柴油机油底壳焊接

Equipment Manufactring Technology No.4，2009
ＹＣ ４Ｅ 类柴油机油底壳的自动化焊接
林斌
（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 ２００２４０）
摘要：ＹＣ４Ｅ 类柴油机的油底壳，由于受汽车底盘的限制，壳体由上 、中、下体拼焊而成，焊接工艺采用 ＭＡＧ 熔化焊工艺 。由于采用 手工焊接而且焊接量非常大，焊缝质量极不稳定，在用户使用过程中，焊缝开裂的故障率非常高。通过更改焊缝结构，并根据油底壳 的实际情况设计 ＣＮＣ 的自动化焊接机，从而实现了自动化焊接，提高了焊接质量和生产效率，并降低了焊缝开裂的故障率，。 关键词：柴油机；油底壳；自动焊；焊缝
８０％ＣＯ２＋２０％Ａｒ
１５－２０Ｌ／ｍｉｎ
起弧：１００ｍｍ／ｍｉｎ 直线：３５０ｍｍ／ｍｉｎ 圆弧：２５０ｍｍ／ｍｉｎ
键盘
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ＣＰＵ、主板等 触摸屏
运动控制卡 伺服驱动器
伺服电机
采用以上参数焊接的油底壳，焊缝美观，飞溅少，起弧稳 定，圆弧位置虽然在夹紧状态下焊接，但由于焊接变形的影 响，搭接的缝隙比直线段要大，所以焊接速度比直线段时要慢 一点，以使圆弧处焊缝饱满， 为提高起弧的稳定性，在起弧位 置设置了一段约 ５ｍｍ 长的低速起弧段。实践证明，增加低速 起弧段后，起弧的成功率接近 １００ ％。
油底壳上体
油底壳中体 油底壳下体 放油塞座
１ ＹＣ４Ｅ 柴油机油底壳自动化焊接的背景
图 １ ＹＣ４Ｅ 油底壳组件示意图
ＹＣ４Ｅ 油底壳由 ２．０ ｍｍ 的低碳钢板经冲压、焊接而成（结 构如图 １）。由于受汽车底盘及装机油量的限制，油底壳没有办 法一次成型，只能分上、中、下体拼焊成型，焊接顺序为先焊上 体与中体焊缝，再焊上体与中体间的加强圆钢，焊下体与放油 塞座，最后焊中体与下体间的焊缝。因焊缝长，又有内圈及外 圈焊缝，如用一般的缝焊焊接，只能焊接中下体的外圈焊缝， 而且因板材较厚，可靠性比较低，如要焊接内圈焊缝，必须投 入专用的缝焊设备，投资较大。因此，一直以来都采用熔化焊 进行焊接，焊缝结构采用端接结构（如图 ２ 所示）。这种结构的 优点是可以减少两套切边的模具，可以采用氩弧焊、ＣＯ２ 保护 焊等多种方法进行焊接；缺点是焊缝太小，不适合自动化焊 接，效率低，而且承受震动和应力的能力差，三包反馈出现中 上体焊缝焊接裂纹的故障率很高。为提高油底壳的可靠性及 焊接的生产效率，笔者对油底壳的焊缝结构进行了整改，由端 接焊缝更改为搭接焊缝，即将油底壳上体的内方孔，在原来的 基础上周圈放大 ５ ｍｍ；油底壳下体翻边，在原来的基础上周 圈缩小 ５ ｍｍ；中体不变。虽然增加了两套切边模具，但由于加 大了焊缝，焊缝强度明显加强。自更改焊缝结构至今已有一年 多时间，更改焊缝结构后的油底壳，焊接裂纹的三包故障率基 本为 ０。而且由于结构的更改，焊缝焊接时不再处于全位置状 态，而是处于一般的水平放置的角焊缝状态，装配精度对自动 化焊接的影响也有所降低，因此更适合熔化极自动焊的要求。 为此，笔者设计并制造了一台三轴的 ＣＮＣ 控制的自动焊接专 机，实现了 ＹＣ４Ｅ 油底壳的自动化焊接。
参考文献： ［１］ 大连工学院机械制造教研室． 金属切削机床液压传动［Ｍ］． 北京：科
学出版社，１９７５． ［２］ 哈尔滨工业大学． 液压传动［Ｍ］． 北京：国防工业出版社，１９８０． ［３］ 李少年， 那焱青， 王峥嵘， 那成烈． 关于高压子母叶片泵叶片倾角的
探讨［Ｊ］． 甘肃科学学报， ２００６， （１）： ９５－９８．
２ 结论
由此可以看出，现在生产上所用的叶片倾角似有问题。根 据文献［１］介绍，为了尽量减小压力角，以便改善叶片受力情况， 因此将叶片前倾一个 θ 角，这对吸油区来说显然是不对的，因 这时实际压力角 γ ＝ β ＋ θ，即压力角反而增大了。而且，从叶片 的受力分析中可知，为减小叶片的磨损，压力角 γ 并不是愈小 愈好， 压力角为零，N１ 及 N２ 并不等于零， 而 γ 约为 ７°～８°时，
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N１ 与 N２ 才接近于零。γ ＝７°时，θ 角应在 －６°～＋７°范围内相应 地变化，若取平均值，θ 值应近似于零度。θ ＝ ０ 时，N３ 最小。
