李坤全 邵凤翔
(河南工程学院 机械工程学院,郑州 451191)
摘要：针对圆形硅钢片多层焊接，采用氩弧焊机作为热源设计了整套焊接系统，主要由机柜、功能组件、控制系统和焊机系统等组成。其中功能组件由定位机构、压紧机构、焊枪升降机构、旋转机构以及对应机加件组成，自动实现硅钢片的定位、压紧、焊接和上下料等功能，提高生产效率。同时压紧机构可实现硅钢片的轴向压紧力大于4 000 N，焊枪升降机构可一次性完成100片硅钢片的多层叠加焊接，确保了焊接质量的稳定性。
关键词：硅钢片 氩弧焊接 系统设计 功能组件
焊接技术在机械结构的制造生产过程中，起到了非常重要的作用[1-3]。根据实际需求，发展了氩弧焊、电阻焊、超声波焊、摩擦搅拌焊及激光焊等方法，每种焊接方法都有其独特的特点及应用[4-8]。其中氩弧焊作为使用最广泛的一种焊接技术，已经在航空航天、汽车、船舶及五金生产中得到大量应用[9-12]。但是目前的氩弧焊大多采用简单的人工操作方式，这种生产方式的成本随着人力成本的增加而增加，已经不能满足批量生产的要求。
硅钢片作为一种含碳量极低的硅铁软磁合金，含硅量一般为0.5%～ 4.5%，向其中加入硅可提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗(铁损)和磁时效，这种材料主要用来制作各种变压器、电动机和发电机的铁芯。目前硅钢片焊接的主要为氩弧焊，为提高生产效率，必须通过提高设备的自动化水平，对系统或者部件进行技术升级，满足焊接质量及效率要求[13]。
文中结合电机内铁芯中多层硅钢片焊接的实际需求，设计整套氩弧焊接生产系统，并对各个部件功能进行描述。
1.1 圆钢片产品及焊接要求
待焊产品为某电动机内的铁芯，材质为硅钢片，一般铁芯主要由多个硅钢片叠加在一起焊接成形，硅钢片采用激光切割成形，精度较高。文中所述硅钢片最大外形尺寸为φ235 mm，材料厚度1 mm。现需设计专用设备，将100片硅钢片叠加在一起，按要求组装后，所有硅钢片需保证一定的同轴度；组装完成后采用拼焊形式将其焊接在一起，焊接时需对硅钢片轴向方向施加不小于4 000 N的压力。要求一次焊接成型且尽可能的缩短焊接时间(提高产能)，而且所有相邻的两块硅钢片之间均不得有漏焊和虚焊的现象。焊接完成后需对其进行破坏性测试和导磁测试，检验其焊接强度和导磁性。
图1 焊接产品图
1.2 设备的总体设计
根据焊接要求，综合产能、经济性和焊接强度考虑，采用氩弧焊对硅钢片进行焊接，焊接压紧采用大缸径气缸。
根据氩弧焊的特点，文中设计了专用设备，如图2所示。设备主要由机柜、功能组件、控制系统和焊机系统等组成。设备设计成双工位焊接，采用人工上下料，自动压紧，在完成对硅钢片的压紧和定位以后，焊枪升降机构开始工作，同时焊枪开始焊接，机构一起联动，最终完成对硅钢片的加压焊接。该设备焊接效率和焊接质量较高,其中机柜内集成电气元件板等。焊接系统主要由氩弧焊机和保护气(含气管、压力表等)组成。
图2 设备总体机构图
2.1 功能组件总体功能
功能组件主要用于实现硅钢片的定位、压紧、焊接和上下料四项功能。如图3所示，功能组件主要由定位机构、压紧机构、焊枪升降机构、旋转机构以及对应机加件组成。其中，定位机构可实现硅钢片的定位和径向夹紧；压紧机构可实现硅钢片的轴向压紧(施加压力大于4 000 N)；焊枪升降机构可完成100片硅钢片的焊接；旋转机构可使定位机构变成一个双工位机构，增加设备稼动率，减少人工上下料的等待时间，即焊接的同时可以进行上下料。
