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真空充压焊接设备的设计

一个国家焊接设备的技术水平往往是其工业和科技现代化的重要标志之一。“2025年中国制造”计划提出后,中国制造业发展迅速。对焊接设备,特别是自动焊接设备的需求也在迅速增长。稳压盘是汽车发动机的关键部件。由于其焊接工艺的特殊性,产品长期依赖进口。因此,迫切需要研制一种能够完成稳定盘产品焊接的自动批量焊接设备。

1 稳压盘焊接介绍

稳压盘是由2个厚度为0.3mm的不锈钢膜片焊接而成,如图1所示。产品的特殊之处在于其密闭内腔在焊接后需具有一定压力的惰性气体。所以,稳压盘的焊接过程需满足:①在具有一定压力的惰性气体环境下完成焊接;②为了提高稳压盘密闭腔内惰性气体的纯度,需要在充入惰性气体前将密闭腔抽成真空状态,甚至进行多次气体置换;③降低成本,提高生产率,焊接过程需要实现自动化和批量化。

图1 稳压盘示意图

结合稳压盘产品特点,采用氩弧焊的焊接方式进行焊接。膜片放在具有一定压力的氩气环境中,通过焊接专机完成零件的定位、压紧、焊接、输送。所以,稳压盘焊接设备主要由提供一定压力氩气环境的焊接环境系统和完成多组产品自动化焊接的焊接专机系统组成。

2 焊接环境系统

2.1 焊接环境系统简介

焊接环境系统主要功能是为焊接专机系统提供符合焊接要求的焊接环境,焊接专机系统整体放入焊接环境系统的压力容器中,实现在要求环境下焊接的目的。焊接环境系统与焊接专机系统既相互独立,又相辅相成。焊接环境系统主要由压力容器及其附件、真空泵、氩气气瓶组等组成,如图2所示。

图2 焊接环境系统示意图

压力容器上设置有真空计、压力变送器、温度变送器、安全阀、手动微调阀 (精确调节压力容器内的压力至所需环境压力)、排气阀、接线孔等常规附件;还设置有方便人工取件和放件的 “快开式操作窗口”;由于氩弧焊焊针使用时易出现烧蚀,所以在压力容器上设置有 “焊针检查操作窗口”,方便检查、更换焊针,缩短设备维护时间;为方便焊接专机的放入和修护维修,压力容器一端封头设置为法兰连接。

2.2 焊接环境系统特点

该焊接环境系统具有以下特点:(1)发射机在操作屏上实时显示焊接环境的真空度、氩气压力、环境温度等参数,便于操作人员对焊接环境进行监控。(2)压力容器的设计压力为1.5MPa,即使焊接腔压力较高,焊接专用机也能完全满足要求;(3)减小压力容器内腔体积,缩短真空时间,减少惯性气体消耗,提高产品生产效率,降低成本。(4)实现了真空泵上气动球阀的自动控制和各气体通道的自动控制,操作台上的工作人员可以实现对焊接环境的精确模拟。

3 焊接专机系统

3.1 焊接专机系统简介

焊接专机系统主要包括专机台架、旋转机构、膜片压紧机构、驱动轴离合装置、焊枪精密调节系统、高清视频监控系统等组成,如图3所示。

图3 焊接专机系统示意图

3.2 焊接专机系统特点

由于特殊的焊接环境,整个焊接专机系统需要整体放在有压、密闭的压力容器中,工人无法参与焊接过程,所以焊接专机系统高度自动化,整个焊接专机系统共使用8个伺服电机 (旋转机构1个、膜片压紧机构3个、驱动轴离合装置2个、焊枪精密调节机构2个);②考虑到焊接环境的时间成本较高 (抽真空大约需要12.5 min,注氩气大约需要25 min,放气大约需要15 min),因此专机采用多工位焊接,一次模拟焊接环境可焊接20个稳压盘;③为降低注入高纯度氩气的成本,焊接专机系统高度集成,以减小压力容器的空间;④由于专机工作环境恶劣 (真空到0.6 MPa氩气环境),专机的执行机构(伺服电机、电缸等)均进行了特殊处理;⑤焊接专机系统中大盘旋转电机不带抱闸和回转支承不带自锁,驱动轴和连接盘连接时有锥形孔定位机构,可消除回转支承的定位误差;⑥在操作精密焊枪调节机构时,有40倍放大的高清视频监控系统辅助,可以辅助工人将焊枪调节到合适的焊接位置上。

3.3 焊接专机系统工作流程

打开压力容器快开操作窗口,点动大盘旋转电机,将40个膜片两两一组放入指定工装内→关闭压力容器快开操作窗口,打开真空泵与压力容器中间的气动球阀 (下称气动球阀1),打开真空泵将压力容器抽真空至小于0.5 P a→关闭气动球阀1,关闭真空泵→打开氩气气瓶组与压力容器之间的气动球阀(下称气动球阀2),打开氩气气瓶组开始注入氩气至50 000 Pa(0.05 MPa)→关闭气动球阀2,关闭氩气气瓶组→打开气动球阀1,打开真空泵再次将压力容器抽真空至小于0.5 Pa(这么做是为了保证压力容器中氩气的纯度)→关闭气动球阀1,关闭真空泵→打开动球阀2,打开氩气气瓶组开始往压力容器中注入氩气至0.6 MPa→关闭气动球阀2和氩气气瓶组→启动压紧电缸,将20对膜片压紧→调节焊枪精密调节结构的电机,通过高清40倍放大摄像头将焊枪调节到位→离合电缸启动,将膜片驱动电机和待焊接的膜片连接起来→膜片驱动电机开启→焊接电源开启(引弧)→膜片驱动电机旋转365°时、焊接电源关闭→膜片驱动电机关闭→离合电缸启动,将膜片驱动电机与焊接完成的稳压盘分离→大盘旋转电机启动,将第2个要焊接的膜片送入焊接位置→离合电缸启动,将膜片驱动电机和待焊接的膜片连接起来→以此类推、完成20对膜片焊接后,大盘旋转电机启动将大盘旋转回接近开关指定的原点位→打开压力容器放气阀开始放气至大气压→打开压力容器快开窗口,取出焊接完成的稳压盘,并放入待焊接的膜片,进入下一个焊接过程。焊接合格的稳压盘如图4所示。采用真空充压焊接设备焊接的稳压盘通过了用户要求的各项测试及试验,整体性能优良,满足厂家各项技术指标。

图4 焊接合格的稳压盘

4 结论

所设计的真空充电焊接设备具有以下优点:(1)自动化程度高,除收放部分外,操作人员可通过操作平台的触摸屏对整个系统进行控制;(2)可靠性高,焊接过程中可以用40倍放大的高清晰度视频设备对焊接过程进行监控和记录,及时发现焊接过程中的各种问题,保证焊接合格率;(3)生产效率高,一次焊接可焊接20种稳定的压力盘产品,合格率达90%以上。

销售:王先生

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