通过上述分析，再结合转子叶片槽加工工艺性，定量叶片 泵叶片倾角似乎为零度时最为合适。国外已有个别叶片泵选 用零度倾角。双作用叶片泵叶片倾角的研究，是个十分复杂的 过程，它受过渡曲线、转子转速、叶片顶部及底部压力差及吸 油区压油区等各种条件综合影响，叶片放置是否应有倾角，仍 然值得继续探讨。
３ 自动焊接的工艺参数
ＹＣ４Ｅ 柴油机油底壳是由 ２ｍｍ 厚的低碳钢板经拉深成型 后的拼焊件，对于 ＣＯ２ 焊接来说属于薄板件焊接，表 １ 为现场 焊接的工艺参数。
表 １ 现场焊接的工艺参数表
焊接电流 焊接电压 保护气体 保护气体流量 焊接速度
上体与中体 或下体与中 １３５～１４０Ａ ２０．５Ｖ 体的焊接
收稿日期：２００９－０１－２２ 作者简介：林 斌（１９７７—），男，上海交通大学机械与动力工程学院在读工程硕士，广西玉柴机器配件制造有限公司主任工程师，主要从事柴
油机油底壳及油管的冲压、焊接方面的工装模具及相关设备的设计与研究。
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回转 ４５°，以保证焊枪与焊缝的角度在任何位置都不变→Ｙ 轴 （或 Ｘ 轴）继续做直线运动→当焊枪回到起焊位置再重叠一段 距离后，焊接结束→气缸上行→３ 个轴分别回到各自的 ０ 点位 置，从而恢复到初始状态。
油底壳中体 端接焊缝 油底壳下体
图 ２ 端接焊缝示意图
油底壳中体 搭接焊缝 油底壳下体
图 ３ 搭接焊缝示意图
２ ＹＣ４Ｅ 柴油机油底壳三轴 ＣＮＣ 控制自动焊接机
该自动焊接机采用 ＣＯ２ 焊机作为焊接电源，焊枪绕焊缝 中心点回转，油底壳固定在十字滑架上运动的方案，采用深圳 某公司生产的三轴运动控制器作为控制系统，控制三个伺服 电机的运动，其中 ２ 个伺服电机驱动十字滑架，完成焊缝轨迹 的平面曲线运功，另一个伺服电机带动焊枪绕回转中心回转， 以保证焊枪与焊缝的角度，采用教导的方式现场编程，气动送 枪，可实现平面内任意曲线焊缝的 ＣＯ２ 自动化焊接。
中图分类号：ＴＫ４２６
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００９）０４－００１８－０２
ＹＣ４Ｅ 系列柴油机是在玉柴引进美国著名汽车公司 ７．８Ｌ 的 ＹＣ６Ｇ 系列柴油机的基础上，通过减短行程和缩缸开发的 高速轻型车用柴油机，保持了 ＹＣ６Ｇ 系列可靠性高、使用寿命 长的优点，具有较高的动力性，使用维修方便。４Ｅ 油底壳由于 受汽车底盘的限制，由上、中、下体拼焊而成，焊接方法采用 ＭＡＧ 熔化极保护焊。
其焊接过程如下：焊枪由 ０ 点位置移动到焊缝上方任意 设定点→焊枪绕 Ｚ 轴中心点回转到设定的焊缝角度→气缸下 行→气缸到达最低点时，焊枪到达焊缝起弧点位置，Ｘ 轴（或 Ｙ 轴） 开始做直线运动并启动焊接开关开始焊接→到达转角 圆弧切点处，除 Ｘ、Ｙ 轴继续做焊缝轨迹的圆弧插补运功外， 带动焊枪回转的伺服电机带动焊枪绕 Ｚ 轴同时做插补运动，
图 ４ ＹＣ４Ｅ 油底壳三轴 ＣＮＣ 控制 自动焊专机控制器系统结构图
４ 结束语
Ｙ轴
焊接方向
Ｚ轴
焊缝轨迹
焊枪
焊枪 焊缝
Ａ向 Ａ
转角汽缸 Ｘ轴
０
图 ５ ＹＣ４Ｅ 油底壳三轴 ＣＮＣ 控制 自动焊接原理及装夹示意图
ＹＣ４Ｅ 柴油机油底壳三轴 ＣＮＣ 控制自动焊专机，通过控 制器控制 ３ 个伺服电机的运动，从而实现了玉柴全系列 ＹＣ４Ｅ 油底壳的 ＣＯ２ 自动化焊接，机器结构简单，编程容易，投资少， 获得了能与焊接机器人相媲美的焊接效果，该焊机焊接质量 稳定可靠，焊缝成形美观，大幅度提高了生产效率。
控制器采用 １０．４ 英寸的真彩色触控屏加 ＣＰＵ、运动控制 卡的方案（控制器的系统结构如图 ４ 所示），支持 ３ 轴的直线、 圆弧插补，３２ 路光耦隔离输入，１６ 路光耦隔离输出，采用 ｕＣＯＳ－ＩＩ 多任务实时操作系统，ＡＤＳ１．２ＥＶＣ 编程环境，可实现 多个焊接程序的存储及调用，并可以实现在同一路径上不同 位置的速度设定。自动焊接机主要的设计难点，在于焊枪回转 机头的设计、控制软件的编程及工装夹具的设计。焊接机头采 用焊丝中心穿越式设计，回转导电，回转导气，气动送枪，伺服 电机驱动，可实现焊枪绕回转轴做无限制的回转运动；控制软 件除了保证 ３ 个轴的直线 ／ 圆弧插补运动外，还包括输入、输 出点的控制，ＧＵＩ 图形界面，运动控制函数，键盘、触控屏等相 关操作函数；工装夹具的设计难点是通用性，以及如何减少焊 接变形对自动焊的影响。由于 ＹＣ４Ｅ 油底壳有 ３ 种、每种油底 壳有 ２ 种不同的平面曲线焊缝，如何实现 ６ 种不同焊缝的装 焊工装的快速更换及定位，是通用性的主要难点。解决的办法 是：每一种焊缝做一套专用的装夹工装，在十字滑架上设共用 的定位销；因 ＹＣ４Ｅ 油底壳属于薄板件，焊缝长，焊接变形大，
