一种换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计

换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计摘要无论是石化行业还是锅炉制造业以及人们的日常生活中，热交换器类产品管与管板接头的焊接和管与管板之间的焊接，特别是针对换热器中管与管之间的距离较小时对于管板焊接所使用的专用焊接设备的研究，国内外焊接设备公司都先后研制了特殊的管焊枪头，但目前成功应用的很少，尤其是带有加丝功能的自动管板焊机设备的研究还存在很多空白，有待于进一步研究。本课题研究的目的是，设计一套适合于在换热器中管与管之间距离较小时的条件下能够焊接换热管伸出管板约20mm左右的专用焊接设备，该设备能够实现管与管板的全位置自动焊接，并且具有自动填丝功能。设计了适合于管与管之间距离较小时条件下的管-管板焊接的枪头部分，使其能够焊接管伸出管板20mm左右时的情况；设计了与枪头配套的焊枪调整机构和旋转机构，以及送丝机的结构； 基于pro/E软件，对整个机构进行了建模以及装配；利用软件CAD对焊枪的几个主要部件的内部结构进行了绘制。并且通过相关实验验证了所设计结构的可行性。本文中所研制的管板焊机为换热器中管与管之间距离较小时的全位置焊接设备， 通过计算以及动力学仿真验证了所设计结构的可行性。使得石化行业及锅炉行业中在管与管距离较小时的条件下，焊接管与管板接头时能够使用自动焊接设备， 并为设备在该行业中的广泛应用提供了一定的有价值的参考。关键字：换热器，管板焊接，焊枪结构，控制系统IIAbstractWhether boiler manufacturing and petrochemical industries or not, as well as peoples daily life, products heat exchanger tube and tube sheet welding as well as pipe joints between the tube plate welding, the special research for the welding equipment by the tube sheet welding used, welding equipment companies at home and abroad have developed a special tube torch head, however,the number of successful applications is very few,especially the automatic tube sheet welding equipment with the function of wiring, there are many blanks,it is be further studied.The purpose of this research is that,designing a special welding equipment suitable for that it could weld heat exchanger with the tube plate about 20mm out under the conditions of a smaller distance between the tubes in a heat exchanger, the device can be achieved the management control of all-position auto-plate welding and the automatic functions of filling silk. Designing tube sheet welding tips under the conditions of a suitable distance between pipe and tube,enable it to weld pipe extending about 20mm tube plate; designing the body of adjusting and the body of rotating with suitable for the tip of the torch, as well as the structure of wire feeder; based on the pro / E software,make the entire body be assemblied and modeled;designing several major components of the torchs internal structure by using CAD software.And through experiments it verified the feasibility of the design structure. This article was developed for the all-position welding equipment under the conditions of a smaller distance between pipe and tube, by calculating and dynamic simulation to verify the feasibility of the design structure. Making petrochemical industry and boiler industry weld pipe and tube sheet joints by the use of automatic welding equipment under the conditions of a smaller distance between pipe and tube,and provide a certain reference value for a wide range of applications in this field of industry.Key words：heat exchanger, tube sheet welding, torch structure, control system目录IV摘要IAbstractII第一章绪论11.1 选题背景与研究意义11.1.1 选题背景.11.1.2 研究意义41.2 文献综述51.2.1 焊接技术及自动焊设备的发展史51.2.2 管板焊接设备的发展趋势71.2.3 钎焊的发展趋势及发展史81.3 本文研究的基本内容91.4 本章小结10第二章 管板焊接方案的选择112.1 焊机机构方案的选择112.2 管板焊接中所遇问题的分析122.3 