YF73 自動盤紙更換機同步帶輪的焊接工藝改進

涂志福

（許昌煙草機械有限責任公司，河南 許昌461000）

許昌煙草機械有限責任公司是中國煙草機械集團有限責任公司的四大控股企業之一，專注于煙草機械產品研發與制造。同步帶輪（圖號11EFM3400100）是YF73 型自動盤紙更換機上的一種精密傳動組件，其結構是由帶輪主體和兩個帶輪擋圈焊接而成，如圖1 所示。焊接擋圈的作用是防止運轉過程中同步帶發生竄動。此前經常出現焊接后帶輪變形關鍵尺寸超差、擋圈在運轉過程中開裂松脫、焊后外觀質量差等問題。為此，我們進行了本次焊接工藝攻關。

圖1 同步帶輪的應用場景

圖2 同步帶輪的結構尺寸

1 存在的主要問題

圖2 所示為同步帶輪的結構尺寸，其形狀為圓筒狀，材質為合金結構鋼40CrNiMoA，在焊接工序前已經進行了調質處理和精加工，要求焊接加工不能引起關鍵尺寸的超差，否則將影響伺服驅動系統的傳動精度。

2013 年YF73 產品試制時期便已開始加工同步帶輪，起初采用傳統的氬弧焊滿焊一周的焊接工藝。然而由于焊接熱變形，導致關鍵尺寸Φ116 F6（+0.036，+0.058）和圓度超差。經過反復嘗試，該問題仍無法解決。經測量，該圓筒狀工件筒壁厚度為5.1mm，而Φ116 F6 的公差帶只有0.022mm，精度要求比較高。氬弧焊焊接時熔池平均溫度超過1700℃，如果滿焊一周，熱輸入量大，產生形變導致關鍵尺寸Φ116 F6（+0.036，+0.058）和圓度無法保證。最終設計部門更改焊接要求為：間斷焊接，沿圓周均布12 段焊縫，每段焊縫長4mm。這是限于當時的工藝條件不得已而做出的變更，顯然焊接量大為減少，焊接強度也隨之下降。加上材質為40CrNiMoA，焊接性差，裂紋傾向大，在后續的運轉過程中，時有焊縫開裂、擋圈松脫的問題發生，嚴重影響設備的可靠運行。

圖3 高能弧焊式精密焊接原理

此外，帶輪與擋圈的對接縫為環形焊縫，手工焊接時焊接方向一直在變動，不容易獲得外觀美觀的焊縫。焊縫不美觀，就必須進行打磨，不僅降低效率，還會留下雜亂的打磨紋路，影響產品外觀質量。

2 制定解決方案

本次焊接工藝攻關的目標是：在滿焊一周提高焊接強度的同時，控制焊接變形，保證關鍵尺寸不超差。

分析可知，傳統的氬弧焊熱量輸入不夠集中，焊接過程熱輸入大，熱變形大，這是此前出現關鍵尺寸超差的主要原因。想要嚴格控制焊接變形，必須找到能量輸出更為集中的焊接工藝方法。最終，我們找到了一種非常有潛力的焊接設備——高能弧焊式精密焊機。該焊機利用大電容儲能，將儲存于電容中的電能在瞬間（毫秒級）通過脈沖電弧的形式釋放于鎢極與工件之間，溫度極高的電弧將工件和焊絲迅速熔化并熔接在一起，實現焊接。圖3 所示為高能弧焊式精密焊接原理。由于脈沖瞬間能量大（瞬時功率達幾十千瓦）、時間非常短，遠遠大于工件的散熱速度，因此可在瞬間將工件和焊絲熔焊在一起。加熱時間非常短（1-50 毫秒），散熱時間遠遠大于加熱時間（約0.2-1 秒），因此工件上承受的總熱量很小，甚至能保持不燙手的狀態。經過調研，我們認為精密焊機能夠達到熱變形遠小于氬弧焊的效果，有希望達到滿焊一周而Φ116 不超差的效果。

此外，如果與焊接變位機組合使用，焊槍角度、位置固定不變，而工件勻速轉動，則能獲得非常漂亮的焊縫，甚至不需要打磨。使用焊接變位機進行的是半自動焊接，加上不需要打磨焊縫，效率也大幅提升。

綜上，制定的主要對策為：（1）使用精密焊接，控制焊接變形，實現滿焊；（2）配合使用焊接變位機，獲得美觀焊縫。

3 對策實施

3.1 主要實施過程

圖4 精密焊機+焊接變位機半自動焊接帶輪

3.2 提升焊接質量和生產效率的控制要點

在本次活動過程中，提升焊接質量和焊接效率的最重要的一點就是，必須控制好帶輪與擋圈的配合間隙，配合間隙控制在0.1mm之內是比較理想的狀態。

在開始的試驗過程中，帶輪與擋圈的配合面軸、孔尺寸Φ123都是按自由公差加工的，裝配后間隙較大，使用塞尺測量，發現平均間隙在0.4mm～0.5mm。由此帶來的不利影響有：（1）點焊困難，需要加焊絲點焊，焊后遺留凸點，影響美觀。這是由于精密焊機點焊時對焊縫間隙有一定的要求，不加絲的情況下，要求間隙盡可能小，否則熔化的過程中由于金屬液體表面張力，焊縫兩側金屬無法熔合；（2）焊接時焊縫容易出現裂紋，需要補焊。首先工件材質為40CrNiMoA，材料焊接性差，出現裂紋的傾向較大。其次環繞一周焊接時，先焊的部位間隙必然小，間隙會逐步累積到后焊部位，這樣后焊的部位間隙越來越大，形成的拘束應力也越來越大。拘束應力大到一定程度，就可能導致焊縫開裂。圖5 所示為應力過大形成的焊接裂紋；（3）大幅降低生產效率。當配合間隙過大，為了防止產生裂紋，不得已作出調整，將環形焊縫分為4 段，對稱施焊，使得間隙不至于全部積累到最后焊接的部位，過度拘束引起裂紋。設想的一次性完成整條環形焊縫的焊接無法實施，需要人工調整4 次，生產效率大為降低。

圖5 過度拘束形成的焊接裂紋

鑒于此，我們在設計圖中分別將帶輪、擋圈的Φ123 尺寸增加公差要求（0，+0.05）和（+0.1，+0.2），重新試制，以上問題迎刃而解。

4 效果檢查

圖6 同步帶輪焊接效果圖

首件加工完畢后，質檢員對工件進行了全面檢測。使用內徑千分尺，任取圓周3 個位置測量，關鍵尺寸Φ116 讀數均在F6（+0.036，+0.058）公差要求范圍內，其它精度要求如圓度及跳動也符合要求。首件檢驗合格后，開始批量焊接，焊后Φ116 F6 及其它尺寸也均滿足公差要求，本次焊接工藝攻關獲得成功。

5 結論

本文重點討論了一種對焊接變形控制要求嚴格的合金鋼同步帶輪的焊接。通過一系列措施的實施，成功實現了在保證帶輪精度不降的前提下，實現滿焊、免打磨，帶輪焊接強度及外觀質量顯著提升。對于這類焊接，選擇能量集中的焊接方式是關鍵。除本案例應用的高能弧焊式精密焊接外，激光焊接也是一種非常具有應用潛力的焊接方式，下一步準備開展相關試驗。