銅鋁管焊接系統(tǒng)的原理探討

曾 杰

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司工程技術(shù)分公司，安徽 銅陵 244000）

鋁材料具有較高的性能價(jià)格比，因此，在制冷及其他一些行業(yè)中多采用銅鋁管做冷凝器。但由于鋁材料的熔點(diǎn)較低，表面的致密氧化膜，故其焊接性能較差，因此，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中多采用銅鋁管過(guò)濾，用銅鋁管道連接其他管道，為實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能及參數(shù)的最佳匹配。從而縮短設(shè)備設(shè)計(jì)周期，提高系統(tǒng)質(zhì)量，降低經(jīng)濟(jì)成本。

銅鋁管焊接系統(tǒng)的主要功能是處理銅管、鋁管之間的焊接問(wèn)題，即鋁管作為鋁材料，在材料市場(chǎng)中有突出的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于冷凝管道制造中，而鋁管具有熔點(diǎn)低、表面附有氧化膜的特征，說(shuō)明其焊接性能較差，這時(shí)就要采用銅管來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，用銅管來(lái)連接鋁管，再將銅管與其他管道連接，這時(shí)就產(chǎn)生了銅管、鋁管焊接需求。這一需求中，主要需處理的問(wèn)題就是銅、鋁管接頭焊接問(wèn)題，而銅鋁管焊接系統(tǒng)能夠很好解決這一問(wèn)題，因此有必要對(duì)該系統(tǒng)原理進(jìn)行分析。

1 銅鋁管焊接系統(tǒng)原理

1.1 總功能分解依據(jù)

圖1 技術(shù)流程與周圍環(huán)境

總功能分解就是將總功能分解成分功能，并找出實(shí)現(xiàn)各分功能的方案?？偣δ芊纸鈶?yīng)逐漸層進(jìn)行，直到找到相應(yīng)的功能元。功能元指的是功能結(jié)構(gòu)中最小單位，每個(gè)功能元都有相應(yīng)的技術(shù)、物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？偣δ芊纸獾囊罁?jù)是：焊接系統(tǒng)應(yīng)由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)組成；其技術(shù)流程為：動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)，這四部分都安裝在支撐系統(tǒng)上，并在保護(hù)系統(tǒng)下工作。

1.2 總功能分解過(guò)程

總功能分解通常有兩種方法，一是按解決問(wèn)題的因果關(guān)系或手段目的關(guān)系分解，二是按產(chǎn)品工藝動(dòng)作過(guò)程的順序來(lái)分解。現(xiàn)選用后者，并且逐步進(jìn)行分解，直至找到相應(yīng)的原理解為止，為使用功能分解的結(jié)果在形式上更加直觀、簡(jiǎn)單，采用功能樹(shù)進(jìn)行流程表達(dá)。功能樹(shù)可以清晰地表達(dá)各種功能的層次關(guān)系和相互關(guān)系，有利于銅鋁管道焊接系統(tǒng)的工作原理設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 焊接設(shè)備功能樹(shù)

1.3 功能分析

本文將采用黑箱法來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，該方法應(yīng)用中首先要設(shè)置一個(gè)“黑箱端”，其次將“黑箱端”與系統(tǒng)連接，從該端出發(fā)，依照系統(tǒng)輸入量及輸出量的關(guān)系能夠?qū)ο到y(tǒng)功能進(jìn)行分解。隨后針對(duì)銅鋁管焊接系統(tǒng)，采用該方法進(jìn)行功能分解，具體步驟見(jiàn)下文。

（1）步驟一

根據(jù)逐步遞進(jìn)原則，采用黑箱法對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分解，由此找到系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的功能元，而其中依據(jù)在于每個(gè)功能元的技術(shù)、物理效應(yīng)。這一條件下，銅鋁管焊接系統(tǒng)的技術(shù)依據(jù)在于技術(shù)流程，包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)一控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)；物理效應(yīng)依據(jù)在于系統(tǒng)構(gòu)成，包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)。兩項(xiàng)依據(jù)均在支撐條件下運(yùn)作，觀察它們的運(yùn)作表現(xiàn)可對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分解[1]。

