新型螺旋換熱器柱板自動焊接機的研究

龐海文,曲興田

(1.長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022；2.吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130000)

近幾年，我國對國外的換熱器市場進行了一定的實地考察，發現板式換熱器的競爭力呈不斷上升趨勢，但是管殼式換熱器在各個國家中仍然占有較大的比重，約為總量的3/5[3]。螺旋換熱器的開發設計正在飛速地發展，但是對其生產工藝進行研究后發現，定距柱的焊接大都采用人工焊接，生產效率低，且容易發生虛焊和焊穿。該新型自動焊接機是實現定距柱從篩選、運送到焊接的一整套自動化設備，不僅使螺旋換熱器的生產效率大大提高，同時解決了虛焊和焊穿的問題，使其質量得到保證。

1 電阻焊的理論分析

1.1 電阻焊的基本原理

電阻焊接通過從電極流向焊接母材的電流使連接部位本身產生焦耳熱量，從而使結合部位溫度上升，多數情況下溫度會上升到融化狀態。此時，基本不適用熔接輔助材料。在這期間，通常兩電極會持續對木材加壓，從而使木材產生塑性變形，使得表面緊密連接，生成牢固的接合部。在對接焊中，在焊接的最后會產生一個被叫做頂鍛壓力的突然增大的壓力。由于母材到電極間熱傳導而使產生的熱量被轉移，所以，接合部位的溫度會上升。如圖1所示，在接合部位出現的溫度分布可以產生最高的溫度(進行薄板點焊時，在焊接結束之前，90%以上的熱量都已經轉移)。焊接電流、通電時間以及電極加壓力被稱為電阻焊接的三大條件。在電阻焊中，這些條件互相作用，具有非常緊密的聯系。

圖1 接合部的溫度分布

1.2 焊接電流的峰值和實效值

按照焦耳定律對電阻焊接所產生的熱量進行計算：

Q=I2Rt，

式中：Q為產生的熱量(J)，I為焊接電流(A)，R為電極間電阻(Ω)，t為焊接時間(s)。

其中，電極間電阻包括工件本身電阻Rw，兩工件間接觸電阻Rc，電極與工件間接觸電阻Rew。

R=2Rw+Rc+2Rew

直流電源中，t秒鐘內在電阻R上導通的直流電流I的發熱量為Q=I2Rt，發熱量與電流的2次方有關。

圖2 實效值的計算方法示意圖

1.振動篩選機構 2.龍門架 3.焊接機構 4.床身 5.焊槍橫向移動機構 6.定距柱推送機構 7.定距柱輸送機構圖3 螺旋換熱器柱板自動焊接機樣圖

因此，實際對發熱量產生作用的電流值，是通過焊接電流值測量得到的實效值。

2 螺旋換熱器柱板自動焊接機的研究

2.1 螺旋換熱器柱板自動焊接機工作目的

螺旋換熱器中螺旋板的厚度為4mm，寬度為1000mm，長度無固定要求，暫取2000mm，材料為Q235。定距柱為高度20mm，直徑10mm的圓柱銷，材料為45鋼。

本機需要將定距柱篩選出來，并通過輸送機構以及推送機構精確地送到焊槍正下方，然后控制焊槍通過電阻焊的方式將定距柱焊接到螺旋板上。

2.2 螺旋換熱器柱板自動焊接機工作機構

圖3為螺旋換熱器柱板自動焊接機的機構圖。本機床身高度875mm，橫向寬度為2280mm，長度方向無固定要求，暫取2000mm。龍門架高度1490mm，橫向寬度2880mm。

2.3 螺旋換熱器自動柱板焊接機工作原理

圖4 螺旋換熱器柱板自動焊接機工作框圖

圖4為螺旋換熱器柱板自動焊接機的工作框圖。振動盤1將定距柱篩選、運送到定距柱輸送機構7的齒形帶的U型槽內，定距柱輸送機構7將定距柱運送到指定位置之后停止傳送，定距柱推送機構6的縱向氣缸開始推動后板，后板推動夾持器的后臂，該后臂推動兩個前臂，兩個前臂的前行使L型夾持臂夾緊定距柱，之后，在縱向氣缸的推動下繼續前行，直至焊槍的正下方，并通過定距柱擋塊限位，電阻焊槍工作，把定距柱焊接在螺旋板上，橫向氣缸可以用來調節電阻焊槍的位置。

