定； ( 2 ) 焊接机械结构确定、供电方式确定：。 ( 3 ) 机械装置详细设计； ( 4 ) 电气系统详细设计； ( 5 ) 组装调试实验。 1 3 4 章节安排 第一章绪论，阐述电阻焊概念及国内外电阻焊设备和钢筋焊接网的发展状况，提 出本文选题的目的和意义。 第二章专用多点电阻焊机总体方案设计，分析焊接工件的结构特征及焊接技术要 求，确定本焊机的基本机械结构及供电方式，确定焊机的主要参数。 第三章焊机机械装置设计，根据工件的结构特点详细设计焊机的机械加压机构、 6 第一章绪论 电极机构、夹具机构及整体框架等。 第四章焊机控制系统设计，焊接回路详细设计，主要元器件选择；可编程控制系 统设计，网压补偿模块研究；控制系统软件设计等。 第五章系统集成与调试。 第六章结论，总结专用多点电阻焊机的设计和研制，得出结论。 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章专用多点电阻焊机总体方案设计 总体方案设计是整个设计的基础阶段，总体设计要根据焊接工件的结构特征、材料 以及焊接技术要求，设计机械装置，包括加压机构，电极布局，整体框架等：电气系统， 包括焊机供电方式确定，焊接回路设计以及相关焊接参数的确定等，指导后续详细设计。 2 1 焊接工件结构特征及焊接技术要求分析 2 1 1 焊接工件结构特征及技术要求 一 一i 一 一 ll | l j i| l i| i il i 6 0 0 0 图2 1 焊接工件图 工件为袋笼状钢丝网焊接结构，冷拔光面钢丝材料，整个工件总长6 0 0 0 m m ，内部 钢圈外径1 5 4 r a m ，钢圈截面直径4 8 m m ，外周有1 2 或2 4 根( 图示为2 4 根) 截面直径为3 2 m m 的钢丝均匀的分布在钢圈上，工件轴向每间隔2 0 0 r a m 布置一个内部钢圈，交叉点点焊连 接；工件受力为径向压力或张力，焊点处受力要求不高，要求焊点均匀，无虚焊或烧透 现象，保证成品径向尺寸不大于1 6 0 r a m 。 2 1 2 工件材料及技术要求分析 工件为冷拔钢丝，是低碳钢材料，含碳量w c _ o 2 5 、碳当量c e _ o 3 的低合金钢， 低碳钢具有以下焊接特性【1 】。 ( 1 ) 低碳钢因电阻率比铜大8 1 0 倍，要求焊机功率不很大，塑性温度区宽，易于获 得应有的塑性变形，不需要很高的电极压力；结晶温度区窄，高温塑性好，线膨胀系数 不高，因而热裂纹倾向小。 ( 2 ) 碳元素与微量元素含量低，无高熔氧化物，一般不会出现淬火组织或夹杂物。 因此点焊时不需要采用复杂工艺措施，焊接电流、电极压力和通电时间等工艺参数具有 较大的调节范围，焊接质量好。 8 第二章专用多点电阻焊机整体方案设计 3 ) 冷拔钢丝焊接，在用软规范点焊时，会因长时间加热使核心周围热影响区扩大， 晶粒长大及软化区变明显，所以当接头强度要求高时，不宜采用过长的脉冲时间加热， 最好选用大电流段时间的硬规范。 焊接工件有两种类型( 1 2 点和2 4 点) ，当钢丝均匀分布外径为1 5 4 r a m 的钢圈上时， 整个外径为1 6 0 4 m m ，减去焊接时的压下量及熔深，外周直径小于1 6 0 r a m 的尺寸完全可 以保证。焊点受力不高，要求整个工件受力均匀，因此必须保证焊点均匀，不能出现虚 焊和烧透焊点，采用硬规范焊接以及采取适当的质量控制方法也可保证。 