曾文瑜

（九江職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 九江 332000）

0 引 言

薄壁銅管在國內(nèi)衛(wèi)浴行業(yè)的應(yīng)用已有20多年的歷史，與薄壁銅管同步發(fā)展的焊接技術(shù)也日益完善。中高檔衛(wèi)浴產(chǎn)品為了滿足客戶的個(gè)性化需求，往往需要針對產(chǎn)品的種類和形狀進(jìn)行相應(yīng)的變化，如異型變截面薄壁銅管等[1]。通常薄壁銅管的連接，較難實(shí)施對接熔焊，較簡易的連接方法是搭接釬焊，考慮到衛(wèi)浴產(chǎn)品的清潔度要求，采用磷銅釬料焊接，釬料只有加熱到合適的溫度范圍，才能很好地浸潤在銅

管接頭縫隙中，從而得到接頭光順的焊件[2]。目前，對釬焊溫度的把握通常是由人工目測完成，因而焊接過程中容易出現(xiàn)超溫過焊、欠溫漏焊的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。為準(zhǔn)確掌握釬焊溫度的精度，本文設(shè)計(jì)一種采用紅外線測溫儀和PLC控制技術(shù)的自動火焰釬焊裝置。

1 火焰釬焊的特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

火焰釬焊是利用金屬釬料的熔點(diǎn)低于焊件金屬的特性，將溫度加熱到大于釬料、小于焊件熔點(diǎn)的范圍，此時(shí)釬料熔化為液態(tài)并浸潤在焊件金屬的連接處，通過擴(kuò)散填滿金屬焊件的連接縫隙，冷卻后實(shí)現(xiàn)焊件的接頭焊接[3]。

火焰釬焊的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 火焰釬焊的技術(shù)參數(shù)

考慮到中高檔衛(wèi)浴產(chǎn)品大多采用異型薄壁銅管焊接的要求，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保持穩(wěn)定可靠的釬焊溫度，對照表1的指標(biāo)參數(shù)，將釬焊加熱點(diǎn)的溫度控制在800～850℃，采用測量范圍為0～1 000℃的紅外線溫度傳感器，得到焊件被加熱的實(shí)時(shí)值。

2 自動火焰釬焊的技術(shù)方案

通常為保證釬焊過程中的焊接溫度，在設(shè)計(jì)火焰釬焊機(jī)的工藝參數(shù)時(shí)，采用由PLC可編程程序事先設(shè)定好固定的焊接點(diǎn)的加熱時(shí)間，而編程程序一旦設(shè)定好，加熱時(shí)間將不會因外界環(huán)境溫度的變化而改變，在實(shí)際生產(chǎn)中這種加工工藝易出現(xiàn)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一種12工位的轉(zhuǎn)盤式自動火焰釬焊機(jī)，其工藝流程如圖1所示。該釬焊機(jī)工作臺上安裝有動力驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)盤，采用圓周順時(shí)針循環(huán)運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤上環(huán)形陣列有12個(gè)工位，對應(yīng)的工位點(diǎn)分別是3個(gè)接頭安裝點(diǎn)、1個(gè)接頭檢驗(yàn)點(diǎn)、1個(gè)充氮保護(hù)點(diǎn)、3個(gè)釬焊預(yù)熱點(diǎn)、1個(gè)釬焊加熱點(diǎn)、1個(gè)焊后冷卻點(diǎn)、1個(gè)焊后檢驗(yàn)點(diǎn)和1個(gè)焊件拆卸點(diǎn)。轉(zhuǎn)盤外圍的工作臺上依次設(shè)有加熱機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、測溫機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)，分別與PLC電氣控制單元連接，從而完成釬焊的工件感應(yīng)、充氮保護(hù)、預(yù)熱、送絲、加熱、測溫及冷卻等一系列操作工藝。本設(shè)計(jì)的核心技術(shù)是采用紅外線溫度控制裝置和PLC電氣控制系統(tǒng)。

