可夾持焊槍的氬弧焊自動焊接裝置*

張春紅，高開熠，張 寧，常 浩，陳志偉

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.徐州工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇 徐州221018；3.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州221004）

0 前 言

焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，使兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式。焊接應(yīng)用廣泛，既可用于金屬，也可用于非金屬。對于焊件來說，焊接接頭的質(zhì)量直接決定了其使用壽命和使用安全。

人工焊接無法保證穩(wěn)定的焊接速度和焊接高度等要求，往往會產(chǎn)生由焊接接頭的熔深不同、焊縫寬度不同以及焊縫各處差異很大等人為因素所導(dǎo)致的焊接缺陷。為了避免人為因素對焊件質(zhì)量的影響，本研究設(shè)計了一種可夾持的氬弧焊焊槍自動焊接裝置，從而避免了人工焊接時因人為操作因素導(dǎo)致的焊接缺陷，實現(xiàn)了焊接過程的自動化，提高了焊接質(zhì)量。

1 可夾持焊槍的氬弧焊自動焊接裝置結(jié)構(gòu)

1.1 電子控制模塊

可夾持氬弧焊焊槍自動焊接裝置包括電子控制模塊和機(jī)械裝置兩個部分，電子控制部分是應(yīng)用單片機(jī)原理設(shè)計了控制電路，能實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)速的控制。電子控制模塊的電路如圖1所示。

電子控制模塊是由控制焊槍移動方向和移動速度的6個按鈕組成，如圖2所示。

在圖2中，各按鍵的功能如下。

圖2 控制模塊按鈕

開始鍵：系統(tǒng)通電，按下此按鍵后，裝置開始在X向單方向向前移動，在Y方向波浪形移動。

后退鍵：按住此鍵，工作臺沿著X的反方向移動，回到初始位置。

加速鍵：按下此鍵，X向移動的速度逐漸增大。

減速鍵：按下此鍵，X向移動的速度逐漸降低。

左移鍵：按下此鍵，沿著Y方向，向左移動。

右移鍵：按下此鍵，沿著Y方向，向右移動。

以上6個按鍵中，任意一個鍵被按下都可以使系統(tǒng)工作停止。同時，為了防止工作人員的疏忽，避免出現(xiàn)工作臺越過極限位置而損壞的情況，在移動工作臺上面設(shè)置了一個接近開關(guān)，當(dāng)工作臺接近極限位置時，自動觸發(fā)接近開關(guān)，使系統(tǒng)停止工作。這樣就可以有效保護(hù)工作臺的安全。

1.2 機(jī)械裝置組成

筆者應(yīng)用制造原理設(shè)計了氬弧焊自動焊接裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械裝置部分由支架支撐結(jié)構(gòu)組成。其由兩個大扭矩蝸輪蝸桿減速電機(jī)和角鋁板的配合來調(diào)節(jié)焊槍在前后、左右、上下三維方向上的移動。其中，X軸方向（前后）的自動運(yùn)動由底座安裝的扭矩蝸輪蝸桿減速電機(jī)來實現(xiàn)；Y軸方向（左右）的自動運(yùn)動由中部支架安裝的扭矩蝸輪蝸桿減速電機(jī)來實現(xiàn)；Z軸方向（上下）的移動靠手動旋鈕來實現(xiàn)，焊槍的引弧是手動實現(xiàn)。氬弧焊自動焊接裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氬弧焊自動焊接裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖

在圖3中，支撐結(jié)構(gòu)由底座和運(yùn)動機(jī)構(gòu)兩大部分組成。運(yùn)動機(jī)構(gòu)位于底座的上方，通過一條絲杠和滑塊與底座連接在一起，底部安裝有兩個軸承，絲杠和滑塊并排相互平行的固定在底座上，滑塊起導(dǎo)向和支撐作用。在絲杠的一端安裝有蝸輪蝸桿減速電機(jī)，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，運(yùn)動機(jī)構(gòu)在絲杠和滑塊的共同作用下，可以實現(xiàn)前后移動。

運(yùn)動機(jī)構(gòu)按運(yùn)動方式又可分為上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)和左右運(yùn)動機(jī)構(gòu)。上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)為兩塊帶有卡槽的角鋁，卡槽的尺寸與焊槍握把相當(dāng)，剛好可以將焊槍固定在角鋁上，角鋁的背面裝有兩個軸承，通過絲杠和滑塊與另一塊鋁板相連，絲杠的頂端有個可轉(zhuǎn)動的旋鈕，可實現(xiàn)焊槍的上下移動，即在焊接過程中能調(diào)節(jié)弧長的大小。左右運(yùn)動機(jī)構(gòu)為一塊背面裝有兩個軸承的被折彎的鋁板，通過絲杠和滑塊與運(yùn)動機(jī)構(gòu)連接在一起，在絲杠的一端安裝有電機(jī)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時，即可帶動焊槍實現(xiàn)水平方向上的運(yùn)動。

2 可夾持焊槍氬弧焊自動焊接裝置的焊接試驗

利用可夾持焊槍進(jìn)行氬弧熔覆耐磨復(fù)合涂層的試驗。基體材料為Q235鋼板，涂覆材料為Ni60A，TiC，TiN和Co粉，用水玻璃為粘結(jié)劑，壓制成型，涂覆在鋼板上，自然晾干后再烘干處理。然后利用自行設(shè)計的可夾持焊槍的氬弧焊自動焊接裝置和TIG弧焊機(jī)制備耐磨復(fù)合涂層。焊接電流分別選取100 A和110 A，焊接速度為30 mm/min和 40 mm/min。

圖4為氬弧熔覆耐磨復(fù)合涂層橫截面的金相組織圖。由圖4（b）中可知，熔覆層的橫截面呈層狀分布，在結(jié)合區(qū)部位，界面處兩端的原子發(fā)生劇烈的相互擴(kuò)散，凝固后形成非常優(yōu)良的冶金結(jié)合層。在結(jié)合區(qū)的前沿是定向生長的枝晶和枝晶間共晶結(jié)構(gòu)，枝晶軸大致與基底垂直。圖4（c）為熔覆區(qū)的的顯微組織，可以看出，熔覆層上彌散分布著大量呈短棒狀、針狀的 Ti（C，N）和（Fe，Cr）xC增強(qiáng)相顆粒，有助于涂層耐磨性的提高。

測量顯微硬度時從熔覆層的最外面開始，然后沿著一條直線向基體內(nèi)部每隔0.2 mm測量一次硬度。熔覆層至基體內(nèi)部的硬度分布曲線如圖5所示，從圖5可以看出，曲線走向呈先上升后下降的趨勢，最高硬度可達(dá)1 042.1 HV10，是基體硬度163 HV10的6.4倍。

圖4 復(fù)合涂層的顯微組織

另外焊件經(jīng)外觀檢查、無損檢測后，各項指標(biāo)均達(dá)到了焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)的要求，評定合格。由此驗證了該裝置的各項功能合理，焊接過程可靠，焊接質(zhì)量好，無氣孔、夾雜、未熔合、未焊透等缺陷，且無裂紋等宏觀缺陷，抗磨損、耐腐蝕性能達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 熔覆層至基體內(nèi)部的硬度分布

3 結(jié) 語

本研究的可夾持氬弧焊焊槍自動焊接裝置主要解決由于人工焊接時不能保持焊接參數(shù)的穩(wěn)定輸出從而導(dǎo)致焊接缺陷的問題，避免了人為因素導(dǎo)致的焊接缺陷，實現(xiàn)了焊槍的三維移動和焊接過程的自動化，提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。

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