2 2 专用多点电阻焊机整体方案确定 5 图2 - 2 点焊设备基本组成示意图 l 一加压机构2 一焊接回路3 一阻焊变压器4 - 一主电力开关 5 一控制器6 _ 一功率调节机构 7 一冷却系统8 一机身 点焊机是在电极间的工件上产生点状焊接的电阻焊机设备。一般由机械装置、供电 系统、控制系统三大部分组成，图2 2 为点焊设备的基本组成示意酬1 3 】，也是本焊机设计 的参考依据。 2 2 1 机械装置 机械装置由机身、加压机构等组成。设计时应注意机身有足够的刚性、稳定性并能 满足安装要求；加压机构应有良好的随动性，并有足够的加紧力和接触面积。 ( 1 ) 工件加紧加压机构设计 9 西安石油大学硕士学位论文 加压机构按焊接功率大小，焊接结构特点、材料、质量标准及生产率等划分，虽然 种类繁多，但都应力求满足下列要求【l 】： 1 ) 加压机构刚性要好，不致在加压中因机臂刚性不足发生挠曲，或因导柱失去稳定 而引起上下电极位错。 2 ) 加压、消失动作灵活、轻便、迅速。加压时无冲击，为此，应减小加压机构运动 部分的重量与摩擦力。 3 ) 加压机构应有良好的工艺性，适应焊件工艺性的要求。目前常用压力循环有平压 力、阶形压力及马鞍形压力等几种形式，也有多阶段压的压力循环，按焊件结构、材料、 厚度所决定的工艺要求选择。 4 ) 焊接开始时，应能快速将压力全部加上，而焊接过程中压力应稳定，焊件厚度变 化时，压力波动要小。因此，垂直运动行程的机构比弧形运动要优越些。 表2 1 常用加压机构类型【l s l 气压传动加压机构可选压力范围大，目前应用较为广泛，同时气压传动加压机构气 缸可直接带动电极，机械装置设计简单，且气缸也是标准件，同时气压传动还有以下优 点1 9 i ： 1 ) 气缸作为线性驱动器可在空间的任意位置组建它所需的运动轨迹，安装维护简单。 2 ) 工作介质是取之不尽、用之不竭的空气、空气本身不用花钱。 3 ) 气缸运动速度一般为5 0 5 0 0 删n s ，比液压和电气方式的运动速度快，还可以通 过单向节流阀，可使气缸的速度无级调解。 4 ) 可靠性高，使用寿命长。 5 ) 利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气。 6 ) 全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。 7 ) 由于空气损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。 因此，本焊机的加压机构设计为气压传动加压。 ( 2 ) 工件加压夹紧方案 要焊接工件为环形结构，且最多为2 4 点焊接，在加压机构确定后，气缸( 电极) 如 1 0 第二章专用多点电阻焊机整体方案设计 何布局成为关键。 点焊焊接要构成回路，需要两个电极，而电极的布局也要适应这种特殊的2 4 点袋笼 状工件的特殊结构形式，因此设计一个中心电极用来固定工件的内部钢圈，以中心电极 为圆心，气缸带动的电极均分布在一定直径的圆周上：中心电极固定不动，这样当气缸 带动的电极压下时，便可以和中心电极吻合夹紧焊接工件。 工件加紧方式有以下三种方案可选。 1 ) 工件旋转，电极不旋转，该方案电极设计数量可适当减少，但因为所焊工件较长， 旋转夹具设计复杂，工件旋转不便，定位不好保证。 2 ) 工件不动，外部电极旋转，该方案同样电极数量可以减少，但是该方案气缸除了 要带动电极伸缩外，气缸和电极部分还要作一定范围的圆周运动，整个系统机械结构设 计复杂，电气布线及气缸管线布局困难，且定位精度不好。 