空調(diào)換熱器彎頭自動(dòng)釬焊爐便捷測溫裝置的開發(fā)和應(yīng)用

楊彧愷， 張鵬鵬， 趙越， 吳廣宗

(1.中國海洋大學(xué),山東 青島266100；2.青島海爾(膠州)空調(diào)器有限公司,山東 青島 266100)

0 前言

中國是家電制造大國，國內(nèi)常見家用空調(diào)的兩器(蒸發(fā)器、冷凝器)銅管和彎頭的焊接，基本都已經(jīng)采用隧道爐式火焰釬焊技術(shù)[1-2]，又稱自動(dòng)焊。該技術(shù)生產(chǎn)效率高，但也存在不足之處。目前的隧道爐仍需通過人工調(diào)節(jié)燃?xì)夂椭細(xì)怏w的壓力、流量以配比，火焰焰心與工件間的距離，線體傳送帶的速度等方式，間接進(jìn)行釬焊火焰溫度場的調(diào)整，由此帶來的問題是：依賴員工經(jīng)驗(yàn)程度高、標(biāo)準(zhǔn)化程度低和工藝難以復(fù)制，進(jìn)一步影響到了空調(diào)行業(yè)提質(zhì)增速。產(chǎn)生此類問題的核心原因在于缺少了溫度檢測這個(gè)環(huán)節(jié)，工藝調(diào)控缺少依據(jù)，盡管工藝上稱之為自動(dòng)焊，但實(shí)際上該生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度很低。因此，開發(fā)溫度檢測系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中有迫切需求。

隧道爐的內(nèi)部空間狹小，難以使用常規(guī)的接觸式測溫方式，同時(shí)由于銅管曲率大，采用非接觸式測溫方法精度低，這導(dǎo)致準(zhǔn)確測量隧道爐內(nèi)的火焰溫度場存在困難。因此，文中經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研，在孫克磊等人[3]的研究基礎(chǔ)之上，開發(fā)出基于熱電偶測溫技術(shù)的分離式測溫裝置，可以模擬工件直接進(jìn)入隧道爐中，用于測量爐內(nèi)的火焰溫度場，具有準(zhǔn)確度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。并根據(jù)測溫結(jié)果，建立溫度場回歸方程，以探究裝置對生產(chǎn)工藝的指導(dǎo)作用。

1 測溫裝置的研發(fā)

1.1 測溫裝置的設(shè)計(jì)要求

測溫裝置的設(shè)計(jì)如圖1所示。經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)場考察調(diào)研，發(fā)現(xiàn)隧道爐以下幾個(gè)特點(diǎn)：隧道爐內(nèi)部空間狹小，如圖1a所示；流水線各處存在工件限位的檔桿，如圖1b所示；隧道爐內(nèi)火焰溫度場是一個(gè)扁平的長條區(qū)域，如圖1c所示。因此,測溫裝置的設(shè)計(jì)要求如下：①測溫端和記錄端需要分離，測溫端單獨(dú)進(jìn)入隧道爐內(nèi)測溫；②測溫端體積要求適中，上下線不影響正常作業(yè)；③裝置需要搭載多個(gè)探頭，且能方便快捷調(diào)整探頭位置，以應(yīng)對較寬的溫度場區(qū)域。據(jù)此運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer aided design, CAD)、電氣控制等技術(shù)開發(fā)出了測溫裝置，如圖1d所示。

圖1 測溫裝置的設(shè)計(jì)

1.2 測溫裝置實(shí)物性能

測溫端使用熱電偶為K型熱電偶，可以搭配信號變送器無線傳輸測溫?cái)?shù)據(jù)；熱電偶搭載數(shù)量為3個(gè)，可以調(diào)整探頭水平位置；采用數(shù)控絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，可以精確便捷控制探頭高度。記錄端搭載了信號接收器，可無線接收熱電偶測溫?cái)?shù)據(jù)；搭載了無紙記錄儀，可以記錄和存儲測溫?cái)?shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了高度為150 mm的底座，用于增大裝置測溫高度范圍。裝置箱體尺寸(不含熱電偶探頭)為600 mm×130 mm×490 mm，裝置總質(zhì)量12 kg，整套測溫裝置的各項(xiàng)性能參數(shù)見表1。