（2）步驟二

根據(jù)以上依據(jù)可以采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功能分解：①根據(jù)焊接工藝流程來(lái)進(jìn)行分解，即從焊接的第一環(huán)節(jié)至最后一個(gè)環(huán)節(jié)，這期間的每個(gè)環(huán)節(jié)都代表了一個(gè)功能，依序排律可得系統(tǒng)功能；②依照焊接需求的因果關(guān)系來(lái)進(jìn)行分解，即在系統(tǒng)應(yīng)用中如果系統(tǒng)成功解決了當(dāng)前問(wèn)題，則代表分解到此結(jié)束，而之前所有環(huán)節(jié)都代表了系統(tǒng)功能。這一條件下，考慮到本文研究是對(duì)銅鋁管焊接系統(tǒng)原理進(jìn)行全面解析，固選擇第一種方法進(jìn)行分解，分解結(jié)果見(jiàn)表1。

另外，在實(shí)際角度上表1中所有二級(jí)功能還可以進(jìn)一步進(jìn)行分解，如驅(qū)動(dòng)功能能分解為能量傳輸與分配；執(zhí)行功能能分解為定位、夾緊等執(zhí)行流程環(huán)節(jié)（各環(huán)節(jié)代表一個(gè)功能）；焊接功能無(wú)下級(jí)功能；控制功能能分解為啟動(dòng)停止、焊接預(yù)調(diào)、儀器顯示；保護(hù)功能能分解為冷卻、過(guò)載、溫控、電力控制；支撐功能能分解為若干結(jié)構(gòu)支撐等。

表1 銅鋁管焊接系統(tǒng)功能分解結(jié)果

1.4 原理

根據(jù)功能分析結(jié)果，可以從三個(gè)角度上來(lái)解釋銅鋁管焊接系統(tǒng)的原理，即焊接角度、控制角度、支撐角度，具體內(nèi)容見(jiàn)下文。

（1）焊接角度

銅鋁管焊接系統(tǒng)的最基本功能要求就是焊接，因此在焊接過(guò)程中所有與“焊接”目的存在直接關(guān)系的功能就代表了系統(tǒng)原理，這些功能分別為驅(qū)動(dòng)功能、執(zhí)行功能、焊接功能。首先，在驅(qū)動(dòng)功能上，要實(shí)現(xiàn)焊接就必須讓系統(tǒng)運(yùn)作起來(lái)，而系統(tǒng)運(yùn)作必然需要得到能源驅(qū)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)功能中的能量傳輸、分配就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)作目的，通過(guò)該功能所提供的能源，系統(tǒng)可以正式開(kāi)始焊接。其次，在得到能源驅(qū)動(dòng)的條件下系統(tǒng)將執(zhí)行焊接指令，原理上以定位、夾緊功能為例，其中定位功能具有確認(rèn)銅鋁管位置的作用，系統(tǒng)在該功能作用下會(huì)鎖定指定位置，在進(jìn)行下一步操作，定位完成后系統(tǒng)將對(duì)銅鋁管夾緊，以供后續(xù)焊接。最后在焊接功能上，該功能是唯一一項(xiàng)沒(méi)有下級(jí)表現(xiàn)的功能，因?yàn)橥ㄟ^(guò)該項(xiàng)功能就實(shí)現(xiàn)了焊接目的，所以存在這種表現(xiàn)。由此可知，從焊接角度上，銅鋁管焊接系統(tǒng)的原理為先實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，再確認(rèn)位置、調(diào)整銅鋁管狀態(tài)（通過(guò)夾緊功能將銅鋁管調(diào)整至可焊接狀態(tài)），最后通過(guò)焊接功能來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接目的。