2.1 紅外線溫度控制裝置

圖1 自動火焰釬焊工藝流程

采用紅外線溫度控制裝置組成的閉環(huán)系統(tǒng)，包括高精度紅外線測溫儀、溫度控制顯示器和傳感器[4]。在釬焊加熱點(diǎn)安裝紅外線測溫儀，并對焊點(diǎn)的焊件溫度進(jìn)行采樣，由于加入的是磷銅釬料，熔化溫度范圍為640～810℃[5]。當(dāng)溫度控制顯示器的溫度達(dá)到800℃時(shí)，磷銅釬料熔化，銅管灼熱成紅色。此時(shí)紅外線傳感器測量到焊接點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，再通過信號轉(zhuǎn)換器將溫度信號傳給PLC電氣控制系統(tǒng)。

2.2 PLC電氣控制系統(tǒng)

PLC電氣控制系統(tǒng)接收溫度信號后，經(jīng)過溫度比對程序，若溫度達(dá)到800℃，則轉(zhuǎn)盤發(fā)出轉(zhuǎn)到下一工位的指令，觸發(fā)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動機(jī)械裝置，使圓盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動角度30°，焊件到達(dá)下一個(gè)工位，PLC捕捉到檢測器的信號，機(jī)械轉(zhuǎn)動停止，圓盤停止轉(zhuǎn)動，等待下一工件焊接。若其間出現(xiàn)工位上無工件的情況，則PLC轉(zhuǎn)為時(shí)間控制，每隔一段時(shí)間，自動轉(zhuǎn)動角度30°，防止出現(xiàn)無溫度信號反饋時(shí)圓盤意外停機(jī)的現(xiàn)象發(fā)生。若溫度低于800℃，則轉(zhuǎn)盤停在原工位，焊件繼續(xù)被加熱?？紤]到信號處理過程的滯后性，本設(shè)計(jì)設(shè)定溫度穩(wěn)定時(shí)間為2s，溫度上限為850℃。

3 自動火焰釬焊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動火焰釬焊裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

工作臺上設(shè)有防護(hù)罩，位于防護(hù)罩內(nèi)的工作臺上安裝有動力裝置（即由電磁離合帶動的凸輪分度機(jī)構(gòu)裝置）驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤是間歇性順時(shí)針轉(zhuǎn)動的，且轉(zhuǎn)盤上環(huán)形陣列有多個(gè)位于防護(hù)罩內(nèi)的定位機(jī)構(gòu)，位于防護(hù)罩外圍的工作臺上依次設(shè)有多個(gè)加熱機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)；防護(hù)罩的外壁上設(shè)有測溫機(jī)構(gòu)和用于感應(yīng)定位機(jī)構(gòu)的感應(yīng)元件，感應(yīng)元件優(yōu)選為光電感應(yīng)器。

3.1 定位機(jī)構(gòu)

自動火焰釬焊裝置定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 自動火焰釬焊裝置整體結(jié)構(gòu)

圖3 自動火焰釬焊裝置定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

定位機(jī)構(gòu)包括連接板，連接板的端部設(shè)有與轉(zhuǎn)盤相連的連接部；連接板的兩端分別設(shè)有安裝塊，其中一安裝塊上設(shè)有凸塊，另一安裝塊上設(shè)有弧形槽；靠近轉(zhuǎn)盤的安裝塊上還固定安裝有支撐塊，支撐塊上設(shè)有定位槽；支撐塊高于安裝塊的表面。

通過支撐塊對過高或過長的異型薄壁銅管進(jìn)行支撐，避免多個(gè)定位機(jī)構(gòu)上的銅管相互影響。為便于尋找連接板在轉(zhuǎn)盤上的安裝位置，位于兩安裝塊之間的連接板上設(shè)有安裝孔，從而根據(jù)待焊接銅管的形狀及尺寸，通過安裝孔便于調(diào)節(jié)定位機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)盤上的位置，以滿足工作的需要。

