一種換熱器自動(dòng)焊裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、換熱器自動(dòng)焊裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 無論是石化行業(yè)還是鍋爐制造業(yè)以及人們的日常生活中，熱交換器類產(chǎn)品管與管板接頭的焊接和管與管板之間的焊接，特別是針對換熱器中管與管之間的距離較小時(shí)對于管板焊接所使用的專用焊接設(shè)備的研究，國內(nèi)外焊接設(shè)備公司都先后研制了特殊的管焊槍頭，但目前成功應(yīng)用的很少，尤其是帶有加絲功能的自動(dòng)管板焊機(jī)設(shè)備的研究還存在很多空白，有待于進(jìn)一步研究。 本課題研究的目的是，設(shè)計(jì)一套適合于在換熱器中管與管之間距離較小時(shí)的條件下能夠焊接換熱管伸出管板約20mm左右的專用焊接設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)管與管板的全位置自動(dòng)焊接，并且具有自動(dòng)填絲功能。設(shè)計(jì)了適合于管與

2、管之間距離較小時(shí)條件下的管-管板焊接的槍頭部分，使其能夠焊接管伸出管板20mm左右時(shí)的情況；設(shè)計(jì)了與槍頭配套的焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以及送絲機(jī)的結(jié)構(gòu)； 基于pro/E軟件，對整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模以及裝配；利用軟件CAD對焊槍的幾個(gè)主要部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了繪制。并且通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性。本文中所研制的管板焊機(jī)為換熱器中管與管之間距離較小時(shí)的全位置焊接設(shè)備， 通過計(jì)算以及動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性。使得石化行業(yè)及鍋爐行業(yè)中在管與管距離較小時(shí)的條件下，焊接管與管板接頭時(shí)能夠使用自動(dòng)焊接設(shè)備， 并為設(shè)備在該行業(yè)中的廣泛應(yīng)用提供了一定的有價(jià)值的參考。 關(guān)鍵字：換熱器，管板焊

3、接，焊槍結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng) II Abstract Whether boiler manufacturing and petrochemical industries or not, as well as peoples daily life, products heat exchanger tube and tube sheet welding as well as pipe joints between the tube plate welding, the special research for the welding equipment by the tube shee

4、t welding used, welding equipment companies at home and abroad have developed a special tube torch head, however,the number of successful applications is very few,especially the automatic tube sheet welding equipment with the function of wiring, there are many blanks,it is be further studied. The

5、purpose of this research is that,designing a special welding equipment suitable for that it could weld heat exchanger with the tube plate about 20mm out under the conditions of a smaller distance between the tubes in a heat exchanger, the device can be achieved the management control of all-position

6、 auto-plate welding and the automatic functions of filling silk. Designing tube sheet welding tips under the conditions of a suitable distance between pipe and tube,enable it to weld pipe extending about 20mm tube plate; designing the body of adjusting and the body of rotating with suitable for the

7、tip of the torch, as well as the structure of wire feeder; based on the pro / E software,make the entire body be assemblied and modeled;designing several major components of the torchs internal structure by using CAD software.And through experiments it verified the feasibility of the design structur

8、e. This article was developed for the all-position welding equipment under the conditions of a smaller distance between pipe and tube, by calculating and dynamic simulation to verify the feasibility of the design structure. Making petrochemical industry and boiler industry weld pipe and tube sheet j

9、oints by the use of automatic welding equipment under the conditions of a smaller distance between pipe and tube,and provide a certain reference value for a wide range of applications in this field of industry. Key words：heat exchanger, tube sheet welding, torch structure, control system 目 錄

10、 IV 摘 要 I Abstract II 第一章 緒 論 1 1.1 選題背景與研究意義 1 1.1.1 選題背景. 1 1.1.2 研究意義 4 1.2 文獻(xiàn)綜述 5 1.2.1 焊接技術(shù)及自動(dòng)焊設(shè)備的發(fā)展史 5 1.2.2 管板焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢 7 1.2.3 釬焊的發(fā)展趨勢及發(fā)展史 8 1.3 本文研究的基本內(nèi)容 9 1.4 本章小結(jié) 10 第二章 管板焊接方案的選擇 11 2.1 焊機(jī)機(jī)構(gòu)方案的選擇 11 2.2 管板焊接中所遇問題的分析 12 2.3 本章小結(jié) 12 第三章 管板焊接中焊槍的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.1 引言 13 3.2

11、 自動(dòng)焊管板焊機(jī)的設(shè)計(jì) 13 3.2.1 芯軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 3.2.2 焊炬的設(shè)計(jì) 14 3.2.3 焊槍升降裝置的設(shè)計(jì) 15 3.2.4 軸向定位調(diào)整機(jī)構(gòu) 18 3.2.5 焊機(jī)機(jī)身部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 3.3 釬焊工藝 22 3.3.1 接頭結(jié)構(gòu) 22 3.3.2 焊前準(zhǔn)備. 23 3.3.3 釬焊操作技術(shù). 23 3.4 本章小結(jié). 24 第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 4.1 引言 25 4.2 電機(jī)的選取 25 4.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 27 4.3.1 控制系統(tǒng)中硬件的設(shè)計(jì) 27 4.3.2 控制系統(tǒng)中軟件的設(shè)計(jì) 28 4.4 本章小結(jié) 31 第

12、五章 關(guān)鍵部件的校核 32 5.1 直齒圓錐齒輪的計(jì)算數(shù)據(jù)及強(qiáng)度校核 32 5.2 中心軸的強(qiáng)度校核 35 5.3 本章小結(jié) 39 第六章 總結(jié)與展望 40 6.1 結(jié)論 40 6.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 40 6.2.1 發(fā)展課題項(xiàng)目的迫切需要 40 6.2.2 市場前景分析 41 6.2.3 社會(huì)效益分析 41 6.3 對進(jìn)一步研究的展望 42 6.4 本章小結(jié) 42 參 考 文 獻(xiàn) 43 致 謝 45 附 錄 46 第一章 緒 論 1.1 選題背景與研究意義 1.1.1 選題背景 焊接不僅是一種重要的基礎(chǔ)工藝，而且目前已發(fā)展成為一種新興的綜合

13、工業(yè)技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于造船、汽車制造、壓力容器制造、石油化工、管道、鋼結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域。整個(gè)焊接工藝過程應(yīng)包括母材預(yù)熱處理、切割下料、成形、焊接和焊后探傷檢測、焊后熱處理等工藝環(huán)節(jié)。并且隨著人民生活水平的不斷提高,工業(yè)的不斷發(fā)展,換熱器已經(jīng)慢慢進(jìn)入到了人們的生活.所謂換熱器即將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器，適用汽－汽、汽－液、液－液， 對液傳熱?，F(xiàn)代家庭中常用的是列管式換熱器。列管式焊接器（又名列管式冷凝器），按材質(zhì)分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮頭式、U型管式換熱器，按結(jié)構(gòu)分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面

14、積 1～500m2，可根據(jù)用戶需要定制。針對換熱器的廣泛應(yīng)用以及用途，研究其結(jié)構(gòu)和工藝就成了主要的內(nèi)容。首先，其主要結(jié)構(gòu)是由不銹鋼板以及銅管組成，并且板的外測還有一些碳鋼管帽，那么將其組合起來就需要焊接工藝了。對于銅管與不銹鋼板間需要用管板焊接（常用氬氣或二氧化碳?xì)怏w作為保護(hù)氣），這樣就將銅管與不銹鋼板連到了一起。對于碳鋼帽與銅管通常用釬焊將其連到一起，這樣可以使銅管與焊板連接的更加牢固。但是針對于現(xiàn)代換熱器不僅要求其有更好的節(jié)能與環(huán)保，而且還要求有更好的換熱功能。這樣就需要在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)使其換熱時(shí)有更大的換熱面積，并且還要保證其原有占用空間不變。這就只能在原有基礎(chǔ)上加入一些銅管。這樣的話，在