2.2 定位机构设计
定位机构主要由气缸、定位块1、定位块2、直线运动副以及对应机加件组成。其中，定位块1处于活动状态，定位块2则处于固定状态。直线运动副共有4个，每个直线运动副内均有一个复位弹簧，4个直线运动副和定位块1连接在一起，可随着直线运动副进行往复运动；自然状态下，定位块1处于松开状态，即此时定位块远离定位块2，焊接时，气缸伸出，在直线运动副导向的作用下定位块1将硅钢片压紧，最终的压紧力由弹簧提供，夹紧机构如图4所示。
定位块1和定位块2均为仿形设计，人工硅钢片放入后，即可实现初步的定位，后经气缸压紧，定位块1可对硅钢片进行精确的二次定位(径向方向)。
图3 功能组件机构图
图4 定位机构图
2.3 压紧机构设计
定位机构将硅钢片进行径向定位压紧后，压紧机构开始对硅钢片进行轴向方向的压紧。压紧机构分为上下两部分，下部分主要起阻挡作用，焊接前，下部分首先往上运动(运动时有直线运动副导向)，然后上部分开始下压，最终完成对硅钢片的轴线压紧，压紧机构如图5所示。其中，上部分和下部分的压紧气缸缸径相同，二者均配备电气比例阀，下部分的气压大于上部分气压，气缸缸径为100 mm，可提供大于4 000 N的力，满足焊接需求。
2.4 焊枪升降机构设计
焊枪升降机构为文中设计的核心机构，该机构为一个同步带传动和滚珠丝杆传动的综合体，同步性好，易于控制(采用PLC控制)。
如图6所示，焊枪升降机构主要由导向机构、连接板、焊枪组件、驱动机构以及对应机加件组成。其中驱动机构为整个焊枪升降机构提供动力；导向机构可保证焊枪能够实现直线运动(上下运动)；焊枪组件可实现焊接前后焊枪水平位置的往复运动；连接板起过渡作用，将导向机构、焊枪和驱动机构三者连接在一起。
图5 压紧机构示意图
图6 焊枪升降机构图
2.5 驱动机构设计
驱动机构主要由一个伺服电机、两个滚珠丝杆组件、三个同步轮、一个惰轮组件和一根同步带组成。
驱动机构如图7所示，其中惰轮组件可调节机构张紧程度。同步轮和滚珠丝杆组件的螺母连接在一起(二者无相对运动)。伺服电机输出轴端部也连接有一同步轮，当伺服电机运动时，同步带将运动传递给惰轮组件和两个滚珠丝杆组件。滚珠丝杆组件的丝杆和连接板固定在一起，二者无相对运动，连接板和导向组件固定在一起可保证机构的平稳性。当伺服电机运动时，同步轮驱动同步带，同步带又驱动和滚珠丝杆组件连接的同步轮，由于同步轮和滚珠丝杆组件内的螺母连接在一起，故此时两个滚珠丝杆组件内的螺母也开始旋转，此时在导向组件的作用下，连接板可实现高精度的上下运动。其中，焊枪组件固定在连接板上，连接板运动时带动焊枪进行运动。
图7 驱动机构图
2.6 导向机构设计
导向机构主要由为一固定架和线性滑轨组成，机构组成如图8所示。
图8 导向机构图
2.7 焊枪组件设计
焊枪一共有6个，均匀分布在连接板上。焊枪组件如图9所示。由2.4节中描述可知，焊枪组件固定在焊枪升降机构下方，二者通过螺栓固定在一起。上下料时，焊枪升降机构缩回，焊枪组件内气缸也缩回；当设备工作时，焊枪升降机构先下降到合适位置，然后焊枪组件内气缸伸出，此时通过两个机构的组合运动，可使焊枪运动到硅钢片待焊位置，此后即可开始焊接。焊枪组件机构可实现焊枪的旋转微调，内含气缸，可实现焊接前后焊枪位置的改变，即焊接前焊枪退回，方便硅钢片的进出，焊接时焊枪靠近硅钢片方便焊接。
