氣焊焊絲矯直切斷機(jī)的矯直機(jī)構(gòu)

許定俠， 袁海波， 馮根城， 陳一杰， 柯世金， 談毅

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州510800）

0 引言

1986-1995年是我國(guó)焊接材料行業(yè)迅速發(fā)展的時(shí)期。焊絲行業(yè)在這10 a里通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、消化和企業(yè)技術(shù)改造,其生產(chǎn)專(zhuān)用設(shè)備已接近國(guó)際先進(jìn)水平[1]。在20世紀(jì)80年代，實(shí)心焊絲在焊接材料中僅占2.5%，然而進(jìn)入21世紀(jì)，實(shí)心焊絲的產(chǎn)量迅速發(fā)展，到目前為止，實(shí)心焊絲產(chǎn)量在焊接材料中占30%。2000-2010年我國(guó)MAG焊實(shí)心焊絲產(chǎn)量見(jiàn)圖1[2]。

由此可見(jiàn)，焊絲使用效率的提高非常必要。在實(shí)際焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，焊絲從焊絲盤(pán)上剪下來(lái)的焊絲是彎的，在使用時(shí)通常會(huì)受到阻礙，嚴(yán)重影響焊接效率。矯直后的焊絲與未矯直的焊絲相比，不僅節(jié)省焊接的時(shí)間，還使焊接的質(zhì)量有所提高。雖然可以手工矯直，但矯直效果不理想，浪費(fèi)時(shí)間。

圖1 2000-2010年來(lái)我國(guó)MAG焊實(shí)心焊絲產(chǎn)量

矯直理論的研究工作早期主要集中于歐、美、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家及前蘇聯(lián)等地區(qū)，進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)在矯直理論研究方面成果顯著。通過(guò)近幾年的研究，國(guó)內(nèi)外取得的成果豐碩，在矯直理論模型的完善、矯直過(guò)程的認(rèn)識(shí)、實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的解決等方面都有所突破[3]。然而，在國(guó)外已有計(jì)算機(jī)用壓彎量數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)使用,國(guó)內(nèi)也已開(kāi)始這方面的研究工作[4-5]。將矯直理論應(yīng)用到焊絲矯直機(jī)構(gòu)中，提高了焊絲的使用效率，還能減少手工操作，為將來(lái)的自動(dòng)化發(fā)展起到一定的作用。

傳統(tǒng)實(shí)心焊絲是在半成品鋼絲表面鍍上一層銅，可增強(qiáng)焊絲與焊嘴接觸處的導(dǎo)電性能、防腐能力，以及減少與送絲軟管、焊嘴的摩擦力[6]。但鍍銅焊絲就像一把雙刃劍，既有好處，又有其不足之處。在焊接過(guò)程中，部分銅會(huì)融入焊縫，降低焊縫的力學(xué)性能和低溫沖擊韌性。鍍銅焊絲在生產(chǎn)過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生廢酸，處理不好會(huì)污染環(huán)境，并增加了治污成本。然而無(wú)銅焊絲使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生銅粉而影響焊接；提高熔敷效率，降低消耗；焊接時(shí)飛濺少。由于無(wú)鍍銅焊絲有諸多優(yōu)點(diǎn)，可以認(rèn)為是實(shí)心焊絲的發(fā)展方向[7]。

1 矯直原理

國(guó)內(nèi)矯直器的主要類(lèi)型有兩種，即輥輪式和回轉(zhuǎn)式矯直[8]。不同的矯直對(duì)象有多種矯直方法，對(duì)于線(xiàn)、管、板等長(zhǎng)條狀的金屬普遍使用輥式矯直，型材在各種加工過(guò)程中因外力作用、溫度變化及內(nèi)力消長(zhǎng)而產(chǎn)生的彎曲或扭轉(zhuǎn)變形[9]。目前，現(xiàn)有的矯直器種類(lèi)較多，根據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋼絲矯直器的矯直方式適用于焊絲矯直，但二者的不同點(diǎn)在于材料的成分和力學(xué)性能，在矯直參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中也有一些差異。