15、焊接技術(shù)上就提出了新的挑戰(zhàn)。針對這樣的問題，我們應(yīng)當(dāng)提出相應(yīng)的措施來進(jìn)行解決。我所提出的措施就是焊槍采取相應(yīng)的改進(jìn)。本課題采用的是下部采用斜焊槍型式，上部采用垂直焊槍型式，結(jié)合成彎焊槍型式。這樣不僅可以滿足焊接時(shí)焊矩與焊縫之間保持著一個(gè)較好的焊接角度，更重要的是焊槍在進(jìn)行焊接時(shí)能夠更少的占用空間。因此，我們提出了此項(xiàng)課題——設(shè)計(jì)一種自動(dòng)焊裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)（主要是焊槍的改進(jìn)使其能夠使以上所面臨的問題得以解決）。圖 1-1 為管板焊接的具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖： 44 圖 1-1：管板焊接的具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖 在工業(yè)鍋爐行業(yè)內(nèi)，管與管板的焊接大多在用手工電弧焊，這一焊接方法

16、容易損傷管頭，咬邊較多，容易在管頭的焊縫熱影響區(qū)重疊，甚至焊縫粘連，當(dāng)用手工全位置焊接方法時(shí)，受焊工水準(zhǔn)的影響，焊縫成型相當(dāng)難看。換熱器是化工生產(chǎn)中的重要設(shè)備，尤其是管殼式換熱器，因其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適應(yīng)性強(qiáng)，清理維修方便，制造工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，鋼制管殼式換熱器在電力、冶金、石油和化工等企業(yè)中應(yīng)用很普遍,隨著我國換熱器制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,各使用單位對其制造質(zhì)量和使用壽命提出了更高的要求。空冷器在石化行業(yè)以及電站行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，石化行業(yè)中的空冷器的管板焊接采取強(qiáng)度脹加密封焊的制造工藝。當(dāng)空冷器發(fā)生泄漏時(shí)，大都發(fā)生在焊縫處。如武漢石油化工廠 2004 年 7 月~11 月間發(fā)生常頂空冷器泄漏，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)

17、泄漏都在焊縫上，且都發(fā)生在最下一排管與管板焊縫處，由此可以說明其焊接質(zhì)量存在缺陷，因?yàn)榧词顾斚到y(tǒng)遭到一定程度的腐蝕，也不可能在如此短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生泄漏。空冷器泄漏部位都發(fā)生在空冷器入口端最下排管板管口的焊縫上，管板管束均為碳鋼，管內(nèi)設(shè)有防沖蝕鈦管，一般認(rèn)為，相同材質(zhì)焊接，其焊接熱影響區(qū)是最易被侵蝕的部位，焊接質(zhì)量有問題，焊縫必然會(huì)最先遭受腐蝕，焊接部位存在縫隙，酸性冷凝液就會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕。 哈爾濱空調(diào)機(jī)廠有“中國空冷器的搖籃”之稱，通過到哈空調(diào)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該 廠對空冷器管與管板的焊接使用的是焊條電弧焊的方法，該方法不僅焊縫成形不美觀,接頭的質(zhì)量也很難保證。化工生產(chǎn)過程一般都有壓力，介質(zhì)有腐蝕

18、性，還有沖刷等?？绽淦鞯氖褂铆h(huán)境惡劣，易造成空冷器中管與管板的連接接頭被侵蝕， 如果在制造中不能有效地控制質(zhì)量，在使用中極易造成泄漏，影響化工產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量，造成環(huán)境污染，引發(fā)安全事故等[1]。 為了解決這些焊接難題，采用全位置自動(dòng)管板焊接是切實(shí)而又可行的措施。國內(nèi)外管板設(shè)備公司都先后研制了特殊的管焊槍頭，但目前成功應(yīng)用的很少，尤其是帶有加絲功能的自動(dòng)深孔焊接設(shè)備更是難得一見。因此對深孔管-管板焊接設(shè)備的研究是一項(xiàng)有重要意義的工作。圖 1-2 為常見的管板焊機(jī)： 圖 1-2：管板焊機(jī) 除此之外，對于換熱器而言,在滿足顧客要求的情況下,壓降越低越好。這樣能減少能耗,降低運(yùn)行

19、成本。對于油-氣系統(tǒng), 其壓降一般為 0.1MPa，氣-氣系統(tǒng), 其壓降 0.01MPa。工程機(jī)械中的換熱器,其介質(zhì)為油-氣,用多孔的翅片形式比較好,因?yàn)槿绻娩忼X型翅片,翅形復(fù)雜加上油的黏度大,相應(yīng)的阻力也大,在進(jìn)行 水壓試驗(yàn)時(shí),容易出現(xiàn)換熱器漲破的現(xiàn)象,質(zhì)量得不到保證。封頭一般采用氬狐焊, 可以是手工的,也可以是半自動(dòng)的;其芯子部分采用真空釬焊,改變了傳統(tǒng)的由鹽浴的老工藝。克服了容易局部脫焊,污染嚴(yán)重的缺點(diǎn),真空釬焊能精確控制溫度, 加熱均勻,變形小的特點(diǎn),因而其質(zhì)量、效率得到大大提高,成為目前國內(nèi)廠家的首選。針對本課題的設(shè)計(jì)對象，在設(shè)計(jì)過程中采用釬焊，這是因?yàn)殁F焊具有很多優(yōu)點(diǎn),例如:加熱

20、溫度低、對母材影響小、接頭殘余應(yīng)力小;可以根據(jù)連接溫度、強(qiáng)度選擇多種填充金屬;適合焊接難熔化的金屬,特別是異種金屬;密封性好;對 于精密的、微型或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊件尤其適用。由于鈦的高溫活性強(qiáng),釬焊一般在真空或氬氣保護(hù)下進(jìn)行。爐中釬焊焊接參數(shù)容易控制,接頭強(qiáng)度較為穩(wěn)定,可以用來焊接重要的結(jié)構(gòu)件。 1.1.2 研究意義 管板焊接是一種現(xiàn)代化了的傳統(tǒng)加工技術(shù),在 21 世紀(jì)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代里是否仍是一種重要的生產(chǎn)手段,這必須從國內(nèi)外的情況來進(jìn)一步分析。我國是一個(gè)發(fā)展中國家,還沒有完成工業(yè)化建設(shè),還需要大力發(fā)展制造業(yè),振興裝備制造業(yè)。并且鋼的產(chǎn)量還在高速增長,預(yù)計(jì) 2004 年就會(huì)接近 2.6

21、 億噸，按這個(gè)速度發(fā)展, 不久就會(huì)達(dá)到 3 億噸。因此,我國在完成全面建設(shè)小康社會(huì)之前,鋼鐵仍將是主要結(jié)構(gòu)材料,管板焊接技術(shù)也必然要跟隨鋼鐵的發(fā)展而同步提高。同時(shí),高新技術(shù)的快速發(fā)展,裝備的輕量化、節(jié)能化、高性能化使鋁、鐵等輕金屬、復(fù)合材料、陶瓷、塑料和新型材料也將擴(kuò)大應(yīng)用范圍,這些材料都需要用新的焊接或連接技術(shù)制成給定功能的結(jié)構(gòu)。無論是鋼或其他材料的發(fā)展都對我國焊接技術(shù)的提高,從工藝、耗材、裝備、自動(dòng)化和質(zhì)量、效率、成本、壽命以及維修、再制造、再循環(huán)等各個(gè)方面都提出更新、更高、更多的要求。當(dāng)前就必須為管板焊接技術(shù)更高水平發(fā)展高潮的到來,事先做好各方面的準(zhǔn)備。管板焊接自動(dòng)化技術(shù)的展望，電子技

