油缸马鞍形曲线焊缝自动焊工艺

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Mining & Processing Equipment
油缸马鞍形曲线焊缝自动焊工艺
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ９ 期
接头座一侧偏离，造成焊缝与油缸体出现未熔合缺 陷。为消除未熔合现象，可采取以下措施：
（１） 适当增加焊接规范 （U 和 I）； （２） 施焊时焊枪沿焊缝适当作横向摆动，这样可 使焊缝和两侧的基体熔合较好。为此，设计了焊枪摆 动时不同摆幅和不同步长的几个工艺试验，其中 I ＝ ２３０ Ａ，U ＝ ３０ Ｖ。焊丝伸出长度为 ２０ ｍｍ，气流量 为 ２０ Ｌ／ ｍｉｎ，焊丝 Ｈ０８Ｍｎ２ＳｉＡ，φ １．２，结果如表 １ 所示。其中摆幅是指焊枪来回摆动最远点之间的距 离，步长是指焊枪每摆动一次以后焊枪沿焊接方向前 进的距离；
焊枪从 A 点焊接到 G 点时要熄弧，由于要保证 再次引弧焊接时焊缝在 G 点的搭接质量，在 G 点处 直接熄弧，不用将弧坑填满。而再次引弧时，是从 G 点的前方 ７ ｍｍ 处引弧，然后快速向后移动到 G 点， 再返回以正常的焊接速度向前进行后半段焊缝的焊 接。这样，既将弧坑填满了，又保证了接头的质量， 也不会使接头余高过大。
２ 焊接工艺
下，焊枪 １ 从 G 点引弧，经过 H、I、J、K、L 点后 在 A 点收弧，如图 ４ ｄ～ｆ 所示，从而完成整条焊缝的
２．１ 焊接方法和焊接材料
为了提高生产率，保证产品质量，降低生产成 本，采用 Ｃ Ｏ２ 气体保护焊进行油缸各焊缝的自动焊 接。油缸各零件均为 ４ ５ 钢，油缸体壁厚约为 １ ０ ｍｍ， 焊丝选用 Ｈ０８Ｍｎ２ＳｉＡ［６］，φ １．２ ｍｍ，沿焊缝坡 口单道焊即可满足设计要求。
设备有限公司生产的 ２０００Ｍ 型三轴 联动的数控系统。它可电机 ３． 零件旋转机构 ４． 电气控制箱 ５． Y 轴步进电机 ６． Z 轴步进电机 ７． 前后平移机构 ８． 焊枪 １ 旋转机构 ９． 沿 Y 轴移动机构 １０． 焊枪上下机构
１１． 焊枪 １ １２． 焊枪 ２ １３． 焊枪 ３ １４ 油缸焊接合件 １５． 托起机构 １６． 夹紧机构 图 １ 设备组成
１．２ 工作原理
实现马鞍形焊缝自动焊接的工作原理如图 ２ 所 示。
油缸马鞍形曲线焊缝自动焊工艺 图 ３ 马鞍形焊缝
（ａ） 从 A 点到 C 点 （ｂ） 从 C 点到 E 点
图 ２ 马鞍形焊缝自动焊接工作原理
图中的虚线为焊枪 １ 和油缸体旋转移动后的位
（ｃ） 从 E 点到 G 点 （ｄ） 从 G 点到 I 点
焊接电流 （Ａ） 焊接电压 （Ｖ） 焊接速度 （ｍｍ／ ｍｉｎ） 焊丝伸出长度 （ｍｍ） ＣＯ２ 气体流量 （Ｌ／ ｍｉｎ） 收弧电流 （Ａ） 收弧电压 （Ｖ） 收弧时间 （ｓ）
２３０ ３０ ２８０～３５０ ２０ １５～２０ １００ １９ ２
GI 段焊缝坡口较宽的地方可以适当摆动焊枪，以保
证焊缝尺寸。通过大量的工艺试验，优选出了较好的