關(guān)于矯直方法，到目前為止，在常溫狀態(tài)下進(jìn)行矯直的方法基本上有3種：1）反彎矯直法。應(yīng)用最廣泛，在反彎矯直方法中分為平面相位的反彎方法與旋轉(zhuǎn)相位的反彎方法。2）拉伸矯直方法。3）拉彎矯直方法。是前面兩種方法的結(jié)合。

反彎矯直方法的反彎量主要依靠矯直材料的屈服極限和彎曲度來(lái)決定，其次還有矯直材料的直徑、環(huán)境溫度等一系列次要因素。要矯直就要有矯直器，其中矯直輥的直徑大小與矯直材料相關(guān)，當(dāng)矯直材料的直徑越小或越薄，強(qiáng)度越高，彈性模數(shù)越少，所需的矯直輥的直徑就越小，否則得不到足夠的塑形變形來(lái)達(dá)到矯直效果。拉伸方法也是一種應(yīng)用廣泛的矯直方法，但在矯直條狀材料時(shí)，由于存在材料兩邊在矯直過(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的缺點(diǎn)，在拉力過(guò)大的情況下材料容易斷裂，從而使材料報(bào)廢。由于本次矯直的焊絲的直徑小，抗拉強(qiáng)度不大，所以本次設(shè)計(jì)不宜采用拉伸矯直方法。但將兩種方法結(jié)合，其矯直效果提升的同時(shí)，也避免了單種矯直方法的缺點(diǎn)，所以這種既拉伸又反彎變形的方法，我們稱(chēng)之為拉彎矯直法，適合于本次設(shè)計(jì)。

2 焊絲參數(shù)

本次設(shè)計(jì)需要矯直的焊絲為一般的氣焊焊絲，選定的規(guī)格為ER50-6，其結(jié)構(gòu)形狀為圓柱體，屬于碳鋼類(lèi)焊絲。ER50-6焊絲是常用焊絲的一種，它具有良好的電弧穩(wěn)定性和焊接性能，在焊接過(guò)程中，熔敷效率高、飛濺較少，操作方便。焊縫抗銹蝕和抗氧化能力強(qiáng)，成形美觀。另外，在焊絲加工過(guò)程中可忽略退火工藝，降低成本[10-11]。隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展和自動(dòng)化生產(chǎn)水平的不斷提高，實(shí)心焊絲的需求量逐年快速增加。根據(jù)用戶(hù)的使用情況表明，ER50-6焊絲的電弧穩(wěn)定性和焊接性能良好，化學(xué)成分分配合理，價(jià)格合理。ER50-6的化學(xué)成分及力學(xué)性能，分別如表1、表2所示。

表1 ER50-6化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 ER50-6力學(xué)性能

3 矯直機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)外對(duì)矯直研究已經(jīng)取得了一定的研究成果，國(guó)內(nèi)也有一部分技術(shù)人員從理論角度對(duì)矯直技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算總結(jié)出下壓量參數(shù)的作用以及如何設(shè)定壓下量參數(shù)的數(shù)值[12-13]。然而彈塑性彎曲是一種典型的截面不均勻變形狀態(tài)，矯直過(guò)程中金屬絲發(fā)生的連續(xù)反向彎曲變形會(huì)使金屬絲截面產(chǎn)生殘余應(yīng)力[14]。通過(guò)矯直輪數(shù)及其排布不斷減小應(yīng)力，最終達(dá)到矯直的效果。矯直機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)和難點(diǎn)均在于保證焊絲的矯直精度，提高矯直精度成了矯直工藝迫切需要解決的問(wèn)題[15]，矯直參數(shù)的計(jì)算是保證矯直質(zhì)量的關(guān)鍵。

