T型管散熱器自動(dòng)焊接系統(tǒng)的故障診斷與維修方案

楊筱坤， 李丹， 張冠

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州510800）

1 T型管散熱器自動(dòng)焊接系統(tǒng)簡(jiǎn)介

T型管散熱器自動(dòng)焊接系統(tǒng)是用以自動(dòng)焊接各類(lèi)新型散熱器的數(shù)控焊接設(shè)備。其焊接對(duì)象包括各種鋼鋁復(fù)合翼型散熱器、鋼制散熱器、銅鋁復(fù)合散熱器（即我國(guó)北方俗稱(chēng)暖氣片）。焊接管型主要包括圓管與圓管插接的馬鞍形焊縫、圓管與D型管插接的圓形平面焊縫、橢圓管與D型管插接的橢圓形平面焊縫，如圖1所示。

圖1 三類(lèi)T型管示意圖

該設(shè)備采用工控系統(tǒng)，對(duì)前后雙焊槍焊接軌跡插補(bǔ)、焊接引弧、熄弧時(shí)間、焊槍焊接速率等進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)7軸伺服電動(dòng)機(jī)的時(shí)序獨(dú)立運(yùn)動(dòng)或聯(lián)動(dòng)控制。其焊接效率可達(dá)每柱（單根豎管即過(guò)水管與橫管即主水管插接簡(jiǎn)稱(chēng)為一柱）7～9 s，120～180柱/h；不漏率為90%～95%。

相較于人工焊接的30～60柱/h，提高了3～4倍焊接效率。且比焊接機(jī)器人成本低出數(shù)倍。圖2為設(shè)備實(shí)物及圖3為焊接效果圖。

圖2 T型管散熱器自動(dòng)焊接設(shè)備

圖3 設(shè)備焊接效果

2 T型管散熱器自動(dòng)焊接系統(tǒng)的故障診斷及維修技術(shù)

下文將對(duì)系統(tǒng)存在的主要故障進(jìn)行分析診斷，并提出相應(yīng)的優(yōu)化解決方案。

2.1 故障1：焊接起弧故障

故障現(xiàn)象：焊接時(shí)，焊槍在焊接起始點(diǎn)無(wú)法起弧，焊絲從豎管旁穿出。

圖4 焊接機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

故障原因：1）如圖2及圖3所示，散熱器的焊縫因過(guò)水管與主水管插接，因此焊槍是無(wú)法繞過(guò)過(guò)水管，對(duì)單條焊縫完成一次成型焊接的。其結(jié)構(gòu)將每柱的焊縫分割為上下、前后四條半圓形焊縫（或一半馬鞍形焊縫），若采用人工焊接，靈活自由度雖高，但效率低。而若用設(shè)備進(jìn)行焊接，由于過(guò)水管上脹接的鋁翼片下沿距焊縫最高點(diǎn)僅為25～35 mm。故因空間位置干涉，焊槍亦無(wú)法完全旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行焊接。所以設(shè)備的焊接原理如圖4所示。

焊接時(shí)焊槍基座電動(dòng)機(jī)左右旋轉(zhuǎn)各45°，前后焊槍偏擺角α，前后插補(bǔ)距離為X。也即通過(guò)90°轉(zhuǎn)角完成180°焊縫的焊接。但同樣因?yàn)楹笜尡仨毐茏尯讣匿X翼片，因此焊接時(shí)焊絲與焊縫之間的夾角小于30°，達(dá)不到最佳的焊接起弧角度30°～45°。因上述原因在焊槍到達(dá)前后焊接插補(bǔ)位置時(shí)焊絲與焊縫基本成切線方向，易從豎管旁穿出，如圖5所示。

圖5 焊槍插補(bǔ)位置簡(jiǎn)易示意圖

2）焊接采用的焊機(jī)為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)，故其引弧方式為接觸式引弧。即焊絲與焊接母材需接觸才可引弧，而焊接時(shí)焊口伸出焊絲與焊縫基本處于相切位置，未能切實(shí)接觸。

3）焊絲通路及氣路都較長(zhǎng)，所以焊絲在傳遞至焊口發(fā)生扭轉(zhuǎn)，且二氧化碳保護(hù)氣體未能與電極正常產(chǎn)生電離。

分析以上3點(diǎn)原因，可以看出焊接起弧故障均是因?yàn)檫_(dá)不到焊接起弧的電離要求。焊接時(shí)基座電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，焊槍的伺服電動(dòng)機(jī)還要控制其偏擺。為保證焊接效率，各軸電動(dòng)機(jī)在接收脈沖序列，旋轉(zhuǎn)到位后并未有足夠的停留時(shí)間。也因各電動(dòng)機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配時(shí)存在一定的間隙，導(dǎo)致焊槍到達(dá)前后焊槍插補(bǔ)位置時(shí)存在機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)。所以導(dǎo)致焊絲無(wú)法接觸起弧。