22、術(shù)、計(jì)算機(jī)微電子信息和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了管板焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，這是不言而喻的。特別是數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)和信息處理技術(shù)等單元技術(shù)的引入，促進(jìn)了管板焊接自動(dòng)化技術(shù)革命性的發(fā)展[2,16] 。管板焊接過程控制系統(tǒng)的智能化是管板焊接自動(dòng)化的核心問題之一，也是我們未來開展研究的重要方向，我們應(yīng)開展最佳控制方法方面的研究，包括線性和各種非線性控制[3]。總之，使管板焊接技術(shù)由“技藝”向“科學(xué)”演變，是實(shí)現(xiàn)管板焊接自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。隨著市場競爭的日益加劇，適者生存，優(yōu)勝劣汰將成為換熱器行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的必然趨勢。有些換熱器企業(yè)在競爭中發(fā)展壯大，甚至發(fā)展成大集團(tuán)；有些企業(yè)將面臨破產(chǎn)，或被兼并、收

23、購，而退出換熱器行業(yè)。但無論是從目前換熱器產(chǎn)量構(gòu)成比的發(fā)展趨勢，還是從換熱器的技術(shù)發(fā)展方向上看，我國換熱器今后將向高效、節(jié)能、機(jī)電一體化和成套性方面發(fā)展。然而目前，通過換熱器行業(yè)的自行開發(fā)、設(shè)計(jì)、引進(jìn)技術(shù)和合資生產(chǎn)，使我國的自動(dòng)、半自動(dòng)焊機(jī)的技術(shù)水平有了很大的提高，同時(shí)也推動(dòng)了我國機(jī)電一體化管板焊接設(shè)備的發(fā)展。但是目前我國的管板焊接自動(dòng)化率還不足 30%，同發(fā)達(dá)工業(yè)國家的近 80%差距尚遠(yuǎn)。從上個(gè)世紀(jì)末國家逐漸在各個(gè)行業(yè)推廣自動(dòng)焊的最基礎(chǔ)管板焊接方式---氣體保護(hù) 焊，來取代傳統(tǒng)的手工電弧焊，現(xiàn)已初見成效?？梢灶A(yù)計(jì)在未來的 10 年，國內(nèi) 自動(dòng)化管板焊接技術(shù)及其設(shè)備將以前所未有的速度得到發(fā)展

24、。此外，機(jī)器人焊接、 切割及搬運(yùn)系統(tǒng)也已經(jīng)在汽車、摩托車、工業(yè)電器、化工機(jī)械以及民用產(chǎn)品制造等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用[4,17]。今后，換熱器成套焊接設(shè)備的開發(fā)重點(diǎn)有：焊接機(jī)械 化、自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)和部件的研究開發(fā) 研究高性能的焊接電源，標(biāo)準(zhǔn)化積木化的換熱器部件，焊接參數(shù)檢測及控制技術(shù)，焊接過程自適應(yīng)控制技術(shù)，生產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)傳輸單元，裝焊夾具的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件等等，都是當(dāng)前應(yīng)立即著手開展研究的課題。從以上管板焊接技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的發(fā)展?fàn)顩r來看，繼續(xù)進(jìn)行管板焊接研究以及設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)是非常有意義的。 此外，換熱器在實(shí)際的生產(chǎn)中，釬焊工藝也是非常重要的。隨著科技的進(jìn)步， 新的形勢對特種機(jī)

25、械裝置的微小化也提出了迫切要求。微小型過程機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)是過程強(qiáng)化技術(shù)，其關(guān)鍵包含兩方面的問題：一是高性能表面的制造技術(shù)，通過高性能化的表面實(shí)現(xiàn)微小空間高效的化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞；二是系統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。微小型過程機(jī)械尤其是微小型板翅或管板翅片類型的緊湊型換熱器的封裝主要使用以多層多通道為結(jié)構(gòu)特征的板槽道或板翅結(jié)構(gòu)通過釬焊或擴(kuò) 散焊完成連接封裝槽壁與翅片形成二次傳熱表面，增加傳熱面積，從而強(qiáng)化傳熱過程。良好的釬焊工藝對保證封裝質(zhì)量至關(guān)重要。但要系統(tǒng)、全面的了解焊接過程、釬焊工藝以獲得較高的封裝質(zhì)量，優(yōu)化封裝過程，僅通過實(shí)驗(yàn)手段是不經(jīng)濟(jì)且低效的，而且微小化已涉及到尺寸效應(yīng)問題。完整的多通道換

26、熱器由芯體（多通道結(jié)構(gòu)）與外結(jié)構(gòu)組成，芯體由釬焊或擴(kuò)散焊完成封裝，之后通過與外結(jié)構(gòu)焊接完成整體結(jié)構(gòu)封裝。由于多通道芯體是換熱器的核心部位，它決定換熱器的性能和可靠性。通常的，芯體結(jié)構(gòu)在釬焊熱循環(huán)中的內(nèi)外溫度差異難以獲得理想的釬焊質(zhì)量，因此必須嚴(yán)格控制溫度不均勻性以保證釬焊質(zhì)量，并且制定出合適的釬焊工藝對于換熱器的生產(chǎn)與性能也是有著重大意義的。 1.2 文獻(xiàn)綜述 1.2.1 焊接技術(shù)及自動(dòng)焊設(shè)備的發(fā)展史 古代焊接技術(shù)焊接的歷史源遠(yuǎn)流長。中國商朝制造的鐵刃銅鉞,就是鐵與銅的鑄焊件,其表面銅與鐵的熔合線婉蜒曲折,接合良好。春秋戰(zhàn)國時(shí)期曾侯乙墓中的建鼓銅座上有許多盤龍,是分段釬焊連接而成

27、的。經(jīng)分析,與現(xiàn)代軟釬料成分相近。戰(zhàn)國時(shí)期制造的刀劍,刀刃為鋼,刀背為熟鐵,一般是經(jīng)過加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應(yīng)星所著《天工開物》一書記載:中國古代將銅和鐵一起入爐加熱熔煉, 經(jīng)鍛打制造刀、斧;用黃泥或篩細(xì)的陳舊壁土撒在接口上,分段鍛焊大型船錨。西方早在青銅器時(shí)代就出現(xiàn)了焊接技術(shù):人們把搭接接頭通過加壓的方式熔接在一起,制成圓形的小金盒子。到了鐵器時(shí)代,埃及人和地中海東部地區(qū)的居民已經(jīng)掌握了將鐵片焊接在一起的技術(shù)。中世紀(jì)的西方出現(xiàn)了鍛造技術(shù),許多鐵制品是通 過鍛焊的方法制造的。但現(xiàn)在我們知道,直到 19 世紀(jì)才出現(xiàn)了真正的焊接技術(shù)。1800 年,Humphry Davy爵士使用電池在兩個(gè)

28、碳極之間生成了電弧。1836 年,英國人Edmund Davy發(fā)現(xiàn)了乙炔。在 19 世紀(jì)中葉,電動(dòng)機(jī)的發(fā)明使電弧得到了廣泛砬用。19 世紀(jì)末出現(xiàn)了氣焊和切割,碳弧焊和金屬極電弧焊得到了發(fā)展。1881 年, 法國卡伯特實(shí)驗(yàn)室的Auguste De Meritens利用電弧產(chǎn)生的熱量成功地焊接了蓄電池鉛板。他的學(xué)生——俄國人Nikolai N Benardos和另一個(gè)俄國人Stanislaus Olszewski在 1885 年獲得了一項(xiàng)英國專利權(quán),在 1887 年獲得了一項(xiàng)美國專利權(quán)。這些專利涉及的是一種早期的電極夾,他們的研究標(biāo)志著碳弧焊的開端。19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初,碳弧焊開始得到廣泛應(yīng)