3.2 測溫機(jī)構(gòu)

自動火焰釬焊裝置測溫機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動火焰釬焊裝置測溫機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

測溫機(jī)構(gòu)包括吸附于防護(hù)罩外壁上的吸附元件，吸附元件優(yōu)選為磁鐵，磁鐵靠近防護(hù)罩的一側(cè)設(shè)有與防護(hù)罩外形相適配的弧形槽，吸附元件上設(shè)有調(diào)節(jié)軟管，調(diào)節(jié)軟管上設(shè)有紅外線測溫探頭。

由于測溫機(jī)構(gòu)包括吸附于防護(hù)罩外壁上的吸附元件，吸附元件上設(shè)有調(diào)節(jié)軟管，調(diào)節(jié)軟管上設(shè)有紅外線測溫探頭，從而通過吸附元件便于調(diào)節(jié)測溫機(jī)構(gòu)在防護(hù)罩上的位置，通過調(diào)節(jié)軟管便于調(diào)節(jié)紅外線測溫探頭的位置。

3.3 送絲機(jī)構(gòu)

送絲機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于工作臺上并位于第一支撐桿下游的第二支撐桿，第二支撐桿上設(shè)有向焊槍噴頭方向延伸的送絲管，送絲管內(nèi)設(shè)有送絲機(jī)構(gòu)輸送的磷銅釬料。

送絲機(jī)構(gòu)和測溫機(jī)構(gòu)均位于多個(gè)加熱機(jī)構(gòu)的下游，且均向加熱機(jī)構(gòu)方向延伸；感應(yīng)元件、加熱機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、測溫機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)構(gòu)和動力裝置均與電氣控制單元相連；轉(zhuǎn)盤間歇性運(yùn)動后，加熱機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)均與定位機(jī)構(gòu)對應(yīng)設(shè)置。

3.4 加熱機(jī)構(gòu)

加熱機(jī)構(gòu)為4個(gè)，前三個(gè)加熱機(jī)構(gòu)用于對兩銅管件的焊接點(diǎn)處進(jìn)行預(yù)熱，最后一個(gè)加熱機(jī)構(gòu)用于將送絲機(jī)構(gòu)送來的磷銅釬料進(jìn)行焊接。加熱機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于工作臺上的第一支撐桿和與氣源連通的氣管，支撐桿上設(shè)有多個(gè)與氣管連通的焊槍噴頭。由于加熱機(jī)構(gòu)設(shè)有多個(gè)，送絲機(jī)構(gòu)和測溫機(jī)構(gòu)均位于多個(gè)加熱機(jī)構(gòu)的下游，從而通過多個(gè)加熱機(jī)構(gòu)可同時(shí)對多組待連接的銅管進(jìn)行預(yù)熱。另外，在轉(zhuǎn)盤間歇性運(yùn)動的過程中，每組待連接的銅管可進(jìn)行多次預(yù)熱，從而為達(dá)到合適的焊接溫度提供了保障。

3.5 冷卻機(jī)構(gòu)

冷卻機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于工作臺上并位于第二支撐桿下游的第三支撐桿，第三支撐桿上設(shè)有與水源連通的水管。

