真空電子束焊機典型故障的分析與處理

雒補清，劉海霞，曹海翊，王 堅

（晉西工業(yè)集團有限責任公司，山西太原 030027）

0 引言

公司于2006 年從國外引進1 臺真空電子束焊機，應用于鋁合金、銅、鋼的焊接，還可以進行異種金屬焊接，如銅和不銹鋼、鋼與硬質(zhì)合金、鉻與鉬等，可高質(zhì)量完成各類產(chǎn)品的焊接。

1 真空電子束焊機工作原理及焊接特點

1.1 工作原理

焊接室由三級真空泵進行抽真空處理，在達到真空焊接條件時，從電子槍發(fā)射的電子束在高電壓（通常為20～300 kV）加速下，通過電磁透鏡聚焦成高能量、高密度的電子束。當電子束轟擊工件時，電子的動能轉(zhuǎn)化為熱能，焊區(qū)的局部溫度可以驟升到6000 ℃以上，使工件材料局部熔化實現(xiàn)焊接。

1.2 電子束焊接特點

（1）加熱功率密度大，焊接變形小。

（2）焊縫熔深熔寬比大，可以不用開坡口就直接焊接。

（3）熔池周圍氣氛純度高，不存在焊縫金屬的氧化污染問題。

在使用多年以后，真空電子束焊機陸續(xù)出現(xiàn)一些故障，影響到設備的正常運行。就設備故障情況進行分析，提出具體的修理方法，排除故障保證了生產(chǎn)。

2 C 軸直流電機的修理與改進

2.1 故障現(xiàn)象

該真空電子束焊機配備X、Y、Z、C 共4 個軸，驅(qū)動系統(tǒng)為傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)，由直流電機進行控制。其中X、Y、Z 為直線軸，分別控制工作臺、頂部電子槍和側(cè)面電子槍的運動；C 軸為旋轉(zhuǎn)軸，用于控制工件的分度與旋轉(zhuǎn)。

2020 年C 軸在生產(chǎn)過程中突然不能旋轉(zhuǎn)，報警內(nèi)容為：C軸驅(qū)動故障。經(jīng)檢查控制柜C 軸驅(qū)動模塊輸出信號正常。拆開C 軸檢查，發(fā)現(xiàn)電機能夠轉(zhuǎn)動但電機軸無輸出扭矩，進一步檢查是電機軸疲勞斷裂。

2.2 C 軸電機簡介

C 軸電機型號為57343，法國某公司生產(chǎn)，品牌SSD，工作電壓DC 35 V，電流6.5 A，轉(zhuǎn)速3000 r/min。所帶測速發(fā)動機型號為57270，參數(shù)為：3 mV/min。電機共包括3 部分：電機本體、測速發(fā)電機、圓弧齒同步皮帶輪，3 部分共用一根電機軸。

電機本體與一般的直流電機不同，主要表現(xiàn)在定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子繞組是細長型，繞組套在電機軸上，而轉(zhuǎn)子繞組則是薄片型，上面鑲嵌有銅繞組。定子由上下2 組永磁鐵組成，每組由8 塊永磁鐵組成，分別為N、S 極，形成永久磁場。另外上側(cè)的定子上有4 個碳刷支架，用于轉(zhuǎn)子繞組與驅(qū)動電源的電氣連接。電機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電機結(jié)構(gòu)

2.3 電機修理

因為電機故障是電機軸斷裂，電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、碳刷、軸承等情況尚好，在備件無法到位的情況下，決定拆開電機，分解測速發(fā)動機及定子、轉(zhuǎn)子，通過測繪舊軸加工一根新的電機軸。測繪的電機軸如圖2 所示，新加工的電機軸如圖3 所示。

圖2 測繪的電機軸零件圖

圖3 新加工的電機軸

在電機軸加工完成后，維修人員仔細地利用一個手動切割器在轉(zhuǎn)子軸上滾壓固定一個軸套，然后將電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、軸承、端蓋、測速發(fā)電機、同步齒形皮帶輪等組裝起來。

組裝完成后進行試驗，用DC 24 V 開關電源連接到直流電機的輸入端，電機可正常旋轉(zhuǎn)，測量測速發(fā)電機輸出電壓為12.8 V，比正常反饋電壓略高。后將輸入電壓調(diào)節(jié)為18.6 V，測速發(fā)電機反饋電壓為9.8 V，符合設備工作電壓值范圍。將電機安裝到真空電子束焊機C 軸上試驗，設備工作正常，滿足工藝要求。

2.4 新直流電機改進

2.4.1 新電機采購

修好的直流電機在連續(xù)運行8 個月以后再次出現(xiàn)故障，表現(xiàn)為電機運行中抖動、易發(fā)熱，影響到焊縫質(zhì)量的連續(xù)性及一致性。新購買的電機為某公司生產(chǎn)（圖4），型號一致但電機軸直徑改變，由Φ15 mm 變?yōu)棣?2 mm。原來的圓弧齒同步皮帶輪不能使用，需要另外選取。