29、用。金屬極電弧焊 1890 年,美國底特律的C LCoffin利用金屬電極(光焊條或光焊絲)進(jìn)行電弧焊并獲得了關(guān)于該工藝的首個(gè)美國專利權(quán)[19]。 而且我國焊接裝備制造業(yè)起步較晚，特別是管板焊接技術(shù)。五六十年代我國重點(diǎn)企業(yè)的大型焊接裝備大部分從原蘇聯(lián)引進(jìn)，部分由使用廠自行設(shè)計(jì)制造。到了 70 年代，我國陸續(xù)組建一批專門生產(chǎn)焊接裝備的制造廠，如上海、成都相繼成立了成套焊接設(shè)備廠，“六五”期間，原機(jī)械工業(yè)部撥?？顚㈤L春第二機(jī)床廠改建成我國第一家具有批量生產(chǎn)能力，制造專用摩擦焊機(jī)和焊接裝備的長春焊機(jī)制造廠。進(jìn)入 80 年代，隨著國內(nèi)焊接裝備需求量的增長，各地相繼建立了多 家中小型成套焊接裝備生產(chǎn)

30、廠（公司）。迄今為止，我國已有 10 多家焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)，某些企業(yè)已具有相當(dāng)大的規(guī)模，已實(shí)現(xiàn)焊接裝備的批量生產(chǎn)。例如無錫陽通機(jī)械設(shè)備有限公司，2001 年的銷售總額達(dá) 1.2 億元，創(chuàng)歷史最高記錄，列同行業(yè)前茅，2002 年預(yù)計(jì)總產(chǎn)量可達(dá) 1.8 億元。 在發(fā)展初期，我國生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機(jī)、滾輪架、變位機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、換熱器等，成套性較差，自動(dòng)化程度低。焊接操作機(jī)與配套設(shè)備基本上不能聯(lián)動(dòng)控制，用戶必須自行改造。進(jìn)入 80 年代以后，由于國外先進(jìn)成套焊接設(shè)備的大量引進(jìn)，促使國產(chǎn)的焊接裝備無論在成套性和自動(dòng)化程度，還是設(shè)備精度和制造質(zhì)量方面都有不同程度的提高。目前已能

31、生產(chǎn)6mx6m以上大型立柱—橫梁埋弧焊或窄間隙埋弧焊操作機(jī)，400t重型滾輪架及重型、輕型自動(dòng)防竄滾輪架(防竄精度為+1.5mm)$,100t大型變位機(jī)和大、中型翻轉(zhuǎn)機(jī)等。批量生產(chǎn)H型鋼和箱形梁焊接生產(chǎn)線以及各種類型的按用戶需要定制的專用成套焊接設(shè)備，并大量采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、PLC控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)及數(shù)控系統(tǒng)，焊接裝備的自動(dòng)化程度有了很大的提高，某些操作機(jī)還配備了焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。但從整體水平來說，與先進(jìn)國家的同行業(yè)相比，尚有較大的差距。圖 1-3 為熔池接管管板焊接和管板自動(dòng)焊機(jī): 圖 1-3：熔池接管管板焊接和管板自動(dòng)焊機(jī) 1

32、.2.2 管板焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢 近年來，我國管板焊接裝備制造行業(yè)的技術(shù)水平有了長足的進(jìn)步。管板焊接裝備的成套性、自動(dòng)化程度、制造精度和質(zhì)量明顯提高，應(yīng)用范圍正逐步擴(kuò)大， 尤其是國家制定了拉動(dòng)內(nèi)需的政策，進(jìn)一步促進(jìn)了管板焊接裝備制造行業(yè)的發(fā)展。盡管我國成套管板焊接裝備的年總產(chǎn)量不足 5 億元，但對我國管板焊接結(jié)構(gòu)制造行業(yè)的發(fā)展卻起著舉足輕重的作用?？梢灶A(yù)計(jì)，今后幾年內(nèi)，隨著世界制造業(yè)中心逐漸向中國轉(zhuǎn)移，我國傳統(tǒng)制造業(yè)必須加快技術(shù)改造，大量采用高度自動(dòng)化的加工設(shè)備，促使我國管板焊接裝備制造業(yè)產(chǎn)生根本性的變革。進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國管板焊接結(jié)構(gòu)制造業(yè)一個(gè)引人注目的動(dòng)向是向多參數(shù)、高精度、重型化

33、和大型化發(fā)展。其中包括 1000MW 以上火力、水力和核能發(fā)電設(shè)備中所用到的換熱裝置，年產(chǎn) 60 萬噸以上化工煉油設(shè)備，10 萬噸以上遠(yuǎn)洋貨輪，大型建筑結(jié)構(gòu)， 大跨度橋梁，跨省跨國輸油輸氣管線，海洋建筑，冶金設(shè)備，重型機(jī)構(gòu)，航空航天工程，大型客車和高速鐵路車輛等。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)展目標(biāo)，對管板焊接裝備提出了愈來愈高的要求，迫切需要各種高性能、高精度、高度自動(dòng)化的焊接裝備。 近 10 年來，縱觀世界，在世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家，當(dāng)代管板焊接裝備的發(fā)展速 度十分驚人，在英、美、德、法、意和日本等國均有相當(dāng)規(guī)模、開發(fā)能力很強(qiáng)的管板焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)。近期生產(chǎn)的自動(dòng)化管板焊接裝備的設(shè)備精度和制造質(zhì)量已接近現(xiàn)代金

34、屬切削機(jī)床。最值得注意的是，大多數(shù)管板焊接裝備采用了最先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。廣泛采用管板焊接機(jī)器人作為操作單元，組成焊接中心、焊接生產(chǎn)線、柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)。早 在 80 年代，國外的焊接裝備已向大型化和精密化發(fā)展。目前國外生產(chǎn)的重型管 板焊接滾輪架最大的承載能力達(dá) 1600 噸，自動(dòng)防竄滾輪架的最大承載能力達(dá) 800 噸，采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為 0.5mm。變位機(jī)的最大的承載能力達(dá) 400 噸，轉(zhuǎn)矩可達(dá) 450000N.M?？蚣苁胶附臃D(zhuǎn)機(jī)和頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)的最大承載能力達(dá) 160 噸。焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大承載能力達(dá) 500 噸。

35、立柱橫梁操作機(jī)和門架式操作機(jī)的最大行程達(dá) 12M。龍門架操作機(jī)的最大規(guī)格為 8mx8m[5~8]。 1.2.3 釬焊的發(fā)展趨勢及發(fā)展史 釬焊是現(xiàn)代焊接技術(shù)的三大組成部分人之一。釬焊與其他二類焊接技術(shù) （熔焊和壓焊）之間，雖有共同之處，但卻存在本質(zhì)的差別。材料釬焊連接時(shí)， 一般是以搭配形式裝配，彼此之間保持著很小的間隙，采用熔點(diǎn)比母材熔點(diǎn)低的填充材料（釬料），在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料的熔點(diǎn)下，借釬料融化填滿母材間的間隙，然后冷凝形成牢固的接頭。因此，釬焊與熔焊或壓焊相比，主要有下列不同：釬焊是只有釬料融化而母材保持固態(tài)；釬料的熔點(diǎn)低于母料的熔點(diǎn)，因而其成分也與母材有很大差別；融化的釬料

36、依靠潤濕和毛細(xì)作用吸入并保持在母材間隙內(nèi)；依靠液態(tài)釬料與固態(tài)母材間的相互擴(kuò)散形成冶金結(jié)合。由此可以了解， 釬焊乃是借助于液態(tài)釬料借助母材之間的間隙并相互擴(kuò)散形成結(jié)合的一類連接材料的方法。 在連接材料的方法中，釬焊是人類最早使用的方法之一。在人類歷史上，當(dāng)人類尚未開始使用鐵器時(shí)，就已經(jīng)發(fā)明用釬焊來連接金屬。在埃及出土的古文物中，就有用銀銅釬料釬焊的管子，用金釬料連接的護(hù)符盒，據(jù)考證分別是 5000 年和近 4000 年前的物品。公元 79 年被火山爆發(fā)埋沒的龐貝城的廢墟中，殘存著由釬焊連接的家用鉛制水管的遺跡，使用的釬料具有Sn:Pb=1:2 的成分，類似現(xiàn)代使用的釬料成分。我國在公元前 5