由矯直原理明顯看出，矯直器的主要影響參數(shù)有矯直輪輪距t、直徑D、壓下量A和輪數(shù)n。

3.1 矯直輪的直徑設(shè)計(jì)

矯直輪直徑為

式中：D為矯直輪直徑；K為焊絲塑變深度系數(shù)；E為彈性模量；d為焊絲直徑；σs為焊絲的屈服強(qiáng)度。

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查得，這里取低碳鋼K=0.063，將表2中，σs=420 MPa，E=206 GPa，取焊絲直徑d=1 mm代入式（1）中，得D=29.9 mm。為了合理選取矯直輪的型號(hào)，取矯直輪直徑D=30 mm。

矯直輪本身就是軸承的一種，不需要另外裝配軸承。根據(jù)其槽的形狀，矯直輪可分為V型矯直輪和U型矯直輪，價(jià)格便宜，安裝方便，適合焊絲的矯直使用。為了防止焊絲因自身重力而影響焊絲矯直的穩(wěn)定性，采用V型矯直輪，其圖樣如圖2所示。

矯直輪采用寧波百川軸承公司生產(chǎn)的A1500.2Z矯直輪，其主要參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2 輪距和下壓量設(shè)計(jì)

在確定矯直輪的型號(hào)和規(guī)格后，參照現(xiàn)有的矯直理論計(jì)算方法，計(jì)算輪距和下壓量。輪徑與輪距的關(guān)系公式為1.4D≤t≤2D，本次設(shè)計(jì)使用的矯直輪的直徑為30 mm。得輪距42≤t≤60，為保證矯直質(zhì)量，取輪距t=50 mm。

焊絲在矯直時(shí)的形狀如圖3所示。

圖2 矯直輪圖樣

表3 UBMA1001.2Z規(guī)格矯直參數(shù)

圖3 焊絲矯直時(shí)的截面形狀

矯直輥個(gè)數(shù)n，可根據(jù)具體情況而定，一般來(lái)講，矯直輥數(shù)越多，則消除焊絲殘余曲率的范圍越寬，調(diào)節(jié)余地大，有利提高矯直效果。但實(shí)踐證明，調(diào)整難度與矯直輥數(shù)成正比，矯直輥數(shù)越多，越難調(diào)節(jié)，對(duì)矯直質(zhì)量也難以控制。實(shí)驗(yàn)證明，矯直輥數(shù)一般取5～7，基本能解決矯直的問(wèn)題。所以取n=5，下壓量計(jì)算公式如下：

將D=30 mm、t=50 mm代入式（2）中，得Amax=13.4 mm。

4 矯直機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣焊焊絲矯直剪斷機(jī)的矯直機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 矯直機(jī)構(gòu)

矯直機(jī)構(gòu)由水平和豎直平面的矯直輪部分組成，每個(gè)平面均由5個(gè)矯直輪組成，其中有3個(gè)為活動(dòng)矯直輪，2個(gè)為固定矯直輪。活動(dòng)矯直輪安裝在動(dòng)底板3上，固定矯直輪安裝在機(jī)架底座1上，始終固定不動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)鎖定手柄4調(diào)節(jié)矯直輪的下壓量，并鎖定動(dòng)底板，保證矯直的平穩(wěn)性和矯直效果。隨著焊絲直徑大小的不同，通過(guò)調(diào)節(jié)鎖定手柄改變動(dòng)底板的位置，從而調(diào)節(jié)矯直輪的下壓量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次設(shè)計(jì)解決了氣焊焊接時(shí)焊絲不直所帶來(lái)的不良影響，通過(guò)焊絲矯直機(jī)構(gòu)將彎曲的焊絲矯直，大大縮短了工作時(shí)間，提高了焊接效率，同時(shí)也避免了手工矯直的費(fèi)時(shí)費(fèi)力方法。對(duì)于焊絲的矯直質(zhì)量可以通過(guò)控制矯直機(jī)構(gòu)的下壓量來(lái)調(diào)整。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使氣焊焊絲矯直剪斷機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。