【文章內(nèi)容簡介】 優(yōu)質(zhì)焊絲的開發(fā)和保護氣體配比的優(yōu)化，使MAG焊的熔化率超越了原有的極限，對高效MAG焊賦予了全新的概念。為了保證焊接電弧穩(wěn)定燃燒和適應(yīng)各種焊接工藝要求，弧焊電源具有下列特殊要求[7]：(1)弧焊電源的靜特性(或稱外特性)即穩(wěn)態(tài)輸出電流和輸出電壓之間的關(guān)系，有下降特性(恒流特性)和平特性(恒壓特性)。(2)弧焊電源的動特性即當(dāng)負載狀態(tài)發(fā)生瞬時變化時(如：熔滴的短路過渡、顆粒過渡、射流過渡等)，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關(guān)系，用來表征對負載瞬變的反應(yīng)能力。逆變電源被稱為‘‘明天的電源’’，其在焊接設(shè)備中的應(yīng)用為焊接設(shè)備的發(fā)展帶來了革命性的變化。逆變焊接電源有著動態(tài)反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，其動態(tài)反應(yīng)速度比傳統(tǒng)工頻整流焊接電源提高了2～3個數(shù)量級，有利于實現(xiàn)焊接過程的自動化和智能控制。波形控制工藝(PMW)的獨特概念反映了逆變換流器變壓電源的特色。如圖 ，焊接的能源輸出被一個高速的放大器放大?？刂颇茉摧敵龅能浖ㄟ^優(yōu)化輸出，為焊接提供了各種熔滴過渡形式所需的最佳電流波形。圖 逆變電源的波形控制電流波形中九種重要的組成部分如圖 。而各部分之間的交互作用決定了波形具體的輸出特征。圖 脈沖波形其中，上行斜率決定了從基值電流到峰值電流的增長速度，其在焊絲末端形成熔滴過程中起重要作要，以A/ms為單位，最大可以達到1000A/ms。當(dāng)斜率增加時，電弧的硬度也會增加。斜率越大硬度越大，電弧的噪聲也會越大，減小這個增長率就會使得噪音減小。峰值電流時間表示的是電流處在峰值時的時間，它和熔滴的大小有關(guān)，以ms為單位。峰值電流時間增加，熔滴變小。峰值電流減少，熔滴變大。傳統(tǒng)的期望值是每次脈沖峰值來臨時將會有一個熔滴轉(zhuǎn)移，電流處在峰值的實際時間在不到1ms到超過3ms的范圍內(nèi)變動。峰值電流增加，平均電流值也會增加，熔深也會增加。在實際的焊接中焊絲伸出長度(即干伸長度)越長，焊絲的電阻量越大，由電阻熱消耗的電流越大，焊接電流顯示值越小，實際焊接電流也變小。對于MAG焊接，焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸(短路過渡)，由于強烈過熱和磁收縮的作用使熔滴爆斷，產(chǎn)生飛濺，影響焊接質(zhì)量和焊縫外形。試驗結(jié)果表明，焊接飛濺主要來自焊接引弧過程。 因為從焊接引弧到穩(wěn)定的射流過渡需要一定的時間，在未達到穩(wěn)定射流過渡之前的熔滴過渡形式為不規(guī)則的短路過渡與大顆粒過渡的混合，所以會產(chǎn)生大量的焊接飛濺，即引弧過程是不穩(wěn)定的過程。 焊絲末端固態(tài)金屬熔球直徑越大，熔球與工件相接觸面積越大，電阻值越小，接觸電阻熱也就越小。另外，固態(tài)金屬熔球直徑越大，焊絲伸出長度部分的熱容量也就越大，如圖 。圖 焊絲與工件接觸工況圖中A點附近焊絲的溫度也就低，而焊槍導(dǎo)電咀與焊絲的接觸點B處電阻熱較多，則易在B點附近過熱爆斷。這時爆斷的焊絲長度大于維持電弧燃燒的長度，所以電弧無法建立。于是焊絲再短路，再爆斷，如此反復(fù)幾次直至被爆斷的焊絲長度等于或小于維持電弧燃燒長度，電弧建立。焊絲末端固態(tài)金屬熔球直徑小，A點接觸面積小，通過接觸面的電流密度增加，電阻熱增加。另一方面，熔球尺寸小，熱容量減少，這使得焊絲易在A點附近過熱爆斷，爆斷長度短，電弧易引燃。