3 ) 工件不动，外部电极也不旋转，该方案要求根据焊接的最多点数设计电极数，需 要2 4 个，工件和电极均没有相对转动，夹具设计简单，电气布路及气缸管线位置固定， 加紧定位准确。 图2 3 为第三种方案加压机构气缸分布示意图，中心阴影部分为中心圆盘形电极，圆 周上设有2 4 个凸点，上边固定着2 4 点工件的内部钢圈，在钢圈外圆上均匀分布2 4 根钢丝， 焊接过程中需要焊接那些点，对应的那些气缸动作，电极压下加紧工件即可完成焊接。 图2 - 3 夹紧加压机构( 电极) 布局示意图 因此，工件定位夹紧机构选取第三种方案。 ( 3 ) 机身框架设计 西安石油大学硕士学位论文 机身设计要保证有足够的刚性、稳定性同时力求结构简单，并能满足安装要求，根 据图2 3 确定的加压机构布局图，将焊机整体框架设计为角铁焊接的长方体形结构，夹紧 加压机构( 电极) 装配在框架的正面上方，其它零部件在框架内部安装，操作者站立在 焊机正面进行操作。 控制 面板 焊机右侧面 蝴横n 脯线 冷却装置、件夹具 气路电磁阀电路总开关 控制装置阳焊变压罄 焊机正面焊机背面 图2 - 4 焊机整体框架布局示意图 2 2 2 电气系统 ( 1 ) 供电系统设计 点焊机的供电系统，又称主电力电路，通常由阻焊变压器、焊接回路和功率调节机 构等组成 1 ) 供电系统的特点 2 0 1 供电系统可输出大电流、低电压 点焊焊接区的电阻是产生电阻焊热源的基础，由于它数值很小( 约在1 0 1 0 0 l l q 之 间) ，所以必须有足够大的焊接电流通过才可以获得形成接头的所需的热量，焊机二次侧 电压很低。 供电系统可提供多种焊接供电方式 根据焊接材料性质及焊接工艺要求，供电系统可以把工频的电网电能直接的或经过 适变换、贮存后，向焊接区域提供工频交流、直流冲击波、三相低频、次级整流、电容 贮能和逆变等焊接供电形式。 o 供电系统的电源通常无空载运行及负载持续率较低 供电系统的电源( 阻焊变压器) 一般情况下，电阻焊变压器的开关置于初级绕组与 1 2 第二章专用多点电阻焊机整体方案设计 电源线之间，将初级绕组接入网路前，焊件已被压紧在电极之间，焊接回路已闭合，故 一般无空载状态。焊接时，焊件装卸、夹紧，焊接位置移动和焊接循环中的预压、锻压、 休止等程序，一般不需要接通电源，因此，电阻焊变压器通电工作多是断续的。在工作 间断时，变压器得以冷却，因而在同样的视在功率情况下，可减小变压器的尺寸。 2 ) 常用供电方式 焊接供电方式是对电阻焊工艺过程影响很大的因素，很能表征金属材料的工艺要求 和所用设备的特点。不同的焊接供电方式是由相应的供电系统提供的。 工频焊接供电方式 工频焊接供电方式是工频焊机提供的，如图2 5 所示，阻焊变压器经级数换接器( 即 功率调节机构) 和主电力开关( 电磁接触器，引燃管或晶闸管断续器) 接于三相或单相工频 交流电网。由控制系统决定了开关( 电磁接触器开关除外) 导通和关断。 图2 - 5 工频交流电阻焊机电气框图 工频阻焊机通用性强、控制简单，易于调整，因而获得了最为广泛的应用。但是， 工频阻焊机大部分是单相交流焊机，容量大而又负载持续率低，工作时会引起供电电网 电压的周期性变化，影响其它用电设备的正常工作。工频阻焊机由于功率因数低( 通常约 为0 4 ) ，耗能较大。一般认为，单相工频阻焊机的合理应用范围：广泛应用于各种钢件 的点焊、缝焊、凸焊和对焊；个别情况下也用于轻合金的焊接：点焊机的功率一般在 3 0 0 - 4 0 0 k 、，a 以下。 