（2）控制角度

銅鋁管焊接系統(tǒng)作為自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其并不具備智能邏輯，必須在人工管制下來(lái)進(jìn)行運(yùn)作，而要將人工管制要求輸入系統(tǒng)，該系統(tǒng)就需要具備控制功能及保護(hù)功能。首先，控制功能與保護(hù)功能存在的意義在于“保障焊接質(zhì)量與保障系統(tǒng)安全”，這兩點(diǎn)也是人工管制中最主要的，因此在原理上系統(tǒng)如果沒(méi)有這兩項(xiàng)功能，則說(shuō)明系統(tǒng)可靠性不足，不能投入實(shí)際使用。其次，在控制功能的啟動(dòng)停止、焊接預(yù)調(diào)、儀器顯示功能表現(xiàn)上，該功能充分落實(shí)了人工管制需求，可以將人工管制指令輸入系統(tǒng)，如啟動(dòng)停止是對(duì)系統(tǒng)啟停狀態(tài)進(jìn)行控制，人工可以根據(jù)需求來(lái)輸入指令，使系統(tǒng)自行啟停或手動(dòng)啟停；焊接預(yù)調(diào)可以接收人工對(duì)焊接質(zhì)量的要求，即人工根據(jù)質(zhì)量要求在焊接預(yù)調(diào)功能基礎(chǔ)上對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，輸入系統(tǒng)后就實(shí)現(xiàn)了焊接質(zhì)量控制；儀器顯示實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，人工通過(guò)儀器顯示數(shù)值可知焊接狀態(tài)，如出現(xiàn)調(diào)整需求可直接在其他功能上進(jìn)行調(diào)節(jié)。保護(hù)功能為自動(dòng)運(yùn)作功能，其在系統(tǒng)啟動(dòng)狀態(tài)下會(huì)對(duì)系統(tǒng)冷卻、過(guò)載、溫度、電力數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，依照人工設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行判斷，如果任意數(shù)據(jù)不滿足人工設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，若控制無(wú)果將啟動(dòng)應(yīng)急保護(hù)機(jī)制，即自動(dòng)停止。由此可知，從控制角度上銅鋁管焊接系統(tǒng)原理為：參照人工指令來(lái)控制系統(tǒng)行為，確保焊接質(zhì)量、根據(jù)人工標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保護(hù)系統(tǒng)安全。

（3）支撐角度

支撐角度角度所涉及的功能就是支撐功能，該功能主要是為以上所有功能提供支撐，可以說(shuō)在沒(méi)有支撐功能的條件下，系統(tǒng)是無(wú)法運(yùn)作的。其基本原理在于：根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)作需求、設(shè)計(jì)架構(gòu)，為同屬性功能提供支撐結(jié)構(gòu)，由此可見(jiàn)支撐功能具有多元化表現(xiàn)，可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)設(shè)置多個(gè)支撐路線，如銅鋁管焊接系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能、執(zhí)行功能與焊接功能，均屬于實(shí)現(xiàn)焊接所需功能，這時(shí)支撐功能將生成一個(gè)“焊接所需功能結(jié)構(gòu)”來(lái)支撐這些功能，而針對(duì)控制功能、保護(hù)功能，又要設(shè)置一個(gè)新的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行支撐，這即為支撐角度上支撐功能的原理。

2 銅鋁管焊接系統(tǒng)冷凝管焊接中的傳感器原理

在冶金設(shè)備冷凝管制造中，冷凝管必須具備良好的耐溫能力，這時(shí)冷凝管材質(zhì)就成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)冷凝管所采用的的鋁材在耐溫能力上較差，因此需要替換，這時(shí)銅材進(jìn)入了人們的視線，認(rèn)為將銅管兩端分別為設(shè)備、鋁管連接，能夠利用銅管良好的耐溫能力來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凝過(guò)度，再通過(guò)鋁管實(shí)現(xiàn)回流等操作，由此在冷凝管制造中就產(chǎn)生了銅鋁管材焊接需求。這一條件下，我們采用銅鋁管焊接系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)該焊接需求，實(shí)現(xiàn)方法就在于傳感器：首先將系統(tǒng)硬件布設(shè)在焊接流水線上，設(shè)定一個(gè)焊接位置，其次在硬件上安置傳感器，該傳感器會(huì)對(duì)焊接位置進(jìn)行圖像識(shí)別，如果圖像陰影較大，則說(shuō)明焊接位置上有銅鋁管，需要焊接，這時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功能將驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂夾起銅鋁管，依照人工預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行焊接，完成后將銅鋁管放在指定位置，再回歸到初始狀態(tài)，等待下一批次銅鋁管。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文采用黑箱法分析了系統(tǒng)功能，并從不同角度闡述了銅鋁管焊接系統(tǒng)原理，同時(shí)針對(duì)銅鋁管焊接系統(tǒng)運(yùn)作需求，分析了傳感器應(yīng)用原理，同樣對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用原理機(jī)械能了分析。通過(guò)分析可知，銅鋁管焊接系統(tǒng)具有保障焊接質(zhì)量、運(yùn)作穩(wěn)定的特征，加之傳感器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)作，說(shuō)明該系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值可觀，值得推廣。