因此，調(diào)節(jié)電源外特性可以方便的提高焊接質(zhì)量。提高短路電流增長速度，主要是改善電源的工作狀態(tài)。在整流焊機中往往利用電流電感調(diào)節(jié)焊機的動態(tài)特性，以便減小飛濺和改善成形，但是卻降低了，而降低了引弧功率。為此，在引弧時常常利用旁路電路將直流電感短接，而引弧成功后再將該電感接入。但是當(dāng)逆變焊機出現(xiàn)后，充分利用電子電抗器調(diào)節(jié)電源動特性，選用很小的直流電感，所以勿需采用上述方法，都可以得到很可靠的引弧過程。焊接時保護氣用于保護金屬熔滴以及熔池免受外界有害氣體(氫、氧、氮)侵入，防止氣孔的形成，小電流焊接時，氣體流量不能太小，氣體流量太小，焊縫周圍被氧化發(fā)黑的程度越高。本設(shè)備焊接過程中氣體流量定為1015L/min。雙絲焊是在同一個熔池和保護氣體下，同時使用兩個電極進行焊接的技術(shù)，它可以極大限度地提高效率，減小焊接變形，提高焊縫表面質(zhì)量。在單絲MAG焊接中,提高焊接速度是很有限的，因為增加焊接速度必須伴隨著電弧電壓的升高，熔池變得難以控制。雙絲焊接中每一個電極必須有單獨的電源，兩根焊絲的熔滴形成與短路時間要精確控制，如圖 ，前一個電弧電流稍大些讓冷的母材金屬加熱熔化，熔池由緊隨而來的第二個電極電弧填上。注意的是保護氣應(yīng)該延后斷氣，且兩電極相互絕緣，焊槍也要配備強大的雙冷卻系統(tǒng)。圖 熔滴過渡時間配合對于本設(shè)備，由于接頭處較小，主電極電壓為22V ，電流為110A。從電極電壓為23V，電流為100A。因為沒有試驗證實，故對參數(shù)的設(shè)計大多是理論和經(jīng)驗上的估計，參數(shù)的配合還需要在實際生產(chǎn)中不斷調(diào)整，但是雙絲焊接的前景以及優(yōu)勢還是不容置疑的。4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 回轉(zhuǎn)工作臺是本文創(chuàng)新之處，為了滿足焊接工藝要求重新設(shè)計，焊接過程中工作臺承載工件作回轉(zhuǎn)運動。從工件的外形如圖 ，fitting的直徑與壓縮機直徑比例懸殊，達到了1：20，從理論上看，讓壓縮機的殼體繞著這么小的fitting的中心旋轉(zhuǎn)似乎有點得不償失，畢竟如果換成是焊槍旋轉(zhuǎn)而工件不動的話可以更加迅速的完成焊接(已有設(shè)備的方案)，但是從焊接實際的情況來看，焊接質(zhì)量經(jīng)常達不到要求，電弧在回轉(zhuǎn)過程中不可避免的會產(chǎn)生晃動。因此，本課題重新設(shè)計焊接工藝，讓工件做回轉(zhuǎn)運動而焊槍保持不動，這必然導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。為保證生產(chǎn)效率，將工作臺設(shè)計成二工位，即在大回轉(zhuǎn)工作臺的上面安置兩個工位小回轉(zhuǎn)工作臺，在焊接的同時進行上下料。小回轉(zhuǎn)工作臺承載工件，fitting的中心與小工作臺的中心重合。殼體繞fitting的轉(zhuǎn)動可以轉(zhuǎn)化成工作臺的自轉(zhuǎn)。圖 小工作臺組件小工作臺組件是本設(shè)備設(shè)計的重點，主要包括伺服電機，渦輪蝸桿減速器，轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)軸及軸承套等部件。三菱PLC配合安川伺服系統(tǒng)進行自動控制，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。傳動部分部件采用高精度機器加工，保證加工質(zhì)量，使焊接過程平穩(wěn)，減小轉(zhuǎn)軸徑向跳動，同時伺服控制可以做到無級調(diào)速[8]。裝配圖如圖 。