圖5為振動篩選機構樣圖。振動盤通過電磁振動器，使定距柱在螺旋軌道中由低到高運動，到達頂端的出料軌道，爾后掉到出料內管中。振動盤出料軌道末端裝有對射型傳感器，用以控制掉落定距柱的個數。出料口前端由于在工作中與推送機構中的前板發生干涉，所以出料口外套筒內裝有彈簧，使得前端可以上下運動。

101.振動盤 102.振動盤出料軌道 103.對射型光電傳感器 104.出料口支撐座 105.出料內管 106.出料口外套筒 107.出料口前端圖5 振動篩選機構樣圖

圖6為定距柱輸送機構樣圖。齒形帶由交流伺服電機帶動，上面貼有帶U型槽的膠塊，只有當出料口處的定距柱掉入U型槽內，才可被運動的齒形帶帶出，并運送到指定位置。

701.交流伺服電機 702.彈性柱銷聯軸器 703.齒輪軸 704.大齒輪 705.小帶輪 706.齒形帶 707.U型槽 708.大帶輪 709.軸承座 710.張緊輪圖6 定距柱輸送機構樣圖

圖7為定距柱推送機構樣圖。夾持器夾持定距柱的階段后板被縱向氣缸推送向前，前板在彈簧鎖的作用下靜止不動，夾緊后氣缸繼續施加推力，前板才和后板、夾持器一起向前運動。夾持器撤回時，前板在彈簧鎖控制下先靜止，當完全松開后，氣缸繼續施加拉力，將其拽回。

601.縱向推送氣缸 602.前板 603.后板 604.彈簧鎖 605.定距柱夾持器圖7 定距柱推送機構樣圖

301.焊槍上氣缸 302.電阻焊槍 303.定距柱擋塊外套筒 304.定距柱擋塊圖8 焊接機構樣圖

圖8為焊接機構樣圖。在定距柱推送機構推送之前，定距柱擋塊先下降與螺旋板接觸。推送機構將定距柱送至電阻焊槍正下方后，電阻焊槍下降壓緊定距柱，壓力值由上氣缸的調壓閥控制，使所有電阻焊槍的壓緊力相同。9個電阻焊槍由兩組焊接電源驅動，通電時間均相同。

圖9為焊槍橫向移動機構樣圖。為了達到相鄰兩排定距柱位置錯開的要求，氣缸推動焊槍的支撐板，使焊槍順著滾動導軌移動60mm。配重板放置焊槍和支撐板傾倒，減小滑塊的載荷。

501.龍門架橫梁 502.滾動導軌 503.配重板 504.焊槍支撐板 505.橫向氣缸前端 506.橫向推送氣缸圖9 焊槍橫向移動機構樣圖

圖10為焊接完成的效果圖。相鄰兩排定距柱之間存在錯位關系。

圖10 焊接完成效果圖

2.4 定距柱夾持器的L型夾持臂的有限元分析

圖11為定距柱夾持器樣圖。我們對L型夾持臂在工作中受到的最大夾緊力進行計算，并利用Solid Works分析了在這一力作用下它的應力分布以及微小形變。

60501.L型夾持臂 60502.夾持器前臂 60503.夾持器后臂 60504.六角螺栓 60505.銷釘圖11 定距柱輸送機構樣圖

由于出料口中彈簧最大形變所形成的彈力的分力，使得兩個縱向進給氣缸的推力約為62N。一次至少8個夾持器工作，所以每個夾持器受到的最大推力F0=7.75N。畫出受力分析如圖12所示。

(a)

(b)

(c)

如圖(a)所示得：

2F1cos35°=F0，

在圖(b)中，以A點為基點，力矩為0，可得：

F1×7.6=F2×13.5，

再由圖(c)中所示，可得：

2Fcos70.5°=F2，

綜上可得：F=4N。

求得上述力以后，建立了L型夾持臂的模型，并對其進行了網格的劃分、邊界類型的設定。設置其材料為45鋼，兩個面施加的法向力為4N，動畫仿真后得出如圖13所示的靜應力和靜態位移的分析圖。

(a)

(b)

從圖(a)中可以看出其最大應力為2.527MPa，向下逐漸減小。從圖(b)中可以看出其最大形變為3.398×10-4mm。二者均在安全范圍以內。

3 結語

螺旋換熱器柱板自動焊接機通過振動篩選機構、定距柱輸送機構、推送機構、焊接機構及焊槍橫向移動機構的配合工作，實現定距柱的篩選和準確定位，使得螺旋換熱器的生產效率及質量顯著提高，并向自動化生產邁進。

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