37、 世紀(jì)的戰(zhàn)國初期也已經(jīng)使用錫鉛合金作釬料。1637 年出版的明代科技巨著《天工開物》中已有“中華小焊用白銅末”的記載，說明當(dāng)時(shí)已掌握用銅合金做釬料來釬焊金屬的技術(shù)[20]。 但是，在很長的歷史時(shí)期中，釬焊技術(shù)沒有得到大的發(fā)展。進(jìn)入 20 世紀(jì)后， 他的發(fā)展也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于熔焊技術(shù)。30 年代以來，在冶金和化工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，釬焊技術(shù)才有了較快的發(fā)展，從作坊匠人的技藝成長為工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。尤其是二次世界大戰(zhàn)后，由于航空、航天、核能、電子等新技術(shù)的快速發(fā)展，新材料新結(jié)構(gòu)形式的采用，對連接技術(shù)提出了更高要求，釬焊技術(shù)因此受到了更大的重視，開始以前所未有的速度發(fā)展起來，出現(xiàn)了許多新的釬焊技術(shù)，釬料產(chǎn)品日

38、益增多，因此，釬焊的應(yīng)用范圍日益增大。例如，釬焊已廣泛用于制造機(jī)械加工用 的各種刀具，特別是硬質(zhì)合金刀具；鉆探、采掘用的鉆具；電機(jī)部件以及汽輪機(jī)的葉片和拉筋的連接等。在輕工業(yè)生產(chǎn)中，從醫(yī)療器械、樂器到家用電器、飲具、自行車，都大量采用了釬焊技術(shù)。一臺(tái)彩色電視機(jī)上就有幾百個(gè)釬焊點(diǎn)。自行車架，就是一個(gè)全釬焊結(jié)構(gòu)。對于電子工業(yè)和儀表制造業(yè)，在很大范圍內(nèi)釬焊是唯一可行的連接方法，如在元器件生產(chǎn)中大量涉及到金屬與瓷器、玻璃等非金屬的連接問題；而在布線連接中必須防止加熱對元器件的傷害，這些都有賴于釬焊技術(shù)。至于在航空、航天和核能工業(yè)等尖端部門，釬焊技術(shù)發(fā)揮了更大的作用。例如，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的大量

39、重要部件，諸如渦輪導(dǎo)向器、壓氣機(jī)靜子、導(dǎo)向葉片、擴(kuò)散器、蜂窩夾層密封圈等都是用釬焊技術(shù)連接起來的。飛行馬赫數(shù)大于 2.5 的飛機(jī)，由于蒙皮要承受與空氣摩擦引起的高溫，越來越多的采用不銹鋼、鈦合金或超級(jí)合金的釬焊蜂窩壁板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某型火箭上釬縫總長超過 3000 米。在核電站和船舶核動(dòng)力裝置中，燃料元件定位架、換熱器、中子探測器等重要部件也常采用釬焊結(jié)構(gòu)。 釬焊技術(shù)之所以在各工業(yè)部門得到越來越多的應(yīng)用，是由于他與熔焊和壓焊相比具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即：釬焊加熱溫度一般遠(yuǎn)低于母材的熔點(diǎn)，因而對母材的物理化學(xué)性能通常沒有不利的影響；釬焊溫度低、可對焊件整體加熱，引起的應(yīng)力和變形小，容易保護(hù)焊件的

40、尺寸精度；有對焊件整體加熱的可能性，使釬焊可以用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開場性差的焊件，并可一次完成多縫多零件的連接；容易實(shí)現(xiàn)異種金屬、金屬與非金屬之間的連接；對熱源要求較低，工藝過程較簡單。因此有不少其他焊接方法難以甚至無法進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)，采用釬焊卻可以解決。而且，在不少情況下，釬焊能保證焊件具有更高的可靠性。 但是，這絕不意味著釬焊可以取代熔焊和壓焊技術(shù)。與他們相比，釬焊也有不及之處。例如，釬焊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度一般比較低、耐熱能力較差；較多采用搭接接頭形式，增加了母材消耗和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，必須根據(jù)產(chǎn)品的材料、工作條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用合理的連接方法。釬焊較適宜于連接精密、微型、復(fù)雜、多釬縫、異類材料的焊件。

41、 釬焊技術(shù)在今幾十年內(nèi)雖然取得了巨大的發(fā)展，但與別的技術(shù)相比仍是一門年輕的不成熟的技術(shù)，還沒有建立起自己的系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，許多問題的本質(zhì)有待于今后研究揭示[9,18] 。 1.3 本文研究的基本內(nèi)容 本文在給定換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的情況下，主要分析研究管板焊接系統(tǒng)的整體性能，在理論上和應(yīng)用上盡量解決焊槍結(jié)構(gòu)使其能夠滿足換熱器中管與管之 間距離較小時(shí)也能順利進(jìn)行管與板之間的焊接。 全文主要介紹了管板焊接特點(diǎn)及國內(nèi)外發(fā)展過程、應(yīng)用現(xiàn)狀，對管板焊接理論研究以及應(yīng)用情況的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，論述了本課題的選題意義。并介紹了關(guān)于管板焊接有關(guān)概念，包括芯軸結(jié)構(gòu)的描述以及尺寸的設(shè)計(jì)，使得焊槍在焊接時(shí)

42、， 能夠使焊槍很好的定位。其中分析的重點(diǎn)在于焊槍中的升降機(jī)構(gòu)，求解出了升降機(jī)構(gòu)中各連桿的長度，以及升降機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，使得焊槍在焊接時(shí)能夠靈活的調(diào)整角度。并且，此課題對機(jī)身也有一個(gè)較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)。此外，對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過相關(guān)的軟、硬件來實(shí)現(xiàn)焊槍的旋轉(zhuǎn)以及升降運(yùn)動(dòng)。并且對于焊槍的主要機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 1.4 本章小結(jié) 本章主要是對管板焊接技術(shù)有一個(gè)較為詳細(xì)的介紹，主要是從管板焊接的研究意義，研究背景以及管板焊接的發(fā)展歷史、發(fā)展趨勢等等，能夠讓大家通過緒論可以對管板焊接有個(gè)大致的了解。 第二章 管板焊接方案的選擇 2.1 焊機(jī)機(jī)構(gòu)方案的選擇 該換熱器管板焊

43、機(jī)是由芯軸、焊炬、定位調(diào)整機(jī)構(gòu)、機(jī)身、送絲機(jī)構(gòu)、焊槍升降操縱機(jī)構(gòu)等組成。該管板焊機(jī)是以焊接換熱管與管板接頭為目標(biāo)所設(shè)計(jì)的。據(jù)調(diào)查得知,換熱管與管板的連接形式主要有三種即：管端縮進(jìn)管板，管端與管板平齊和管端伸出管板。本課題所研究的主要是換熱管伸出管板 20mm 左右的情況。 那么設(shè)計(jì)過程中要克服以下一些困難:由于管與管之間距離小，要設(shè)計(jì)特殊的焊矩；管伸出較長，要能保證焊槍能夠升起一定高度；此外還要考慮到送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 針對以上困難以及管板焊機(jī)固有的特點(diǎn)，我們提出了以下設(shè)計(jì)方案： （1） 設(shè)計(jì)一特殊的焊炬，焊炬連接在槍體上。由于垂直的焊矩其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)頭旋轉(zhuǎn)占用空間小，這樣就解決了管與管之間距離

44、小的問題，但是定位裝置在以管口定位后，不易保持準(zhǔn)確位置；若使焊矩保持一傾斜角度，這樣不妨礙焊接， 而且定位準(zhǔn)確，但機(jī)頭旋轉(zhuǎn)占用空間較大，顯得笨重。綜合上述兩個(gè)方法的特點(diǎn)， 下部采用斜焊矩型式，上部采用垂直焊矩型式，結(jié)合成彎焊矩型式。此后，并在槍體上裝一送絲嘴，使得焊絲恰好能夠送到鎢極下方； （2） 為了實(shí)現(xiàn)在換熱器箱體上進(jìn)行全位置自動(dòng)管板焊接，需要焊炬在焊接時(shí)升起一定高度，并且為了更好的實(shí)現(xiàn)彎焊矩型式，就需要有角度的調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)動(dòng)作，在焊槍桿上應(yīng)設(shè)計(jì)有一種小巧而靈活的焊槍頭升降裝置，在焊槍對管板進(jìn)行焊接時(shí)，使焊槍槍頭對準(zhǔn)管與板之間的焊縫，進(jìn)行焊接時(shí)通過操縱機(jī)構(gòu)，將焊槍抬起，能保證每次抬

