基于TRIZ理論的超聲輔助隨焊滑臺的設計

李航， 陳芙蓉， 李銳峰

(內蒙古工業大學， 呼和浩特 010051)

0 前言

TRIZ(Teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)理論[1]相對于傳統的試錯法、頭腦風暴法，成功揭示了創造發明的內在規律與原理，著力調節和澄清系統矛盾，直至完全解決矛盾，獲得最優解。應用TRIZ理論提供的標準解能夠將復雜的、不確定因素叢生的解題過程轉化為精確的科學運用過程，準確確定問題方向，加快創新歷程而且能夠得到高品質產品。

在機械設計中，TRIZ理論的矛盾沖突矩陣得到了廣泛應用，利用矛盾矩陣對應的發明原理，可以快速解決設計中的技術問題。戚祝暉等人[2]采用“物-場分析”與矛盾沖突矩陣結合方法，對蘆葦沙障困扎系統的關鍵部件進行了優化，提升了3倍蘆葦高立式沙障制作效率。韓立芳等人[3]將TRIZ技術沖突原理應用于新型立體車庫的創新設計研究，該設計具有占地小、容量大、效率高等優勢。趙熹等人[4]在滾鉚刀具設計中，選用第1條(分割)和第15條(動態特性)發明原理解決了物質的數量與可制造難度兩大參數存在的技術矛盾，提高了滾鉚加工的安全性與通用性。梁爽[5]通過分析現行精量播種機的技術矛盾建立矛盾矩陣，利用TRIZ理論的發明原理，完成了精量播種機執行機構的優化，有效提高了播種機的工作效率。王軍等人[6]針對營地手推車存在折疊效率低、產品笨重等問題，利用TRIZ理論發明原理，并結合可拓學進行分析，實現了對營地手推車的折疊時間、折疊流程及輕量化目標進行了優化。文章針對人工手持焊槍與超聲振幅桿焊接過程存在的問題，引用TRIZ理論功能分析與技術矛盾矩陣解決焊接過程存在的問題，設計一款以三維滑臺為主體，通過夾具將焊槍與超聲波振幅桿連接，實現同步移動的超聲輔助隨焊滑臺，以下簡稱為隨焊滑臺。

1 隨焊滑臺的問題分析

1.1 TRIZ簡介

TRIZ便是俄文中“發明問題的解決理論”的字頭，其目的是研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則[7-8]。文中主要使用的矛盾沖突矩陣解決工具，是利用表述系統性能的39個通用工程參數和40個創新原理及其它們之間的對應關系組成的矛盾矩陣，確定工程參數后，通過查閱矩陣對應的發明原理，解決系統中技術矛盾問題。

1.2 隨焊滑臺的問題識別

通過對現階段焊接設備的調研，建立了氬弧焊設備使用過程的功能模型如圖1所示。

圖1 功能模型

通過分析功能模型，總結氬弧焊使用過程中存在的問題如下。問題①：人工進行超聲輔助焊接時操作很難控制超聲振幅桿的穩定，并且處理的試件較多容易導致疲憊，使超聲輔助焊接的效果出現差異;問題②：傳統的焊接平臺各個部件是相互獨立的，需要單獨控制工作，焊接參數難以掌控;問題③：超聲波振幅桿固定一點時，伴隨焊接過程熔池的移動，聲波能量衰減，空化效應減弱。

1.3 矛盾矩陣的建立

解決問題①的關鍵是保證焊槍的穩定運行，同時能夠多方位自由運動，但是需要改變焊接平臺的結構。即改善的參數是結構的穩定性，惡化的參數是形狀。解決問題②的關鍵是能夠自動控制焊接速度、焊槍開關及規劃焊接路徑，但是需要用復雜的系統實現。即改善的參數是自動化程度，惡化的參數是裝置的復雜性。解決問題③的關鍵是使超聲波振幅桿跟隨熔池移動，但是會導致超聲波振幅桿作用不穩定。即改善的參數是運動物體的長度，惡化的參數是結構的穩定性。根據改善和惡化的工程參數，建立矛盾矩陣見表1。

表1 矛盾矩陣

利用矛盾矩陣給出的發明原理，結合設計經驗與專業知識，最終篩選出發明原理1(分割)，發明原理24(借助中介物質)，發明原理15(動態特性)作為隨焊滑臺創新設計的指導思路，優選的發明原理見表2。

表2 矛盾矩陣解決方案

2 隨焊滑臺的創新設計

根據1號(分割)、24號(借助中介物質)、15號(動態特性)發明原理的指導，并巧妙結合增材制造設備工作模式來對隨焊滑臺進行創新設計。隨焊滑臺模型如圖2所示。

圖2 超聲輔助隨焊滑臺

2.1 隨焊滑臺的結構設計

隨焊滑臺的結構設計運用了1號(分割)發明原理。將傳統焊接平臺設計為三軸模組，同時焊槍夾具與超聲波振幅桿夾具均設計為可拆卸結構，隨焊滑臺結構如圖3所示。底板上方設置有y軸組件，y軸組件上方垂直設置x軸組件。底板一端固定有機架，機架側壁固定連接有z軸組件，z軸組件側壁固定有連接桿，超聲輔助隨焊夾具與焊槍夾具分別固定于連接桿呈平行分布。y軸組件包括支撐架，支撐架兩側連接有直線滑軌，直線滑軌兩端連接有滑塊，上部設置有滑板，支撐架中部設置有絲杠，伺服電機通過聯軸器與絲杠連接，可實現滑板平行移動。y軸行程600 mm，選用用臺灣TBI滾珠絲杠和PM125雙導軌，x，z軸行程400 mm，配置與y軸相同。三維滑臺模組均采用750 W伺服電機及驅動器，控制移動精度達到±0.1 mm。