（上接第１００页） 对 ５ 台变压器的更新改造，年降低有功 电量消耗约 １７０ １００．５４ ｋＷ·ｈ，节约电费 ７６ ５４５．２４ 元。
５ 实际综合电耗比较
如表 ２ 所示。从表中可以看出，综合电耗明显降 低，虽然 ２００５ 年比 ２００３ 年增加采剥量 ３０ ８１８ ｔ，但 总用电量却降低了 ３１５ ６８９．７４ ｋＷ·ｈ，若电价按 ０．４５
数控程序进行工作，控制 X 轴、Y 轴和 Z 轴 ３ 个步 进电机联合运动，驱动相应的机械机构，实现焊枪 １ 相对于马鞍形焊缝轨迹的移动；而且能对输入信号进 行处理，驱动各个气缸、焊机等工作，实现整个自动
１ 设备组成及工作原理
通
１．１ 设备组成
用
所研制的设备组成如图 １ 所
示。 电气控制采用是南京华兴数控
（修改稿日期：２００６－０７－０８）
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第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ９ 期
紧位置和落料位置。焊枪上下机构可带动焊枪上下移 动，将焊枪送到焊接位置和调整位置。零件夹紧机构 的主要作用是夹紧和松开零件。焊枪 １ 前后平移机构 可驱动焊枪 １ 进行前后平移 ２０ ｍｍ。
拖拉机铲刀臂油缸有 ５ 条焊缝，其中油缸体和 油管接头座之间的焊缝为一条马鞍形空间曲 线焊缝，焊后要进行油压密封性检验，要求在 １ ６ Ｍ Ｐ ａ 的油压下无渗漏。过去采用手工电弧焊，焊接难 度大，焊接质量难以保证，经常出现 焊接渗漏现象。对于空间曲线焊缝的 焊接，在工业发达国家已大量使用焊 接机器人进行自动化焊接来保证焊 接质量和提高生产效率［ １ ，２ ］ 。在国 内有采用机械靠模的办法［ ３ ］ ，但调 整复杂，灵活性差；利用工业计算 机数控系统和机器人进行空间曲线 自动焊接的装置也不断地被开发和 应用［ ４ ，５ ］ 。由于此油缸焊缝质量要 求高、生产批量较大。因此迫切需 要开发一种自动焊设备和工艺，以 实现油缸的马鞍形焊缝和其它焊缝 的自动焊。
２．３ 提高焊缝熔合性的措施
由于零件在装配点焊时有一定的位置误差，焊枪 １ 在运动过程中也会产生误差，而且购买的焊丝都是 卷在圆盘上的，所以伸出焊枪的焊丝是弯曲的，这些 都会造成焊枪 １ 和焊缝中心的相对位置产生误差。由 于油缸体的壁厚较厚，尺寸较大，而油管接头座的尺 寸较小，散热条件差；且采用的焊枪倾角为 ４ ５°，焊 接时伸出的焊丝总是向上弯曲，所以焊缝容易向油管
６ 结束语
降低变压器损耗的措施较多，比如通过合理安排 变压器运行台数和提高变压器负载的功率因数等，各 单位可根据配电设备及用电负荷的实际情况，充分利 用自身条件，选择有效的降损措施，才能取得较好的 节能效果。
参考文献 １ 王士政主编． 工矿企业电气工程师手册． 北京：中国水利水电出
版社，２００２．□ （收稿日期：２００６－０１－１２）
小步长 （１ ｍｍ）
缝下部的焊瘤比较大
焊枪摆动采用小摆幅 （ｍｍ） 和小 焊缝的焊脚为 ８ ｍｍ ，角焊缝
步长 （１ ｍｍ）
下部有焊瘤