45、起高度一致，并且根據(jù)焊接的需要，還可以通過連桿機(jī)構(gòu)調(diào)整角度。該部分的主要設(shè)計(jì)原理是一平行四連桿機(jī)構(gòu)加一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)； （3） 焊槍焊接時(shí)，需要設(shè)計(jì)一定位調(diào)節(jié)裝置，從而對焊槍進(jìn)行軸向定位， 調(diào)節(jié)焊炬與所焊工件的位置，以滿足管箱尺寸的變化及較大的裝配加工公差，確保每次焊接電弧長度一致，本部分的主要原理是一齒輪帶動(dòng)固定在槍桿上的齒條作軸向的微調(diào)； （4） 由于是全位置自動(dòng)管板焊接，需要帶動(dòng)槍桿旋轉(zhuǎn)，該部分的主要設(shè)計(jì)原理是一力矩電動(dòng)機(jī)通過諧波齒輪減速器帶動(dòng)一組圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使焊槍圍繞定位芯軸旋轉(zhuǎn)； （5） 送絲部分的設(shè)計(jì)主要是參考實(shí)驗(yàn)室用的推絲式送絲機(jī)，它的主要原理是由直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)送絲

46、輪將焊絲送出，途經(jīng)外送絲管，由內(nèi)送絲管機(jī)內(nèi)藏于焊槍槍體內(nèi)的送絲管和送絲嘴送到鎢極前方，同時(shí)所設(shè)計(jì)的送絲部分要與與前段焊槍在機(jī)身中同步旋轉(zhuǎn)，這樣才不會(huì)出現(xiàn)焊絲的擰緊問題。 如圖 2-1 所示，該圖為所設(shè)計(jì)的焊機(jī)立體圖： 1 2 3 4 5 1 芯軸 2 升降機(jī)構(gòu) 3 定位調(diào)整機(jī)構(gòu) 4 管板焊機(jī)機(jī)身 5 送絲機(jī)構(gòu)圖 2-1 管板焊機(jī)立體圖 2.2 管板焊接中所遇問題的分析 （1） 本課題所研究的主要是換熱管伸出管板 20mm 的情況，那么相對于普通管板焊機(jī)而言，對其是無法進(jìn)行焊接的，然而，改進(jìn)后的管板焊機(jī)需要設(shè)計(jì)一個(gè)

47、特殊的焊矩。 （2） 由于管與管之間距離較小，那么在焊接過程中，焊槍運(yùn)動(dòng)空間就受到了限制，則改進(jìn)后的焊槍機(jī)構(gòu)就需要在空間小的時(shí)候也能夠調(diào)整一個(gè)焊接角度。 （3）在進(jìn)行管筒與碳鋼套筒的焊接時(shí)，常使用釬焊，要注意針對材料選用合適的焊頭，特別是異種材料（銅管與碳鋼套）之間的連接，不同材料的熔點(diǎn)及性能。 2.3 本章小結(jié) 本章所講述的主要內(nèi)容是根據(jù)管板焊接中所遇到的主要問題進(jìn)行相應(yīng)的分析，并且根據(jù)分析的結(jié)果，對焊槍機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以及提出了相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)，使其能夠克服那些困難，并且能夠順利的進(jìn)行焊接，為后邊的具體設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。并且更好的完善了本課題的理論研究。 第三章 管板焊接

48、中焊槍的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 引言 任何一種產(chǎn)品無論是改進(jìn)還是創(chuàng)造，都是依據(jù)一種特定的方案進(jìn)行改進(jìn)或制作，本課題“換熱器自動(dòng)焊裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”就是針對一些實(shí)際生活以及工業(yè)生產(chǎn)中所面臨的一些問題，對焊槍進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，使其能夠更好的克服所面臨的困難。在此設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)廠家的具體要求，生產(chǎn)的產(chǎn)品要實(shí)用，經(jīng)濟(jì)，而且節(jié)能。 之后，對改進(jìn)后焊槍的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)分析， 并加以論述。 3.2 自動(dòng)焊管板焊機(jī)的設(shè)計(jì) 3.2.1 芯軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 芯軸的主要作用是進(jìn)行徑向定位，以保證焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡與焊縫重合。對于芯軸的設(shè)計(jì)，我們首先是通過了網(wǎng)上的一些相關(guān)信息以及所

49、查閱的資料了解到焊槍的定位主要是通過芯軸深入到管中，從而達(dá)到了定位的效果。經(jīng)老師所給的資料表明換熱器中所使用的換熱管多銹，而且內(nèi)部為橢圓形，針對這一實(shí)際情況， 我們設(shè)計(jì)的芯軸既要有彈性，又要有剛性。圖 3-1 為芯軸的立體圖： 圖 3-1 設(shè)計(jì)的芯軸立體圖 根據(jù)上圖所示，芯軸通過套管來對軸承進(jìn)行定位，而頂蓋與定位軸擰緊，從而固定套管，通過定位套管凸起的部分起到定位作用。 換熱器當(dāng)中管與管板焊接時(shí)，管子的規(guī)格一般為φ252.5mm，φ253mm， φ253.5mm，而本課題所設(shè)計(jì)的焊槍是根據(jù)老師所提供的相關(guān)資料管子規(guī)格為φ243mm 而設(shè)計(jì)的。并且，本課題所設(shè)計(jì)的芯軸主要是針對φ2

50、43mm 而設(shè)計(jì) 的，其定位主要靠突起的兩點(diǎn)來支撐，其中，定位套管外面開了四個(gè)溝槽，其主要作用是使定位套管有一定的變形能力，以適應(yīng)內(nèi)管的形狀。圖 3-2 為芯軸的剖面圖： 1 軸承蓋 2 向心軸承 3 定位軸 4 定位套管圖 3-2 芯軸的剖面圖 正如剖面圖所示，定位軸上加一突起的小方塊，伸進(jìn)套管后,稍作旋轉(zhuǎn),使得定位軸與套管在軸向定位。這樣設(shè)計(jì)可以使得當(dāng)因熔滴溢入管內(nèi)，造成套管與工件粘連，以致芯軸拔不出管子時(shí)，只要旋轉(zhuǎn)定位軸，當(dāng)定位軸旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)， 定位軸就可以從套管中拔出，使得芯軸與焊槍脫離，而留在管子中的套管，可修磨后拔出。 3.2.2 焊炬的設(shè)計(jì) 特殊的焊炬一方面

51、要求做得精細(xì)小巧，這主要是因?yàn)楹附庸芘c管板時(shí)，是在一個(gè)很狹小的空間進(jìn)行的，管與管之間的距離只有 34mm 左右，所以普通的焊炬在結(jié)構(gòu)上不能滿足要求，需要根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)計(jì)；另一方面，要有很強(qiáng)的絕緣性能，這是由于焊炬是連接在后面的槍體上，該焊炬連接到槍體上后，需要與焊槍中心線傾斜固定的角度，所設(shè)計(jì)的角度為 45 度。 1 送絲嘴 2 焊矩圖 3-3 焊矩立體圖 正如上圖所示，在焊接管與管板接頭時(shí)，使用的鎢極氬弧焊需要自動(dòng)填絲， 本課題設(shè)計(jì)了專門的送絲裝置，而在前端焊炬部分，需要焊絲能夠準(zhǔn)確送到鎢極的前方，為此必須設(shè)計(jì)專門的送絲嘴，該送絲嘴與槍體連接，并且通過送絲管與后面的送絲系