工作臺右側(cè)所示調(diào)節(jié)螺栓用來調(diào)節(jié)下定位模具同軸度。伺服電機水平安放，首先是考慮到伺服電機轉(zhuǎn)速較大，整個系統(tǒng)的減速比在600：1左右，必須采用渦輪蝸桿減速器，其次是因為水平安放能更好的防止雜質(zhì)對電機內(nèi)部的危害，更好的保證電機的運轉(zhuǎn)精度。電機軸與渦桿的連接采用剛性套筒聯(lián)軸器，因為轉(zhuǎn)矩很小，用圓錐銷固定。對于高速伺服電機，電機軸的扭矩較小，而由于fitting處于轉(zhuǎn)盤中心，轉(zhuǎn)盤的直徑必然要做成那么大，為680mm。為了換算到電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量減小，小于電機的額定轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)盤的重量盡量輕，預(yù)計為50kg。轉(zhuǎn)軸由軸瓦和圓錐滾子軸承支撐，可以平衡渦輪徑向力對軸徑向的沖擊，使用兩個圓錐滾子軸承是為了更好支撐，采用背對背安裝可以相互平衡軸向力。軸承的型號是30212。鎖緊螺母加套筒不但可以對軸承軸向定位還能施加一定的預(yù)緊力防止在運轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)軸軸線的漂移。本題中的三個電機選擇方法相同，本文以小工作臺的電機選擇為例說明。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)目前采用的電機一般有步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機。對于本設(shè)備，對于位置的控制精度要求較高，位置的定位直接關(guān)系到焊接質(zhì)量?？紤]到步進電機在高速時，輸出力矩會急劇下降，運行不穩(wěn)定。因此此處采用交流伺服電機，一方面為了以后閉環(huán)控制系統(tǒng)的改進留有余地，另一方面也能充分保證運行的可靠性[9]。a)伺服電機容量的初始選擇選擇條件：負載轉(zhuǎn)矩電機的額定轉(zhuǎn)矩 滿負載轉(zhuǎn)動慣量3伺服電機轉(zhuǎn)動慣量對工作臺轉(zhuǎn)速的要求 渦輪蝸桿減速器的傳動比選為 ，伺服電機自帶減速器傳動比為5：1，故系統(tǒng)傳動比. 1)計算負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換到電機軸上的等效值和負載慣量轉(zhuǎn)換到電機軸上的等效值將負載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換到電機轉(zhuǎn)軸上， ()工作臺驅(qū)動方式如圖 ，電機轉(zhuǎn)軸經(jīng)過減速器、聯(lián)軸器、軸承，有效率損失，假設(shè)。工件的高度為320mm，小工作臺的直徑為680mm，負載的重量為50kg。圖 驅(qū)動方式 式中， () 工件在工作臺的一側(cè)繞工作臺中心回轉(zhuǎn)，如圖 圖 轉(zhuǎn)動慣量計算示意圖 () 其中R=130mm, = 140mm，= 20kg式中， ， ，表示渦輪的直徑，對于減速比達到120：1的減速器來說，最小的渦輪齒數(shù)為120(當(dāng)頭數(shù)為1時)，一般取模數(shù) ， 將負載的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到電機轉(zhuǎn)軸上， ，滿足考慮到安全系數(shù)，初步選擇電機的額定功率為400w，具體參數(shù)如表 。表 安川伺服電機型號伺服電機型號伺服電機轉(zhuǎn)動慣量減速比輸出(w)額定轉(zhuǎn)速(r/min)額定扭矩(N*m)SGMAH04AA