可以固定不变，从而
表 ２ 焊接规范参数表
简化了控制和调整过 程。考虑到焊缝在不 同段的坡口尺寸不 同，而且开始焊接 时，零件处于冷态， 焊到最后时处于热 态，所以在不同的焊 缝段采用了不同的焊 接速度，在 AB 段和
（ｅ） 从 I 点到 K 点 （ｆ） 从 K 点到 A 点 图 ４ 马鞍形焊缝焊接工艺过程示意图
首先焊枪 １ 在油缸体圆柱面的最高点偏前 １０ ｍｍ 处，焊枪移下后零件反向转动，焊枪 １ 正向旋转，同 时沿 Y 轴方向作相应运动，在此 ３ 轴的联动配合下， 焊枪 １ 从 A 点引弧，经过 B、C、D、E 点后在 G 点 收弧，如图 ４ ａ～ｃ 所示。然后平移气缸动作，带动焊 枪 １ 向后平移 ２０ ｍｍ，使焊枪 １ 移动到油缸体圆柱 面的最高点偏后 １ ０ ｍ ｍ 处。焊枪 １ 和零件重新返回 到第二起焊点 G 点，零件正向转动，焊枪 １ 正向旋 转，同时沿 Y 轴作相应运动，在此 ３ 轴的联动配合
焊接。最后焊枪移上，零件和焊枪 １ （X、Z、Y） ３ 轴 联动） 返回起始原点。
这种焊接工艺过程的优点是：采用下坡焊接，熔 池在最高点凝固，便于焊缝的成形，第二次引弧在第 一次的收弧点，保证了接头的质量；在焊接 AC 段和 GI 段时，焊枪 １ 和焊缝的相对位置较好，保证了该 段的焊接质量。缺点是：需焊枪 １ 平移机构，需两次 引弧焊接完整条焊缝。
２．２ 马鞍形焊缝的自动焊接工艺过程
马鞍形曲线焊缝如图 ３ 所示。为了便于表述焊接 的工艺过程和编程，对马鞍形焊缝的各特征点的位置 用 A 到 L 的字母标出。
具体工艺过程如图 ４ 所示。规定零件绕其轴心旋 转的正方向是零件顺时针旋转的方向 （从左视图看）， 焊枪 １ 沿 Y 轴移动的正方向是焊枪 １ 向右移动的方 向 （从主视图看），焊枪 １ 绕垂直方向旋转的正方向是 焊枪 １ 顺时针旋转的方向 （对俯视图看）。
（３） 焊枪 １ 的移动轨迹要沿马鞍形焊缝轨迹向油 缸体一侧 （即向外） 偏移。经焊接试验得知，当向油缸 体一侧 （即向外） 偏移量在 １．５～２ ｍｍ 时，可以综合 上述误差，保证批量生产时焊缝和基体良好的熔合 性。
２．４ 引弧和收弧处理
在焊缝的引弧和收弧的地方容易出现焊接缺陷， 而本焊缝有两处引弧和收弧的搭接，必须采取适当的 措施以提高焊缝质量。
＊ 作者简介： 韩红彪，男，１９７１ 年生，河南洛阳人，１９９３ 年 毕业于西安交通大学，现任教于河南科技大学，硕士，副教 授；研究方向：自动焊工艺及设备、机电一体化。
焊接过程的各个操作的时序控制。 托起机构对油缸的轴向、高低位置和绕其轴心转
动的角度位置起到了预定位作用，并可将零件送到夹
88888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
表 ２ 综合电耗及用电量比较
子项 采剥总量 综合电耗 总用电量
年份
（ｔ） （ｋＷ·ｈ／ ｔ） （ ｋ Ｗ ·ｈ ）
２００３
１２１ ６４１
１６．５２ ２ ００９ ５０９．２３
２００４
１２５ ０７４
１３．２６ １ ６５８ ４８１．２４
２００５
１５２ ４５９