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上的压力角 γ 大约在 ７°～８°时，作用力 N１ 及 N２ 绝对值为最 小（接近于零）。亦就是说，从减小 N１、N２ 的观点出发，压力角 在 ７°～８°之间有一最佳值。γ 角为 ７°～８°时，相应的叶片倾 角 θ 在 －６°～＋７°之间。从 N３ 的变化规律看，当 θ 角为零度附 近时，N３ 是较小的。
参考文献： ［１］ 宋天虎． 先进制造技术的发展与焊接技术的未来 ［Ａ］． 北京：第八次
全国焊接会议论文集（第一册）［Ｃ］．北京：机械工业出版社，１９７７． ［２］ 赵家炜． Ａｒ＋ＣＯ２ 混合气体保护焊在压力容器制造上的应用研究
［Ｊ］． 化工施工技术，１９９８，２０（６）：３－７． ［３］ 程 明． 微特电机及系统［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，２００４．
Ｈｅｅｌｉｎｇ Ａｎｇｌｅ ｉｎ Ｄｏｕｂｌｅ－ａｃｔｉｎｇ Ｖａｎｅ Ｐｕｍｐ
ＺＥＮＧ Ｈｕ ， ＯＵＹＡＮＧ Ｙｉ－Ｗｅｎ （ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３ ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｗａｒｄ ｈｅｅｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ， ｅｘｐｌａｉｎｅｄ ｗｈａｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ａｃａｄｅｍｉａ ｄｅｂａｔｉｎｇ ｏｎ ｈｅｅｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ， ａｎｄ ｄｉｄ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅｅｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｏｕｂｌｅ－ａｃｔｉｎｇ ｖａｎｅ ｐｕｍｐ； ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ； ｃｅｎｔｒｏｃｌｉｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｇｌｅ β； ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ γ； ｈｅｅｌｉｎｇ ａｎｇｌｅ θ； ｍｏｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｆｏｒ ｒｉｓｅ ｔｒａｖｅｌ α.
液晶显示 （１０．４）
输入输出
《装备制造技术》２００９ 年第 ４ 期
导致搭接的缝隙很大，如控制不好，很难实现自动焊。解决的 办法是利用控制器控制输出点多的优势，配合现场编程，在下 体 ４ 个转角的切点位置，用 ８ 个转角气缸夹紧再尤其是改为 搭接焊缝后的中体与下体，焊接时 ４ 个角的翘曲变形特别大， 导致搭接的缝隙很大，如控制不好，很难实现自动焊。解决的 办法是利用控制器控制输出点多的优势，配合现焊接（如图 ５ 所示），其中 ４ 个处于夹紧状态，４ 个处于待命状态。当焊枪靠 近圆弧第 ２ 个切点位置时，负责夹紧该圆弧的第一个转角气 缸回转 ９０°并夹紧油底壳，负责夹紧该圆弧的第二个转角气 缸松开并回转 ９０°以让开焊枪，如此循环，从而实现了油底壳 的 ４ 个圆弧均处在气缸的夹紧状态下焊接，避免了焊接变形 对油底壳自动焊接的影响。