表1 測溫端各項(xiàng)參數(shù)

2 裝置實(shí)際使用要求和溫度場模型建立

2.1 裝置使用要求

該研究在某廠生產(chǎn)某一型號的冷凝器的生產(chǎn)線上開展，兩器使用的焊環(huán)牌號為BCu93P。

考慮到探頭在火焰中測溫的準(zhǔn)確性，避免因?yàn)闊醾鲗?dǎo)導(dǎo)致的測溫結(jié)果不準(zhǔn)，探頭測溫點(diǎn)應(yīng)位于火焰溫度場橫截面水平線中心線的下方，如圖2所示。而由于隧道爐內(nèi)的火焰是一個(gè)扁平的的長條區(qū)域，可以認(rèn)為它是上下關(guān)于水平中心線對稱的，因此用裝置測試火焰區(qū)域下半部分的數(shù)據(jù)，就可以反映出上半部分的數(shù)據(jù)。。

圖2 探頭測溫點(diǎn)示意圖

裝置使用步驟主要包括：①預(yù)置裝置：給熱電偶安裝電池，開啟裝置，預(yù)置探頭位置；②上線測試：將裝置放到流水線上，啟動(dòng)探頭，讓探頭測溫點(diǎn)與火焰中心高度相同，如圖3所示，開始記錄火焰數(shù)據(jù)；③下線回收：

圖3 探頭進(jìn)入火焰區(qū)域

結(jié)束測溫后，收回探頭，從流水線上取下裝置

2.2 溫度場模型建立

根據(jù)前文所述，將焊點(diǎn)受熱的溫度場假設(shè)為一個(gè)二維的矩形區(qū)域，如圖4所示，以溫度場內(nèi)豎直中心線和水平中心線作為橫縱坐標(biāo)，可以構(gòu)建溫度場內(nèi)的相對坐標(biāo)系，溫度場內(nèi)部各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化。因此，設(shè)其表達(dá)式如式(1)所示。

T=f(x,y,t)

(1)

式中：x表示相對水平位置,mm；y表示相對高度,mm；t表示時(shí)間,s；T表示溫度,℃。

圖4 二維溫度場示意圖

以焊環(huán)發(fā)生明顯熔化現(xiàn)象為準(zhǔn)，經(jīng)過實(shí)際觀測，兩器的焊環(huán)在火焰中的平均加熱時(shí)間為16.37 s，平均熔化用時(shí)為11.23 s。同時(shí)，根據(jù)常見的兩器焊點(diǎn)區(qū)域?qū)挾群透叨龋_定溫度場水平和豎直區(qū)域范圍分別為20 mm和10 mm，以此作為探頭測試位置的坐標(biāo)范圍，得到x與y的變量組合表，見表2。通過數(shù)個(gè)位置的溫度測試數(shù)據(jù)，構(gòu)建溫度場統(tǒng)計(jì)回歸數(shù)學(xué)模型。

表2 x，y變量組合表

3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

3.1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果

按照表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)測試，每組進(jìn)行3次取平均值，最終得到各組溫度-時(shí)間的圖像，如圖5所示。

圖5 裝置性能測試的溫度-時(shí)間圖像

選取圖中1～17 s的數(shù)據(jù)，根據(jù)解釋變量x，y，t與被解釋變量T的直觀關(guān)系，可以構(gòu)建基本模型為：

T=β0+β1x2+β2x+β3y2+β4t+ε

(2)

按照溫度場模型可知，其上下對稱，且左右兩側(cè)噴嘴數(shù)量一致，因此認(rèn)為左右也對稱，所以，去掉基本模型中x與y的一次項(xiàng)，得到改進(jìn)的模型為：

T=β0+β1x2+β2y2+β3t+ε

(3)

使用MATLAB軟件，根據(jù)測溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算，取置信水平α=0.05，且經(jīng)過殘差分析，得到溫度場的多項(xiàng)式回歸方程求解結(jié)果，見表3[4]。