１１．１１ １ ６９３ ８１９．４９
元／ 度计算，节约费用 １４２ ０６０．３８ 元。
通 程中焊枪头部始终处在所需焊接的位置。Z 轴运动系
统 （由 Z 轴步进电机、焊枪 １ 旋转机构组成） 可控制
用 焊枪 １ 以垂直方向为轴心进行转动，从而确保焊接过 程中焊枪 １ 的空间姿态。因此，在焊接过程中，正确 地控制这 ３ 个轴的联合转动，就可实现焊枪 １ 沿马 鞍形焊缝轨迹的相对运动和焊接姿态调整，从而实现 马鞍形曲线焊缝的自动焊接。焊枪 １ 和焊枪 ２ 同时 工作可实现油管固定座与油缸体的连接焊缝的自动焊 接，焊枪 １ 和焊枪 ３ 同时工作可实现回转销与油缸 体的连接焊缝的自动焊接。
焊接规范参数如表 ２ 所示。
３ 焊接结果
通过大量试验和批量生产证明，采用以上设备和 自动焊工艺焊接出来的焊缝满足设计要求，焊缝外观 整齐均匀，焊后全部进行油压试验，无渗漏现象，质 量明显优于原来的手工电弧焊工艺。其焊接情况如图 ５ 所示。
经过以上试验结果分析可以看出，当焊枪横向摆 动步长越小时，由于数控系统的控制局限，焊接速度 难以提高，即焊接速度越小，造成焊缝焊瘤越大，焊 脚也增大，当焊枪横向摆动摆幅越大时，会使焊缝焊 脚越大，焊瘤也越多。由于油缸焊缝的设计要求的焊 脚只有 ６ ｍ ｍ，所以，采用焊枪摆动时应采用小摆幅 （１ ｍｍ） 和大步长 （３ ｍｍ）；
置。X 轴运动系统 （由 X 轴步进电机、零件旋转机构
和夹紧机构组成） 可控制油缸体绕其轴心进行转动，
把所需焊接的位置依次转动到最高点，从而确保焊接
过程中熔池始终保持为平焊位置。Y 轴运动系统 （由
Y 轴步进电机、焊枪 １ 沿 Y 轴移动机构组成） 可控制
焊枪 １ 沿油缸体轴向进行水平移动，从而确保焊接过
从 A 点引弧时，由于焊件基体还是在冷态，所以 焊缝熔宽小、余高较大，但在最后收弧时，焊件基体 已处在热态，所以焊枪 １ 移到 A 点后再向前较快速 的移动约 １０ ｍｍ，即进行焊缝的首尾搭接焊接，使引 弧段的焊缝重熔，以保证引弧出的焊接质量。由于焊 接电流较大，焊完时突然断弧容易在焊缝收弧处产生 凹陷的弧坑，一般要进行收弧处理。所用焊机具有收 弧功能，在收弧处转换为较小的焊接电流和较小的焊 接电压 （即收弧电流和收弧电压） 焊接几秒钟，将弧坑 填满后再熄弧。
油缸马鞍形曲线焊缝自动焊工艺
第 ３４ 卷 ２００６ 年第 ９ 期
论文编号：１ ０ ０ １ － ３ ９ ５ ４ （ ２ ０ ０ ６ ） ０ ９ － ０ １ ０ １ － １ ０ ３
油缸马鞍形曲线焊缝自动焊工艺
＊ 韩红彪 １ 崔 琦 ２ 贾现召 １ 李济顺 １
１ 河南科技大学先进制造技术重点学科开放实验室 河南洛阳 ４７１０３９ ２ 洛阳工业高等专科学校
表 １ 焊枪摆动工艺试验表
试验内容
试验结果
焊枪摆动采用大摆幅 （３ ｍｍ） 和 焊缝的焊脚为 １ ０ ｍ ｍ ，角焊
大步长 （３ ｍｍ）
缝下部有焊瘤
焊枪摆动采用小摆幅 （１ ｍｍ） 和 焊缝的焊脚为 ７ ． ５ ｍ ｍ ，焊缝
大步长 （３ ｍｍ）
质量较好
焊枪摆动采用大摆幅 （３ ｍｍ） 和 焊缝的焊脚为 １０ ｍｍ，角焊