52、統(tǒng)連接。 3.2.3 焊槍升降裝置的設(shè)計(jì) 本課題所設(shè)計(jì)的焊槍機(jī)構(gòu)其應(yīng)用背景是換熱器中的管板焊接工藝，換熱管伸出管板 20mm 左右時(shí)的情況，若要保證焊炬與焊槍中心線的傾斜角度，并且能夠使焊矩順利對準(zhǔn)焊縫，則需要有一個(gè)升降機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠通過升降機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，從而可以調(diào)節(jié)焊矩的高度。 如圖 3-4 所示為焊槍升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖： 1 焊炬 2 槍體 3 圓柱銷 4 槍桿 5 滑塊圖 3-4 焊槍升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 如上圖所示，四連桿機(jī)構(gòu)主要是通過兩個(gè)圓柱銷與槍體連接在了一起。并且在槍體內(nèi)有一個(gè)滑塊機(jī)構(gòu)，可以在槍體內(nèi)沿著槍體軸線的方向左右平移，四連桿機(jī)構(gòu)中的連桿通過一個(gè)

53、銷釘與滑塊連接在了一起。這樣以滑塊為原動(dòng)件，通過滑塊的左右平移，可以調(diào)節(jié)焊炬上下移動(dòng)，從而能夠更好的保證焊炬能夠沿著焊槍焊接。圖 3-5 是焊槍升降機(jī)構(gòu)中四連桿機(jī)構(gòu)的立體圖： 圖 3-5 四連桿機(jī)構(gòu)立體圖 如上圖所示，焊炬與槍體連接在了一起，并且連桿與槍體通過圓柱銷連接在了一起。以上介紹了一下升降機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)，接下來介紹一下升降機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的原理。此機(jī)構(gòu)的主要原理就是一個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)加一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成， 原理圖如圖 3-6 所示： 1 曲柄 2 連桿 3 滑塊圖 3-6 曲柄滑塊原理圖 正如上圖所示，曲柄 1 的長度為

54、 20mm，連桿 2 的長度為 45mm，此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為對心機(jī)構(gòu)，沒有偏距?；瑝K為主動(dòng)件，由滑塊帶動(dòng)整個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，從而能夠使得焊炬上下移動(dòng)，使其能夠?qū)?zhǔn)焊縫位置能夠順利焊接。 1~1.2 (3-1) 式中：K——急回系數(shù)； θ——極位夾角 適當(dāng)增大曲柄長度，可以使極位夾角 θ 增大，急回作用增強(qiáng)。而整個(gè)機(jī)構(gòu)保證有曲柄的條件是：當(dāng) R≤L 和 H＜2R。其中 R 為曲柄長度，L 為連桿長度， H 為滑塊行程。如前所述，曲柄長度 R=18mm，連桿長度 L=55mm，滑塊行程H=30mm，所以能夠保證有曲柄的兩個(gè)條件。 曲柄滑塊的自由度為：F=33-24=1 再如下圖

55、3-7 所示為某廠家所提供的換熱器管板結(jié)構(gòu)圖： 圖 3-7 換熱器管板結(jié)構(gòu)圖 正如上圖所示，管與管之間的橫向圓心距離 34.5mm，縱向圓心距離為 24mm， 經(jīng)過計(jì)算管與管之間的圓心距離為 45mm，并且管的直徑為 24mm,這樣管與管之間最短距離為 18.5mm。這樣使得槍體在此小空間內(nèi)能夠順利的進(jìn)行焊接，就必須使焊炬與槍體成 45 度連接，這樣可以使槍體管的軸線方向伸入，而且焊接時(shí)還有一傾斜角度，這樣比起直桿槍體傾斜伸入時(shí)就大大減小了所占用的空間。此外， 為了使得槍體在旋轉(zhuǎn)焊接管與板時(shí)所占用的空間更小，可使桿長度 18mm，厚度為 5mm，這樣焊接時(shí)，就可以避免其他管對其

56、焊接的影響。并且通過升降機(jī)構(gòu)焊槍可以縮進(jìn)槍桿中，這樣在焊接下一個(gè)管時(shí)自動(dòng)移動(dòng)起來不僅可以減小空間，而且移動(dòng)起來更加靈活。 此升降機(jī)構(gòu)主要是與槍桿通過定位銷連接在了一起，通過槍桿的旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)焊炬旋轉(zhuǎn)，從而可以沿焊縫進(jìn)行焊接。圖 3-8 為槍桿的立體圖： 圖 3-8 槍桿的立體圖 如上圖所示，槍桿直徑為φ24，其壁厚為 1，由于在進(jìn)行焊接時(shí)槍體所受壓力較大，焊接時(shí)穩(wěn)定性會(huì)較差，為了克服這一缺點(diǎn)，經(jīng)過討論將升降機(jī)構(gòu)通過圓柱銷直接與槍體相連，這樣焊接起來就能保證槍桿與焊炬運(yùn)動(dòng)一致，而且增強(qiáng)了其穩(wěn)定性。槍桿上有四個(gè)銷孔用來與槍體連接在一起，并且槍桿內(nèi)部設(shè)計(jì)成圓柱形空腔就為滑塊提

57、供了一個(gè)滑移軌道，可以使得滑塊沿著軌道滑行，從而能夠調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)。 3.2.4 軸向定位調(diào)整機(jī)構(gòu) 換熱器管板全位置焊機(jī)在對換熱管與管板接頭進(jìn)行焊接時(shí)，需要對槍的軸向進(jìn)行精確定位，以確保焊炬進(jìn)行焊接時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡與焊縫重合，此需要設(shè)計(jì)軸向定位調(diào)整機(jī)構(gòu)。 軸向定位調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖 3-9 所示。定位盤與工件的絲堵孔相連，可以起到軸向定位作用，由于是進(jìn)行全位置氬弧焊，焊槍要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要選用軸承，經(jīng)查手冊，選用向心球軸承，由于軸承收到的力合力矩非常小，可以忽略，所以只需根據(jù)定位滑套外徑的大小選取軸承即可，不需對此進(jìn)行校核。我們在鎖緊套上開了一個(gè)槽，用來安裝彈性擋圈，從而可以對相心球軸承進(jìn)行軸向

58、定位。 1 定位盤 2 彈性擋圈 3 向心球軸承 4 軸承蓋 5 鎖緊套 6 定位滑套 7 槍桿 圖 3-9 軸向定位調(diào)整機(jī)構(gòu)剖視圖 軸向微調(diào)機(jī)構(gòu)其主要原理是，通過控制系統(tǒng)將帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸與槍桿的連接為一方形孔，用螺釘固定，而齒條固定在鎖緊套中，鎖緊套通過螺釘卡緊，使鎖緊套與槍桿緊固在一起，當(dāng)齒輪帶動(dòng)齒條在軸向移動(dòng)時(shí)，同時(shí)也就帶動(dòng)了槍桿在軸向運(yùn)動(dòng)，在鎖緊套上刻上尺度，就可以通過控制系統(tǒng)，再依據(jù)所刻上的尺度進(jìn)行微調(diào)。 表 3-1 為齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)。 表 3-1 齒輪計(jì)算數(shù)據(jù) 名稱 代號(hào) 計(jì)算數(shù)據(jù) 計(jì)算公式 模數(shù) m 0.8mm

59、 壓力角 α 分度圓直徑 d 16mm 齒數(shù) z 20 z=d/m 齒頂高 ha 0.8mm ha=m 齒根高 hf 1mm hf=1.25m 全齒高 h 1.8mm h=ha+hf 頂隙 c 0.2mm c=0.25m 齒頂圓直徑 da 17.6mm da=m(z+2) 齒根圓直徑 df 14mm df=m(z-2.5) 基圓直徑 db 15.04mm db=dcosa 齒距 p 2.51mm P=π*m 齒厚 s 1.25mm 齒槽寬 e 1.25mm 基圓齒距 pb 2.

