關于焊接空間的一種計算方法

劉瑞晴，董翠粉，陶丙龍，毛欽魁

關于焊接空間的一種計算方法

劉瑞晴，董翠粉，陶丙龍，毛欽魁

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450061）

通過對焊槍結構和焊接過程的分析，建立焊接空間的立體幾何關系，應用極值法計算出焊接所需要的最小空間，從而可在結構設計階段識別出焊接空間不足的位置，為改進結構設計提供依據(jù)。

焊接空間；極值法；焊接質(zhì)量；焊槍結構

客車底盤車架[1-4]由大量的型材和少部分板材焊接構成，在結構設計過程中考慮更多的是桁架結構強度問題，忽略了結構設計對焊接操作難易度的影響。由于焊接空間不足導致焊接時焊槍角度不合適，增大了焊縫缺陷發(fā)生的概率，甚至部分位置不能形成有效焊縫。不僅給工人施焊造成困難，還會影響焊接質(zhì)量，從而影響行車安全[5-6]。

本文以經(jīng)濟適用的氣體保護焊[7-10]為例，介紹一種焊接所需最小空間的計算方法：通過焊絲干伸長與焊槍槍嘴直徑模擬出常規(guī)焊接狀態(tài)下能達到的最小角度α。通過模擬焊槍焊接路徑，將焊縫以及焊槍的起點、終點位置閉合為直角三角形，借助焊槍能達到的最小角度α計算出直角三角形的直邊長度，分析焊槍偏斜狀態(tài)后即可計算出焊槍焊接所需的最小空間。

1 最小焊接空間的算法設計

1.1 焊槍尺寸及焊接結構

車間常用焊機型號：YD-350KR；焊槍型號：松下350。

焊槍槍嘴直徑A=20 mm，焊絲干伸長=焊絲直徑（ 1.0）×（10～15）倍≤15 mm（本文取極大值15 mm），焊槍槍身長度L=1 600 mm，具體見圖1。

圖1 焊槍形狀及尺寸示意圖

常見焊接結構，包括加強角結構（見圖2），井字形結構（見圖3），箱體結構（見圖4）。

圖2 加強角結構

圖4 箱體結構

圖3 井字形結構

1.2 極值法計算焊接角度

鑒于焊槍槍嘴直徑為 20 mm，焊絲干伸長極大值為15 mm，所以焊接時焊槍的最小角度α=tg(10/15)=34°，具體見圖5。

以圖5為基礎，如圖6所示，當焊件夾角β＜2α=68°時，焊絲不能完全深入夾角內(nèi)部，影響焊縫熔合性。

圖5 焊槍焊接的最小角度

圖6 夾角處焊接的最小角度

1.3 最小焊接空間的計算

1）加強角結構。以圖2為例，將型材、立焊縫以及焊槍之間形成的閉合結構（見圖7）簡化為直角三角形（見圖8），計算出尺寸R，即為加強角結構下需要的最小焊接空間尺寸。已知立焊縫長度h，k=h×tg34°（k是焊槍簡化為一條直線情況下,通過已知的焊縫長度h計算出的最小焊接空間值），R=k+b，b是焊槍偏斜34°時焊槍斜面半徑補償值（見圖8）。

圖7 模擬加強角結構下焊接過程

圖8 焊接過程轉化為三角形閉合結構

2）井字形結構。以前述算法為基礎，計算井字形結構（圖3）需要的最小焊接空間尺寸。加強角結構與井字形結構（正方形狀態(tài)）的最小焊接空間值相同（即k值）。將井字形結構的焊接過程（見圖9）簡化為三角形閉合結構（見圖10），經(jīng)過兩次直角三角形轉換計算出需要的最小焊接操作空間(長方形狀態(tài))，即井字形結構的長、寬尺寸（M、N），其中M=m+s，m=k/cos（45-34）°×cos34°；N=n+p，n=k/cos（45-34）°×sin34°,s和p是焊槍偏斜34°時焊槍斜面半徑補償值（分為井字形結構的長度和寬度兩個方向，見圖10）。

圖9 模擬井字形結構下焊接過程

圖10 焊接過程轉化為三角形閉合結構

3）箱體結構。以圖4為例，計算箱體結構需要的最小焊接空間尺寸。

焊槍自上方探入箱體內(nèi)部焊接，極限位置為焊槍與焊縫夾角34（° 參考圖2），與箱底水平面夾角=90°-34°=56°。

將焊槍的初始位置、焊縫和焊槍的極限位置形成的閉合結構簡化為三角形（對焊槍投影簡化為3個直角三角形，見圖11），計算出需要的最小焊接操作空間尺寸17（常數(shù)），w=12（常數(shù)），v和 w 是焊槍偏斜后的半徑補償值，焊槍長度可參考1.1中的L值。

圖11 箱體結構下焊接過程及三角形結構

圖12 箱體結構下焊接的極限位置

2 結論

1）焊槍槍嘴直徑為 20mm，所以焊接空間必須大于20 mm×20mm，焊槍才可以焊接；當焊接空間＜20 mm×20mm時，只能在型材立縫端頭≤5mm范圍內(nèi)進行點焊。

2）根據(jù)焊槍槍嘴直徑（ 20 mm）和焊絲干伸長（極大值為15 mm），焊接過程中焊槍可調(diào)角度范圍極值為34°～90°。

3）當型材夾角＜68°時，焊絲不能完全填充至型材夾角中（見圖6），焊縫熔合性欠佳。

[1]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2]田其鑄.汽車構造[M].哈爾濱：哈爾濱出版社，1997.

[3]趙吉.大中型客車產(chǎn)品設計與制造工藝[M].長春：吉林科學技術出版社，2008.

[4]周林福.汽車底盤構造與維修[M].3版.北京：人民交通出版社，2015.

[5]宋金虎.焊接方法與設備[M].大連：大連理工大學出版社，2014.

[6]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[7]王成文.焊接材料手冊及工程應用案例[M].太原：山西科學技術出版社，2004.

[8]張建勛.現(xiàn)代焊接生產(chǎn)與管理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[9]張連生.金屬材料焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[10]朱玉義.焊工實用技術手冊[M].南京：江蘇科學技術出版社，2005.

A Method of the Welding Space Calculation

Liu Ruiqing,Dong Cuifen,Tao Binglong,Mao Qinkui
（Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd, Zhengzhou 450061,China）

The authors analyze the structure of welding torch and the process of welding,and establish three-dimensional geometric relationship of welding space.They calculate the minimum space of welding need by applying the extremum method in order to be able to identify the position of the insufficient welding space during the structural design stages.This can provide the basis for improving structure design.

welding space;extremum method;welding quality;structure of welding torch

TG441.4

A

1006-3331（2017）05-0049-03

劉瑞晴（1981-）,女，碩士；工程師；主要從事客車底盤焊接工藝研究工作。

修改稿日期:2017-06-26