表3 溫度場回歸方程求解結(jié)果

由表3可知，溫度場模型的多項(xiàng)式回歸方程為：

(4)

模型的R2=0.974 1，P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.05，證明模型擬合程度較好。

根據(jù)模型，可以利用MATLAB的散點(diǎn)圖工具繪制出溫度場隨時(shí)間變化的整體形態(tài)，如圖6所示。

圖6 溫度場隨時(shí)間變化的整體形態(tài)

由圖6可知，整個(gè)溫度場的溫度總體隨著時(shí)間推移而升高，溫度場水平中心線附近溫度較高，豎直中心線附近溫度較低。

根據(jù)模型可得焊點(diǎn)明顯熔化時(shí)刻(11～12 s)的溫度場，如圖7所示。可看出溫度場兩側(cè)溫度高，中間稍低，與孫克磊等人的測試結(jié)果較為符合。11～12 s兩個(gè)時(shí)刻的溫度場在730 ℃以上的區(qū)域至少達(dá)到20 mm長，6 mm高(如圖8所示)，實(shí)際焊環(huán)BCu93P(磷比重6.6%～7.5%)的釬焊溫度要求732～843 ℃[5]，指標(biāo)性釬焊溫度為730 ℃[6]，同時(shí)730 ℃以上的溫度可以持續(xù)5～6 s，直到工件離開火焰區(qū)域，能夠滿足工藝保溫需求，因此溫度場模型較為符合實(shí)際情況。

圖7 11 s和12 s時(shí)刻的溫度場

圖8 12 s時(shí)刻的溫度場730 ℃等溫線

3.2 數(shù)學(xué)模型對工藝的指導(dǎo)作用

用數(shù)學(xué)模型可為隧道爐火焰溫度場的調(diào)控提供依據(jù)，工廠在生產(chǎn)同一型號工件的時(shí)候，根據(jù)記錄，確定流水線速度與噴嘴間距等變量，同時(shí)按照經(jīng)驗(yàn)開啟火焰溫度場。隨后用測溫裝置測試，得到探頭位置對應(yīng)的溫度-時(shí)間曲線測試結(jié)果；將測試結(jié)果匯總，建立起火焰溫度場數(shù)學(xué)模型。

用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出焊環(huán)達(dá)到熔化溫度(730 ℃)以上的時(shí)間，若計(jì)算得出的焊環(huán)熔化時(shí)間>焊環(huán)實(shí)際熔化時(shí)間，則說明實(shí)際火焰溫度相比其模型確定的高，需要通過減小燃?xì)庋鯕饬髁俊⒓涌炝魉€速度或加寬噴嘴軸向間距來適當(dāng)調(diào)小火焰；反之則適當(dāng)調(diào)大。

通過上述方式逐漸形成一套工藝參數(shù)調(diào)控體系，做到不同類型工件都有對應(yīng)的參數(shù)調(diào)控依據(jù)，實(shí)現(xiàn)工藝可復(fù)制。

4 結(jié)論

(1)完成測溫裝置設(shè)計(jì)開發(fā)，裝置搭載3個(gè)測溫范圍-270～1 372 ℃的熱電偶；探頭有效測試高度調(diào)整范圍(含底座)600～900 mm，；水平調(diào)整范圍0～30 mm；測溫端和記錄端分離。

(2)利用測試結(jié)果構(gòu)建隧道爐內(nèi)某火焰區(qū)域的二維溫度場數(shù)學(xué)模型；利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出溫度場在11～12 s時(shí)，約寬20 mm，高6 mm的區(qū)域達(dá)到焊環(huán)釬焊指標(biāo)溫度(730 ℃)以上，且能保持5～6 s直到加熱結(jié)束。

(3) 通過測溫?cái)?shù)據(jù)明確自動(dòng)焊火焰溫度的調(diào)節(jié)方向，若計(jì)算得出的焊環(huán)熔化時(shí)間時(shí)間>實(shí)際焊環(huán)熔化時(shí)間，則應(yīng)調(diào)小火焰；反之則增大。