60、36mm pb=pcosa 齒輪為漸開線齒輪，而齒條要保證與齒輪配合，其齒條參數(shù)必須與齒輪一致。齒輪的分度圓直徑根據(jù)結(jié)構(gòu)選取，所以要根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選取模數(shù)和齒數(shù)。用范成法加工齒輪時(shí)，如果齒輪的齒數(shù)太少，則會(huì)出現(xiàn)齒根的漸開線尺廓切去一部分的 現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為輪齒的根切。產(chǎn)生嚴(yán)重的根切的齒輪，將降低輪齒的抗彎強(qiáng)度，影響齒輪的承載能力，使輪齒的嚙合過程縮短，重合度下降，影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性。因此，設(shè)計(jì)齒輪時(shí)亦力求避免根切現(xiàn)象的產(chǎn)生。經(jīng)過所查閱的相關(guān)資料得知： （3-2） 式中 Zmin——最小齒數(shù)ha——齒頂高； α——壓力角 也就是說，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪不發(fā)生根切的最小齒數(shù)是

61、17，為此，經(jīng)查表選用了適當(dāng)?shù)哪?shù)，以避免根切的發(fā)生。 3.2.5 焊機(jī)機(jī)身部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 管板焊機(jī)的機(jī)身部分主要是一個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以及解決高頻絕緣問題。其旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的主要原理是，一力矩電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一組圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使焊炬圍繞定位芯軸旋轉(zhuǎn)，另外還有一圓錐齒輪與碼盤計(jì)數(shù)器相連，從而對旋轉(zhuǎn)行程進(jìn)行計(jì)數(shù)。 一切做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件，都必須安裝在軸上才能傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，所以此旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位就是軸的設(shè)計(jì)，由于該軸的形狀較復(fù)雜，而且需要其導(dǎo)電性能良好，故此我們選取的材料為球墨鑄鐵。對于機(jī)器中的一般轉(zhuǎn)軸，主要以滿足強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)要求。在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素： (1) 軸的結(jié)構(gòu)形狀以

62、滿足使用要求，零件在軸上的定位要可靠，保證軸和軸上零件有準(zhǔn)確的相對工作位置。 (2) 軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于提高軸的強(qiáng)度和剛度，力求受力情況合理，避免或減少應(yīng)力集中。 (3) 軸的加工及裝配的工藝性要好。綜合考慮以上幾點(diǎn)，擬定軸上零件的布置方案，布置方案的裝配方法是密封圈、導(dǎo)氣座、平鍵、導(dǎo)電套、導(dǎo)電座、絕緣套、軸承、軸承蓋、擋蓋。由于機(jī)身比較長，我們把機(jī)身分為前后兩個(gè)部分分別論述。 如圖 3-10 機(jī)身全剖圖所示，擋蓋要與前面設(shè)計(jì)的槍桿焊接在一起，而連接座主要是用來連接軟管和中心軸的，送氣、送絲的軟管從中心軸出來要與一大的軟管相連，全部放在大的軟管當(dāng)中，而平鍵的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩，通過力矩電機(jī)

63、使減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)一組圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而最終帶動(dòng)擋蓋隨中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 由于中心軸是帶電的，而要保證機(jī)身外部的絕緣，就必需在中心軸的外部用絕緣套來與外部絕緣，在中心軸內(nèi)有送氣結(jié)構(gòu)，所以必須要考慮密封問題，我們用 O 形橡膠密封圈來解決此問題。機(jī)身的后端要與送絲系統(tǒng)相連接，并且要保證中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與送絲系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)同步，因此需要中心軸與送絲系統(tǒng)相連接。 并且，對于機(jī)身的后半部分來講，其設(shè)計(jì)完全能夠滿足要求。導(dǎo)氣座的主要作用是走氣，在它上面設(shè)計(jì)了一些特殊的結(jié)構(gòu)，而導(dǎo)電座的主要作用是進(jìn)行導(dǎo)電， 使得中心軸能夠順利帶電，但又要防止漏電，所以在其外面加上了絕緣套，碳刷座共有 4 個(gè)，分別對應(yīng)著 4 個(gè)

64、導(dǎo)電環(huán)，主要是為后面送絲機(jī)的電動(dòng)機(jī)提供 4 根連接線。中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)我們選用的是雙列向心球面球軸承，該軸承能夠承受一定的傾覆力矩，并且能夠承受雙向的軸向載荷。中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)連接蓋和絕緣定位套 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，而絕緣定位套通過螺釘與后面的送絲機(jī)構(gòu)連接，從而使送絲機(jī)構(gòu)與中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)同步。 1 擋蓋 2 連接座 3 沉頭螺釘 4 中心軸 5 彈性擋圈 6 平鍵 7 錐形齒輪（大錐） 8 錐形齒輪 （小錐） 9 諧波齒輪減速器 10 絕緣套 11 軸承外蓋 12 向心球軸承 13 機(jī)身外殼 14 O 形橡 膠密封圈 15 吊座 16 光電碼盤器 17 碼盤罩 18 導(dǎo)氣座 19 導(dǎo)電座

65、20 軸承座 21 絕緣座 22 碳刷座 23 絕緣套 24 導(dǎo)電環(huán) 25 絕緣擋環(huán) 26 連接蓋 27 絕緣定位套 圖 3-10 機(jī)身全剖圖 正如上圖，電機(jī)罩、碼盤罩以及吊座都是通過螺釘與機(jī)身外殼連接在一起， 而側(cè)板是通過一個(gè)滑扣與機(jī)身相連的。如圖 3-11 所示，此為機(jī)身的立體圖。其前端與前面設(shè)計(jì)的槍桿相連，后面與送絲機(jī)構(gòu)相連，并帶動(dòng)槍桿與送絲機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 3-11 機(jī)身的立體圖 由于所設(shè)計(jì)的管板全位置焊機(jī)是用來焊接換熱管與管板的，其使用的焊接方法為鎢極氬弧焊，在焊接時(shí)需要惰性氣體（如氬氣）作為保護(hù)氣體，因此必須設(shè)計(jì)專門的氣體導(dǎo)入機(jī)構(gòu)。其中關(guān)鍵就是，氣體通過

66、機(jī)身部分如何送到前端槍體， 在經(jīng)過中心軸時(shí)，還要保證其密封性。如圖 3-10 所示，中心軸在導(dǎo)氣座內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣孔內(nèi)的氣體可以通過送氣孔送出，而進(jìn)氣孔的兩旁都裝有 O 形橡膠密封圈，能夠保證密封效果，在中心軸上開的送氣孔與前端軟管相連，最后能夠保證氣體能夠順利送到槍體內(nèi)。 3.3 釬焊工藝 3.3.1 接頭結(jié)構(gòu) 在換熱器管板結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)管接頭結(jié)構(gòu)如圖 3-12 所示，其接頭結(jié)構(gòu)主要是由銅管以及碳鋼套組成，并且銅管伸出箱體 20mm，如圖所示內(nèi)壁厚為 3mm，由此得知焊縫的坡口也應(yīng)當(dāng)為 3mm,對于通液孔也是通過碳套孔將換熱器的外壁與內(nèi)壁連接在了一起，并且能夠通過碳套孔便于換熱器外部與內(nèi)部進(jìn)行液體的交換?？傊畬τ诮宇^結(jié)構(gòu)以及碳套筒與換熱器內(nèi)外壁的連接我們主要采取的是釬焊。 圖 3-12 管板結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)管接頭結(jié)構(gòu) 3.3.2 焊前準(zhǔn)備 （1）清除導(dǎo)管邊緣以及端面的毛刺以及表面上的氧化物，可采用化學(xué)方法清除，先用10%的硫酸溶液腐蝕或用0號(hào)砂紙將導(dǎo)管一端20mm長度范圍內(nèi)以及搭接面打光并漏出金屬光澤，經(jīng)砂紙打光后再用干凈的汽油或木棉