圖4 新購直流電機

2.4.2 圓弧齒同步帶及皮帶輪選取

查圓弧齒同步帶資料（圖5），考慮到皮帶輪內(nèi)孔直徑Φ12 mm、齒數(shù)36、槽寬14 mm、外徑尺寸Φ≤56 mm、高度≤26 mm 等因素，后采購回規(guī)格滿足要求的圓弧齒同步帶和皮帶輪，其中同步帶型號為3M-36。

圖5 圓弧齒同步帶參數(shù)

2.4.3 皮帶輪及電機安裝

將新的圓弧齒同步皮帶輪安裝到電機軸端，將電機安裝到真空電子束焊機C 軸上，安裝好圓弧齒同步帶，調(diào)整好皮帶的松緊度，連接好驅(qū)動電源、測速發(fā)電機線路。開機試驗，C 軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)且符合工藝要求。焊接產(chǎn)品試驗，焊縫質(zhì)量連續(xù)細密，效果良好。

3 焊機不啟動故障

真空電子束焊機在運行過程中發(fā)生過2 次不能啟動的故障，第一次是黑屏，在正常開機按啟動按鈕后無任何反應；第二次是啟動過程中屏幕有報警顯示，但未能啟動起來。

3.1 啟動過程中黑屏故障

該焊機在啟動過程中，設備操作臺屏幕無任何顯示，查電氣控制回路，電氣控制柜中主熔斷器Q1、斷路器Q2、Q3 和變壓器T1 工作均正常，用多用表測量輸入電壓，AC 230 V 電壓已送到UPS1 中。UPS1 為不間斷電源，其輸出到一個插座C4 中，用于給工控機PC 提供AC 230 V 的電壓。懷疑UPS1 電源有故障，用多用表測量其輸出電壓為0。打開UPS1 電源外殼，檢查內(nèi)部電路，輸入輸出回路熔斷器均正常，說明是UPS1 電源內(nèi)部電路板故障。因生產(chǎn)任務緊急，選購1 臺容量、電壓等級均符合要求的國產(chǎn)UPS 電源來代替。新的UPS 電源輸出接口與原來不同，改進后焊機能夠正常啟動，故障排除。

3.2 硬盤數(shù)據(jù)故障

某次電子束焊機工作完成后正常關機，但是第二天在啟動過程中，界面上出現(xiàn)如下報警：“Primary master hard disk fail”，意思為“初期主硬盤故障”。經(jīng)查硬盤在啟動過程中部分數(shù)據(jù)不能讀取，工控機無法正常啟動。用電腦修復軟件對硬盤進行修復，效果不好。讀硬盤數(shù)據(jù)，也未能成功。在無法讀取現(xiàn)有數(shù)據(jù)的情況下，找到前幾年備份好的機床數(shù)據(jù)，重新購買新硬盤，并用PC3000 UDMA 硬盤數(shù)據(jù)恢復工具將數(shù)據(jù)寫入到硬盤中。硬盤安裝到工控機后試車，設備啟動正常，焊機故障排除。

另外檢查工控機，其工作環(huán)境周邊灰塵較厚、散熱較差，影響到電腦系統(tǒng)的正常運行。于是清理操作臺風扇積土，吹掃工控機灰塵，改善其運行環(huán)境，減少溫度升高對設備的影響。

4 真空泵系統(tǒng)故障

該設備抽真空系統(tǒng)由3 級泵組成，即機械泵、羅茨泵、擴散泵。使用時間久了，要達到工藝要求的真空度抽氣時間由原來的20 min 逐漸變?yōu)? h 甚至更長。機械泵作為一級真空泵，承擔第一級抽真空任務。于是對機械泵進行維護，更換濾芯和機械泵油，抽真空時間減少到40 min。后對羅茨泵油進行更換，時間基本沒變。

在維護泵系統(tǒng)不能減少抽真空時間的情況下，對焊接室密封情況進行檢漏。利用氦質(zhì)檢漏儀，將該儀器接入到真空管路系統(tǒng)中，并用氦氣袋釋放的氦氣依次對有可能漏氣的地方如前后焊接室門、2 個電子槍安裝部位、觀察窗等處進行檢漏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊接室后門有漏氣現(xiàn)象。于是打開后門，將密封膠條、門板等用酒精擦拭干凈，并用吸塵器將焊接室內(nèi)部粉塵清理干凈。然后緊固門板，試驗抽真空速度大大提高，基本達到工藝要求時間。

5 結(jié)束語

真空電子束焊機在公司屬于獨生子設備，設備價值和技術(shù)含量都較高。修理直流電機時因其結(jié)構(gòu)特殊，特別是轉(zhuǎn)子繞組比較單薄，在拆卸及安裝過程中需要特別小心，防止損壞轉(zhuǎn)子繞組。其次在采購進口電機周期長影響生產(chǎn)的情況下，維修人員要積極想辦法，敢于拆卸分解電機進行零部件測繪、加工及修理。另外要做好備件儲備，做好設備數(shù)據(jù)備份和故障應急預案，這樣在故障發(fā)生后才能隨時解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的突發(fā)問題，保證設備正常運轉(zhuǎn)。