針對(duì)這幾點(diǎn)原因可提出解決方案：1）增加各電動(dòng)機(jī)連接部分的調(diào)整機(jī)構(gòu)，預(yù)先消除間隙，減少系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)；2）增長(zhǎng)焊接電極及焊接氣體噴嘴，保證電離引弧環(huán)境可靠；3）焊接程序延長(zhǎng)引弧時(shí)間，即使焊槍在前后焊槍插補(bǔ)位停留時(shí)間增長(zhǎng)，保證焊絲與焊件可靠接觸；4）采用雙導(dǎo)輪送絲機(jī)構(gòu)，減少送絲過(guò)程中，焊絲彎曲，盡量保證伸出焊口焊絲直線度。

改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)效果如圖6所示。經(jīng)改進(jìn)后，改進(jìn)結(jié)果為焊接起弧穩(wěn)定可靠。

圖6 改進(jìn)后焊槍機(jī)構(gòu)（雙導(dǎo)輪送絲機(jī)構(gòu)、加長(zhǎng)電極，氣嘴）

2.2 自動(dòng)設(shè)備步進(jìn)電動(dòng)機(jī)丟步故障

焊接過(guò)程中出現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)丟步現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫不連續(xù)，甚至不完整。焊縫的不連續(xù)，直接影響到散熱器的產(chǎn)品質(zhì)量。所以經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)造成電動(dòng)機(jī)丟步的原因主要有以下幾個(gè)方面：1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載超過(guò)額定負(fù)載，因考慮電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載僅為焊槍與焊絲，故不需采用大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，所選焊槍旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)為4 N·m轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)焊槍旋轉(zhuǎn)到某一極限角度時(shí)，焊槍焊絲傳送管的拉扯力（如圖2所示，因考慮焊槍旋轉(zhuǎn)空間位置，故傳送管路徑很長(zhǎng)）導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩，造成丟步，但該原因影響較小。2）高頻高壓引弧電路采用電網(wǎng)升壓，并經(jīng)耦合達(dá)到引弧的目的，起弧時(shí)，電壓可從380 V瞬時(shí)達(dá)到420 V以上，控制電路的工作電壓瞬時(shí)上升，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。另外，由于高頻引弧，可能形成輻射干擾，從而引起工控機(jī)脈沖輸出不穩(wěn)定。進(jìn)一步分析：逆變焊機(jī)本身就是嚴(yán)重的電磁干擾源，在工作中產(chǎn)生的電磁輻射和噪聲諧波對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)行以及電網(wǎng)產(chǎn)生較強(qiáng)的影響。3)控制電路中繼電器吸合不穩(wěn)定。由于運(yùn)動(dòng)控制卡PCL-839的特性是控制三軸電動(dòng)機(jī)，但實(shí)際機(jī)床需要對(duì)7個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。其中雖然有2對(duì)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行相同的脈沖序列，但要實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，就需要在不同電動(dòng)機(jī)進(jìn)行切換，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖信號(hào)及方向信號(hào)的通斷，這里就要利用繼電器輸入端作為控制端。但機(jī)械繼電器并不能對(duì)高頻的脈沖和方向信號(hào)進(jìn)行忠實(shí)可靠的傳送，從而丟失部分脈沖信號(hào)，造成丟步現(xiàn)象。

針對(duì)以上三點(diǎn)故障原因。提出維修方案：1)抑制或降低干擾，機(jī)床、控制柜及執(zhí)行元件間的連接選用航空電纜與航空插頭連接。航空電纜外包有屏蔽用金屬皮，并且在線芯內(nèi)也包括屏蔽線，能很好地起到抑制干擾的作用。2)航空插頭到各電子元件之間采用端子排連接，不僅方便拆裝，也方便排除問(wèn)題，找出故障原因。3)采用光電耦合電路替代機(jī)械式繼電器，用以滿足高頻脈沖信號(hào)的輸入輸出。最后測(cè)試脈沖，看是否存在丟步現(xiàn)象。圖7為原來(lái)的機(jī)械式繼電器光電隔離輸入輸出板；圖8為改進(jìn)后雙路光耦接口擴(kuò)展板；圖9為接口擴(kuò)展板與PCL839+運(yùn)動(dòng)控制卡聯(lián)接圖。

2.3 焊件焊穿

故障現(xiàn)象：焊接過(guò)程中出現(xiàn)連續(xù)焊穿焊件現(xiàn)象。

焊接質(zhì)量的好壞主要取決于三個(gè)要素：1)焊接軌跡的擬合；2)焊接電參數(shù)（主要指焊接電流及焊接電壓）；3)焊接運(yùn)動(dòng)參數(shù)（主要指運(yùn)絲速度，焊槍進(jìn)給速度，熔池連續(xù)程度，焊件熱影響區(qū)等）。該焊穿現(xiàn)象為連續(xù)焊穿，即一條焊縫焊穿，其后若干焊縫也都焊穿。根據(jù)這種現(xiàn)象，我們?cè)诤附与妷汉秃附与娏鲀?yōu)化的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，遵循先機(jī)械后電路的原則，檢查焊縫軌跡是否擬合。