图9 焊枪组件示意图
2.8 旋转组件设计
旋转组件主要由一个大缸径摆动气缸、两个轴承组件以及对应机加件组成。其中，摆动气缸可提供旋转时的动力，轴承组件可顶住托板，保证整个托板在旋转时的平面度，结构如图10所示。
托板上含有两套定位机构，两套定位机构和旋转组件一起使设备转变为一个两工位的设备，可大大增加生产效率。
图10 旋转组件示意图
(1)压紧机构采用大缸径气缸(直径100 mm)作为动力源，将100片硅钢片叠加在一起，可实现硅钢片轴向压紧的压力大于4 000 N，保证焊接效果。
(2)焊枪升降机构可保证焊枪能够实现直线运动(上下运动)；焊枪组件可实现焊接前后焊枪水平位置的往复运动；对100片硅钢片一次性完成多层叠加焊接，无需二次装夹。配合自动化上下料机构等，提高了设备系统的自动化程度，提高了生产效率。
参考文献：
[1] 王 蕊, 梁振新, 张建勋. 铝合金氩弧焊接角变形动态过程表征[J]. 焊接学报, 2007, 28(3): 29-32.
[2] 吴 波, 陈永盛. 铝合金薄板氩弧焊变形控制技术探讨[J].现代焊接，2013(2): 37-39.
[3] 陈丽华, 封 艳. 6061铝合金薄板焊接应力与焊接变形[J]. 机械与电子, 2013(3): 70-73.
[4] 丁红园, 崔 丽, 陈 俐, 等. 激光焊接工艺对铝锂合金T形接头微观组织的影响[J]. 焊接, 2014(10): 25-29.
[5] 许 飞, 李晓延, 杨 璟, 等. 5A06铝合金激光填丝焊工艺研究[J]. 焊接， 2008(8): 26-28.
[6] 刘红伟, 李京龙, 马 冰. 7A05铝合金激光-MIG复合焊接头组织分析[J]. 焊接, 2013(2): 46-49.
[7] 王 伟, 黄 坚, 赵耀邦, 等. 2A14铝合金光纤激光填丝焊热裂纹敏感性研究[J]. 焊接, 2015(4): 27-30.
[8] 衣思平, 许宝忠, 李 梅, 等. 锂离子蓄电池极耳的激光自动焊接[J]. 电源技术, 2005, 29(2): 80-81.
[9] 罗 维. 大厚度6061-T6铝合金板搅拌摩擦焊研究[D]. 长沙: 中南大学硕士学位论文, 2010.
[10] 周 军, 张春波, 齐秀滨, 等.6 mm厚6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法研究[J].机械制造文摘——焊接分册, 2014(4): 1-5.
[11] 朱月峰, 韦 祎, 王 文. 异种材料电阻焊焊接工艺[J]. 焊接技术, 2015(12): 38-41.
[12] 张 武, 计遥遥, 刘永刚, 等. 高强度双相钢窄搭接电阻焊焊接接头失效分析[J]. 焊接, 2015(3): 49-52.
[13] 阎 启. 热轧高强双相钢焊接性研究[J]. 焊接, 2008(7): 50-52.
[14] 徐俊生, 吴志生, 刘翠荣, 等. 高速列车组焊柔性化自动焊接夹具系统设计研究[J]. 电焊机, 2011, 41(1): 17-23.
收稿日期：2016-11-21
基金项目：河南省郑州市科技发展计划科技攻关项目(20140599)
中图分类号：TG454
作者简介：李坤全，1976年出生，博士,副教授。主要从事机械设计研究。
通讯作者：邵凤翔，1973年出生，硕士,讲师。主要从事机械设计研究。
联系客服