电容贮能焊接供电方式 电容贮能焊接供电方式是由电容贮能阻焊机提供的，如图2 6 所示，三相电源( 或单 相) 经中间变压器升压后，再经可控整流器输出直流电流对电容器组( 贮能器) 充电，当充 电电压达到设定数值时，控制设备的充电电压控制环节动作，使可控整流器截止。此时， 若控制系统的程序控制环节输出焊接信号时，则开关接通。贮存在电容器组中的电场能 作为电源，通过开关、极性换向器和级数换接器等迅速向阻焊变压器初级绕组放电，并 在次级侧的焊接回路中流过感应出的电容贮能焊接电流。极性换向器为一换向开关，使 每次通往阻焊变压器的放电电流改换方向，以防止变压器被单向磁化。 1 3 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 6电容贮能阻焊机电气框图 电容贮能阻焊机从电网取用瞬时功率低，各相负载均衡并功率因数高，同时，可精 确地向焊接区提供集中能量，进行精密焊接。主要缺点是该类焊机规范硬，时间很难延 长到足够大：焊接过程中电流的大小不可能改变( 无法使用电流负反馈进行自动控制) ， 电容器体积庞大和高电压不安全。用于同种或异种金属的薄件、箔材及线材等的精密焊 接。 直流脉冲式供电方式 图2 - 7 直流脉冲电阻焊机电气框图 直流脉冲能供电方式是由直流脉冲阻焊机提供的，如图2 7 所示，三相电源经三相桥 式半控开关及整流器，将交流电整流成脉冲直流，经过极性换向器、级数换接器通入具 有低磁通密度铁心的阻焊变压器，借磁通增长的变化，在次级线圈中感应出用以焊接的 缓升、缓降电流脉冲，即直流脉冲焊接电流。直流脉冲焊接电流对于大厚度零件，特别 是易出现缩孔、裂纹的轻合金的点缝焊，直流脉冲阻焊机输出电流波形工艺性好、三相 负载均匀，功率因数可达8 0 左右。与交流焊接相比，焊接同样厚度的零件时，输入功 率可降低。该焊机的缺点是控制系统复杂，焊接变压器尺寸大。主要用于铝合金、铜合 金、低碳钢的点焊、滚点焊和步进缝焊。 次级整流焊接供电方式 次级整流焊接供电方式是次级整流阻焊机提供的，如图2 - 8 所示，普通的阻焊变压器 ( 单相或三相) 经级数换接器和开关接于工频交流电网，控制设备决定开关的导通。由阻 1 4 第二章专用多点电阻焊机整体方案设计 焊变压器输出的强大工频交流电流经硅整流器整流后成为直流焊接电流，通过焊接回路 输送给焊接区。 图2 9 所示为二种常用次级整流阻焊机主电路。其中图a 为单相全波整流，其特点是阻 囝2 - 8 次级整流阻焊机电气框图 焊变压器次级有中心抽头，广泛应用于1 0 0 k v a 以下的次级整流阻焊机上，功率因数达 0 9 ：图b 为三相全波整流，实际上相 当于三个单相全波整流系统分别装 在正常电源的三相线路上。当三相全 波整流电路采用三只相同的单相阻 焊变压器时，在次级侧可用或不用相 间变压器，但当三相全波整流电路采 用三相阻焊变压器时，其次级侧则都 使用相间变压器。这种系统使变压器 初，次级铜线以及开关和硅整流器的 利用率均达到最高，该焊机最适合高 速缝焊等特殊场合，此时功率因数可 高达0 9 5 。 次级整流焊接电流波形可以适 应工艺通用性的要求，给出单个或多 个焊接脉冲并按设定规律自动变化。 该波形将在点焊，凸焊，缝焊和对焊 上获得日益广泛地应用，同时，对各 类金属材料可以说都是适用的。 次级整琉阻焊机具有以下特点： a 由于次级为直流回路，无电 抗，因而在输出相同的电流条件下输 入电压及所需功率大为下降，焊接功 a ) 单相整流主电路 一j 、u ，r l ji l l ，j 、u i l l ，j ，r i 、1u b ) 三相整流主电路 图2 - 9 常用次级整流电阻焊机主电路 1 5 西安石油大学硕士学位论文 率因数大大提高，达到8 5 9 5 ，甚至更高。