圖3 隨焊滑臺示意圖

2.2 控制系統的功能設計

運用24號(借助中介物質)發明原理，使用控制系統對隨焊滑臺、焊槍開關進行統一控制。使用單片機等控制器進行控制，編程復雜、操作繁瑣，難以實現。PLC相對于單片機等控制器[9]，編程及操作過程簡單，可實現連續回路控制，功能聚集技術良好，可以極大地提高設備的自動化水平。PLC控制實物圖如圖4所示。

圖4 PLC控制系統實物圖

焊接時，只需將事先編寫好的制造程序導入PLC中，再將焊縫坐標始末位置輸入到PLC控制面板中，PLC通過耦合自動控制焊槍開關，能夠驅動x軸組件、y軸組件相互配合，實現不同的復合運動，并配合超聲波振幅桿，能夠對不同工件進行處理。同時，控制器可實現對工件的處理速度、程度和壓力等參數精確控制，使工件的超聲輔助隨焊效果達到最佳。

2.3 隨焊夾具結構設計

超聲輔助隨焊夾具運用了15號(動態特性)發明原理，結構如圖5所示，使超聲波振幅桿與焊槍同步移動，減少超聲波傳遞過程中能量衰減。超聲超聲波振幅桿夾具與焊槍夾具一同固定于三維滑臺z軸，可實現振幅桿與焊槍同步移動，從而達到隨焊效果。由于振幅桿僅依靠自身重力與焊件接觸，沖擊時發生震動，空化效果較差。在隨焊夾具上安裝氣缸，氣缸通過U形件對振幅桿施加壓力，可使振幅桿緊密接觸焊件。

圖5 超聲輔助隨焊夾具示意圖

3 隨焊滑臺性能測試

3.1 隨焊試驗

3.1.1試驗材料

試驗材料選用7075鋁合金，尺寸為135 mm×10 mm×3 mm。ER5356焊絲，化學成分見表3。

表3 7075鋁合金與ER5356焊絲的化學成分(質量分數，%)

3.1.2焊接方法

試驗設備使用搭建的隨焊滑臺，該試驗采用焊接電流125 A，焊接速度8 m/s，氣流量為20 L/min，超聲波功率分別設置為0 W，600 W，900 W，1 200 W，1 500 W，1 800 W。焊接前，將焊件待焊區域使用鋼刷進行打磨，打磨至表面無氧化層為止，使用無水乙醇進行擦洗并吹干，去除表面污漬，放置載物臺待焊。焊接完成后，使用光學顯微鏡對焊接接頭進行了焊縫微觀組織觀察并進行拉伸試驗，以及利用HXD-1000TM的數字式顯微硬度計測量焊接接頭的顯微硬度[10]。

3.2 試驗結果

3.2.1焊接接頭微觀組織分析

圖6～圖7分別顯示了超聲波功率為0 W，600 W，900 W，1 200 W，1 500 W，1 800 W的焊接接頭的顯微組織。從圖可以得出隨著超聲功率的增加，熱影響區的寬度分別為236.19 μm，207.34 μm，167.19 μm，145.84 μm，128.47 μm，127.31 μm，在超聲的作用下，攪拌熔池的流動，加快熔池的冷卻時間[11]，并且振動會破碎柱狀晶的枝晶，被破碎的枝晶在超聲的攪拌作用下，會流竄到熔池中，在焊縫中形成新的形核點有利于等軸晶的生長，抑制柱狀晶的長大[12]，因此抑制了熱影響區變窄。熱影響區吸收超聲波能量有限，當超聲功率超過1 500 W時，抑制熱影響區的長大不明顯。

圖6 0～900 W超聲功率下焊接接頭的金相組織

圖7 1 200～1 800 W超聲功率下焊接接頭的金相組織

3.2.2焊接接頭的拉伸試驗

對施加超聲波輔助的焊件進行拉伸試驗，抗拉強度隨超聲波功率變化如圖8所示，可以看出，超聲波功率為1 200 W時焊縫的抗拉強度提升最為顯著，焊接接頭抗拉強度為390 MPa,相對無超聲波作用的接頭抗拉強度提高27.8%。

圖8 不同超聲功率下的抗拉強度

4 結論

(1)應用TRIZ理論不僅節省了設計時間、快速找到最優解，而且使設計更具有科學性，可以為其他機械設計發展提供指導借鑒作用。

(2)根據TRIZ理論提供的解決方案，搭建了超聲輔助隨焊滑臺，隨焊滑臺部件組成簡單，通過焊接試驗測試，焊槍與超聲波振幅桿運行平穩、符合隨焊要求。

(3)應用TRIZ理論設計的隨焊滑臺可以有效解決超聲波能量衰減，以及人工施加超聲波時控制參數不穩定等問題，細化晶粒效果更為顯著，焊接接頭抗拉強度可達到390 MPa，相對無超聲輔助隨焊可提高27.8%。