由于工作臺上轉(zhuǎn)動安裝有動力裝置驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤，位于轉(zhuǎn)盤外圍的工作臺上依次設(shè)有加熱機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、測溫機(jī)構(gòu)和冷卻機(jī)構(gòu)，送絲機(jī)構(gòu)和測溫機(jī)構(gòu)均向加熱機(jī)構(gòu)方向延伸，轉(zhuǎn)盤上環(huán)形陣列有多個(gè)定位機(jī)構(gòu)，從而在工作中動力裝置驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行間歇性轉(zhuǎn)動（間歇性順時(shí)針轉(zhuǎn)動一次，定位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動一個(gè)工位），在工作過程中將定位有待焊接銅管的工裝放置在定位機(jī)構(gòu)上，之后依次通過加熱機(jī)構(gòu)對待焊接銅管進(jìn)行加熱。當(dāng)測溫機(jī)構(gòu)檢測到待焊接銅管的加熱溫度達(dá)到合適的溫度（800℃）時(shí)，將送絲機(jī)構(gòu)送來的焊絲進(jìn)行焊接，完成兩銅管的連接。焊接完成后，通過冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻，之后轉(zhuǎn)盤繼續(xù)進(jìn)行間歇性轉(zhuǎn)動。最后將工裝（此時(shí)焊件拆卸點(diǎn)的工位上是完成焊接的銅管）從定位機(jī)構(gòu)上拆卸下來，并重新放置在定位有待焊接銅管的工裝上，如此往復(fù)進(jìn)行循環(huán)流水化焊接作業(yè)。

4 試 驗(yàn)

試驗(yàn)采用待加熱焊接工件，選用異型薄壁銅管，焊劑采用磷銅釬料，焊接氣體由助燃?xì)怏w（氧氣）和可燃?xì)怏w（液化石油氣—LPG）兩部分組成，LPG的主要成分是丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）及一定量的丙烯（C3H6）和丁烯（C4H8）等碳?xì)浠衔?。O2-LPG氣體火焰根據(jù)氧氣與LPG的混合比不同有氧化焰、中性焰和還原焰（亦叫碳化焰）三種不同性質(zhì)的火焰。當(dāng)O2與LPG的體積比為3.5時(shí)為中性焰，小于3.5時(shí)為還原焰，大于3.5時(shí)則為氧化焰。

試驗(yàn)時(shí)首先打開LPG氣閥，點(diǎn)火后調(diào)節(jié)氧氣閥，氧氣與LPG的壓力范圍分別為0.05～0.09MPa和0.4～0.8MPa，調(diào)出明顯的碳化焰后，再緩慢調(diào)大氧氣閥直到白色外焰距藍(lán)色2～4mm，此時(shí)外焰輪廓已模糊，即內(nèi)焰與焰心將重合，火焰為中性焰。焊接銅管時(shí)應(yīng)使用中性焰，盡量避免使用氧化焰和碳化焰。當(dāng)焊接后銅管有變黑的傾向時(shí),則調(diào)大氣體助焊劑的流量,直到焊接后銅管呈暗紅色。此時(shí)從火焰的另一側(cè)加入磷銅釬料，當(dāng)測溫機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)測量焊接溫度達(dá)到800℃，即可完成焊接。然后用噴槍噴水冷卻，以防止銅管表面被腐蝕而產(chǎn)生銅綠。最后是焊接后檢驗(yàn)，給焊接后的銅管充0.5MPa以上的N2或干燥空氣，然后對釬焊接頭噴灑中性洗滌劑，觀察10s內(nèi)有無氣泡產(chǎn)生，若有氣泡產(chǎn)生則判為泄漏，需補(bǔ)焊或重焊。

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接溫度用紅外線溫度控制裝置采集，由PLC設(shè)定固定的加熱時(shí)間改為實(shí)時(shí)控制加熱溫度，改變了焊接溫度靠人工目測判定的缺陷，有效控制焊材用量。自動釬焊裝置生產(chǎn)效率可實(shí)現(xiàn)180件/h的焊接產(chǎn)品。焊接質(zhì)量達(dá)到國家衛(wèi)浴產(chǎn)品焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。既控制了材料成本，又提高了成品質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文對異形薄壁銅管自動火焰釬焊裝置進(jìn)行改進(jìn)，采用紅外線溫度控制裝置和PLC電氣控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種12工位的轉(zhuǎn)盤式自動火焰釬焊裝置。與傳統(tǒng)的人工焊接相比，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，而且工作效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，有效保證了衛(wèi)浴產(chǎn)品的品質(zhì)。

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