焊接軌跡的擬合不準(zhǔn)確主要是由以下幾方面引起的：

圖7 機(jī)械式繼電器接口擴(kuò)展板

圖8 雙路光耦動(dòng)作切換電路PCB圖及接口擴(kuò)展板實(shí)物

圖9 PCL839+運(yùn)動(dòng)控制卡及接口擴(kuò)展板連接實(shí)物

圖10 橫管鉆孔定位誤差造成的孔心扭轉(zhuǎn)

1）標(biāo)準(zhǔn)的T型管焊縫軌跡應(yīng)是沿焊件（散熱器）中心平面對(duì)稱(chēng)的。但由于散熱器的裝配需要，主水管（橫管）上孔徑比過(guò)水管（豎管）直徑大1～3 mm，在裝配時(shí)需要對(duì)主水管與各過(guò)水管進(jìn)行電焊固定，致使主水管與過(guò)水管插接后，有一定的偏向性。且在主水管鉆孔時(shí)，工藝不夠嚴(yán)格，鉆孔機(jī)鉆頭在圓管上定心不準(zhǔn)，導(dǎo)致各孔之間的距離有一定誤差，整根主水管上第一至最后一個(gè)孔的孔心距累計(jì)誤差可以達(dá)到4～15 mm（管數(shù)越多誤差越大）。且由于不是使用組合鉆一次加工多個(gè)孔，單孔加工中，由二次定位誤差致使孔在橫管上的分布呈螺旋線式扭轉(zhuǎn)（或不規(guī)則扭轉(zhuǎn)）。如圖10～圖12所示，焊接軌跡第一柱為標(biāo)準(zhǔn)型焊縫，最后一柱焊縫左焊縫和右焊縫的最低點(diǎn)相差1.9 mm，而數(shù)控焊接設(shè)備如采用開(kāi)環(huán)控制，則根據(jù)算法，每柱之間的間距應(yīng)是相等的。所以實(shí)際的焊縫與數(shù)控焊接軌跡擬合不精確。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)焊縫（第一柱）左右兩條焊縫最低點(diǎn)(高度差為0)示意圖

圖12 扭轉(zhuǎn)后左右兩條焊縫（最后一柱）最低點(diǎn)高度差1.9 mm

2）在實(shí)際焊接時(shí)，連續(xù)多柱焊接，使主水管焊接溫度持續(xù)累積，焊接至最后一柱，由于焊接殘余熱應(yīng)力作用，整體焊件發(fā)生翹曲變形，因采用雙焊槍對(duì)稱(chēng)焊接，焊件由對(duì)角線翹曲變形，轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)翹曲變形。兩側(cè)有氣動(dòng)夾具夾緊，而中間無(wú)約束，所以整個(gè)橫管中間拱起變形，同樣使理論焊縫軌跡低于實(shí)際焊縫軌跡，無(wú)法擬合精確。

圖13 激光光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)

根據(jù)以上結(jié)果提出以下改進(jìn)方案：1)使用設(shè)備焊接前，應(yīng)先對(duì)焊件進(jìn)行校正。盡量提高理論與實(shí)際焊接軌跡的吻合程度。優(yōu)化焊接工藝，使單柱焊接熱源影響區(qū)（橢圓形熱源區(qū)）范圍縮小，降低焊接熱應(yīng)力，減小焊接熱變形。2)焊接時(shí)，利用激光光電開(kāi)關(guān)作為檢測(cè)輸入設(shè)備，對(duì)每根豎管、橫管進(jìn)行位置檢測(cè)。當(dāng)開(kāi)關(guān)遮擋及正常接收時(shí)，發(fā)出高低電頻的轉(zhuǎn)換信號(hào)，以此判斷理論的管間距與實(shí)際管間距的誤差值，和橫管抬升的變形量，并通過(guò)數(shù)控程序?qū)崟r(shí)進(jìn)行脈沖序列的補(bǔ)償，以達(dá)到焊接軌跡擬合準(zhǔn)確的目的。

圖14 未加入位置檢測(cè)改進(jìn)的焊穿效果

經(jīng)改進(jìn)后效果明顯，焊接效果如圖14、圖15所示。

圖15 故障檢測(cè)改進(jìn)后焊接效果

3 結(jié) 語(yǔ)

目前該自動(dòng)化焊接設(shè)備已經(jīng)在河北衡水，山東淄博、高密，新疆奎屯等多家散熱器生產(chǎn)廠商進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)檢驗(yàn)，生產(chǎn)實(shí)踐表明自動(dòng)焊接設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在焊接連續(xù)性、焊接質(zhì)量等方面都較研發(fā)初期有了很大程度的提高。現(xiàn)在的焊接效率已能達(dá)到單柱焊接時(shí)間9 s，每小時(shí)能完成120柱散熱器的焊接，而且能夠達(dá)到單面焊、雙面成型的良好焊接效果，焊縫的寬度基本不小于7 mm，焊縫表面光滑，無(wú)明顯氣孔、咬邊等缺陷。該自動(dòng)化焊接設(shè)備能夠極大程度提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)然為更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)，該設(shè)備還需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐檢驗(yàn)，也需要不斷地更新改良，以便能勝任更多種類(lèi)散熱器的焊接，成為效率高、焊接穩(wěn)定、通用性強(qiáng)的焊接設(shè)備。

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