据统计，在保证相同焊接效果的条件下， 这种焊机所需功率只有普通电阻焊机功率的1 3 1 5 。 b 三相负载平衡，线电流只有单项交流式的1 5 以下。 c 焊接接通时电流不过零值，焊点处短时间内达到焊接温度，因此特别适用于热传 导性能优良的轻合金的焊接。 d 与电容贮能电阻焊机，低频交流焊机相比，重量轻，体积小。 e 控制线路简单，维护方便。 逆变焊接供电方式 图2 1 0 逆变式阻焊机电气框图 逆变焊接方式是由逆变阻焊机提供的，逆变式电阻焊机的基本原理是，从电网输入 的三相交流电经桥式整流和滤波后得到比较平直的直流电，经逆变器逆变产生中频交流 电( f - - - - 6 0 0 1 0 0 0 h z ) ，再向阻焊变压器馈电，阻焊变压器二次输出的低电压交流经单相 全波整流后产生脉动很小的直流电用于焊接。【8 】逆变式电阻焊机供电控制精度高、工艺 优势明显，三相电网平衡、体积小、重量轻、节能。适合各种金属材料和各种焊接方法， 尤其是点焊机器人和汽车焊装线上优越性显著。目前焊机售价较高。 综合以上各种供电方式的特点及适用范围，根据焊接工件的技术要求，本焊机的供 电方式选择单项3 8 0 v 次级整流式。 3 ) 焊接回路设计 阻焊机中焊接电流流经的回路为焊接回路。它由阻焊变压器次级绕组、软母线、导 电板、电极等组成。 由于本设备设计为多点焊接，为专用设备，根据焊接工件的技术要求，本着简单、 经济、可靠的原则，必须既能同时实现多点焊接，又能解决多点焊时的均流问题，经综 合考虑，确定本焊机焊接回路如图2 1 1 所示。 焊接回路选择晶闸管为整流元件，4 个晶闸管，反向的2 个为一组，共2 组，控制系统 每次控制一组导通，在导通的这一组中，可同时焊接2 个点，工频电的正半波流经一个焊 点，负半波流经另一个焊点，一组焊接结束换另一组，然后进行下一个焊接循环。这样 对于2 4 点焊接，就需要每次4 个电极压下，6 个焊接循环。 1 6 第二章专用多点电阻焊机整体方案设计 这样的焊接回路，因为焊接时间很短，一般是几十毫秒到几百毫秒，焊接4 个点的 焊接时间总和也就一秒左右，所以宏观上看起来是4 点同时焊接，微观上则是每次焊接 2 个点，正半波和负半波电流分别流经不同的焊点。该方法很好的解决了多点焊时的均 流问题，又是单项供电，次级晶闸管整流，容易控制，设备简单，可靠，焊接效果良好。 3 图2 1 1 焊接回路电路图 焊机的控制系统作为焊机电气部分的核心在第四章详细讲述。 2 2 3 焊机的主要技术参数 ( 1 ) 焊机形式确定 点焊机可按其特征进行分类1 2 0 】： 按用途可分为通用的、专用的及特殊的三种； 按安装方式可分为固定式、便携式和悬挂式三种； 按压力传动方式分为杠杆式、电动式、电磁式、气压式、气压杠杆式、液压式、 气压液压式等 按电极类型可分为单点、双点及多点三种 根据前面所述本台焊机设备设计为固定式、气压式、次级整流专用多点电阻焊机。 ( 2 ) 焊机焊接电流及加压装置压力确定 电焊机的焊接电流一般根据被焊材料的性质，厚度来选择。因为焊接工件为冷拔钢 丝，属低碳钢材料，点焊可参考焊接参数为不同厚度的低碳钢板焊接，由于钢板焊接散 热面积大所以一般焊接电流也较大，而本焊机所焊材料为热拔钢丝交叉焊接，接触面积 小散热面积也小，类似于凸焊钢丝交叉接头的焊接，