本章小结12第三章 管板焊接中焊枪的机械结构设计133.1 引言133.2 自动焊管板焊机的设计133.2.1 芯轴机构的设计133.2.2 焊炬的设计143.2.3 焊枪升降装置的设计153.2.4 轴向定位调整机构183.2.5 焊机机身部分的结构设计203.3 钎焊工艺223.3.1 接头结构223.3.2 焊前准备.233.3.3 钎焊操作技术.233.4 本章小结.24第四章 控制系统的设计254.1 引言254.2 电机的选取254.3 控制系统的设计274.3.1 控制系统中硬件的设计274.3.2 控制系统中软件的设计284.4 本章小结31第五章 关键部件的校核325.1 直齿圆锥齿轮的计算数据及强度校核325.2 中心轴的强度校核355.3 本章小结39第六章 总结与展望406.1 结论406.2 技术经济分析406.2.1 发展课题项目的迫切需要406.2.2 市场前景分析416.2.3 社会效益分析416.3 对进一步研究的展望426.4 本章小结42参 考 文 献43致谢45附录46第一章绪论1.1 选题背景与研究意义1.1.1 选题背景焊接不仅是一种重要的基础工艺，而且目前已发展成为一种新兴的综合工业技术。它广泛应用于造船、汽车制造、压力容器制造、石油化工、管道、钢结构制造等领域。整个焊接工艺过程应包括母材预热处理、切割下料、成形、焊接和焊后探伤检测、焊后热处理等工艺环节。并且随着人民生活水平的不断提高,工业的不断发展,换热器已经慢慢进入到了人们的生活.所谓换热器即将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器，适用汽汽、汽液、液液， 对液传热。现代家庭中常用的是列管式换热器。列管式焊接器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积 1500m2，可根据用户需要定制。针对换热器的广泛应用以及用途，研究其结构和工艺就成了主要的内容。首先，其主要结构是由不锈钢板以及铜管组成，并且板的外测还有一些碳钢管帽，那么将其组合起来就需要焊接工艺了。对于铜管与不锈钢板间需要用管板焊接（常用氩气或二氧化碳气体作为保护气），这样就将铜管与不锈钢板连到了一起。对于碳钢帽与铜管通常用钎焊将其连到一起，这样可以使铜管与焊板连接的更加牢固。但是针对于现代换热器不仅要求其有更好的节能与环保，而且还要求有更好的换热功能。这样就需要在设计换热器时使其换热时有更大的换热面积，并且还要保证其原有占用空间不变。这就只能在原有基础上加入一些铜管。这样的话，在焊接技术上就提出了新的挑战。针对这样的问题，我们应当提出相应的措施来进行解决。我所提出的措施就是焊枪采取相应的改进。本课题采用的是下部采用斜焊枪型式，上部采用垂直焊枪型式，结合成弯焊枪型式。这样不仅可以满足焊接时焊矩与焊缝之间保持着一个较好的焊接角度，更重要的是焊枪在进行焊接时能够更少的占用空间。因此，我们提出了此项课题设计一种自动焊装置的机械结构与控制系统（主要是焊枪的改进使其能够使以上所面临的问题得以解决）。图 1-1 为管板焊接的具体产品结构图：44图 1-1：管板焊接的具体产品结构图在工业锅炉行业内，管与管板的焊接大多在用手工电弧焊，这一焊接方法容易损伤管头，咬边较多，容易在管头的焊缝热影响区重叠，甚至焊缝粘连，当用手工全位置焊接方法时，受焊工水准的影响，焊缝成型相当难看。换热器是化工生产中的重要设备，尤其是管壳式换热器，因其结构坚固、适应性强，清理维修方便，制造工艺成熟等优点，钢制管壳式换热器在电力、冶金、石油和化工等企业中应用很普遍,随着我国换热器制造技术的不断进步,各使用单位对其制造质量和使用寿命提出了更高的要求。空冷器在石化行业以及电站行业都有广泛应用，石化行业中的空冷器的管板焊接采取强度胀加密封焊的制造工艺。当空冷器发生泄漏时，大都发生在焊缝处。如武汉石油化工厂 2004 年 7 月11 月间发生常顶空冷器泄漏，经检查发现泄漏都在焊缝上，且都发生在最下一排管与管板焊缝处，由此可以说明其焊接质量存在缺陷，因为即使塔顶系统遭到一定程度的腐蚀，也不可能在如此短的时间内产生泄漏。空冷器泄漏部位都发生在空冷器入口端最下排管板管口的焊缝上，管板管束均为碳钢，管内设有防冲蚀钛管，一般认为，相同材质焊接，其焊接热影响区是最易被侵蚀的部位，焊接质量有问题，焊缝必然会最先遭受腐蚀，焊接部位存在缝隙，酸性冷凝液就会产生缝隙腐蚀。哈尔滨空调机厂有“中国空冷器的摇篮”之称，通过到哈空调调研发现，该厂对空冷器管与管板的焊接使用的是焊条电弧焊的方法，该方法不仅焊缝成形不美观,接头的质量也很难保证。化工生产过程一般都有压力，介质有腐蚀性，还有冲刷等。空冷器的使用环境恶劣，易造成空冷器中管与管板的连接接头被侵蚀， 如果在制造中不能有效地控制质量，在使用中极易造成泄漏，影响化工产品的产品质量，造成环境污染，引发安全事故等1。为了解决这些焊接难题，采用全位置自动管板焊接是切实而又可行的措施。国内外管板设备公司都先后研制了特殊的管焊枪头，但目前成功应用的很少，尤其是带有加丝功能的自动深孔焊接设备更是难得一见。因此对深孔管-管板焊接设备的研究是一项有重要意义的工作。图 1-2 为常见的管板焊机：图 1-2：管板焊机除此之外，对于换热器而言,在满足顾客要求的情况下,压降越低越好。这样能减少能耗,降低运行成本。对于油-气系统, 其压降一般为 0.1MPa，气-气系统, 其压降 0.01MPa。工程机械中的换热器,其介质为油-气,用多孔的翅片形式比较好,因为如果用锯齿型翅片,翅形复杂加上油的黏度大,相应的阻力也大,在进行 水压试验时,容易出现换热器涨破的现象,质量得不到保证。封头一般采用氩狐焊, 可以是手工的,也可以是半自动的;其芯子部分采用真空钎焊,改变了传统的由盐浴的老工艺。克服了容易局部脱焊,污染严重的缺点,真空钎焊能精确控制温度, 加热均匀,变形小的特点,因而其质量、效率得到大大提高,成为目前国内厂家的首选。针对本课题的设计对象，在设计过程中采用钎焊，这是因为钎焊具有很多优点,例如:加热温度低、对母材影响小、接头残余应力小;可以根据连接温度、强度选择多种填充金属;适合焊接难熔化的金属,特别是异种金属;密封性好;对 于精密的、微型或结构复杂的焊件尤其适用。由于钛的高温活性强,钎焊一般在真空或氩气保护下进行。炉中钎焊焊接参数容易控制,接头强度较为稳定,可以用来焊接重要的结构件。1.1.2 研究意义管板焊接是一种现代化了的传统加工技术,在 21 世纪的知识经济时代里是否仍是一种重要的生产手段,这必须从国内外的情况来进一步分析。我国是一个发展中国家,还没有完成工业化建设,还需要大力发展制造业,振兴装备制造业。并且钢的产量还在高速增长,预计 2004 年就会接近 2.6 亿吨，按这个速度发展,不久就会达到 3 亿吨。因此,我国在完成全面建设小康社会之前,钢铁仍将是主要结构材料,管板焊接技术也必然要跟随钢铁的发展而同步提高。同时,高新技术的快速发展,装备的轻量化、节能化、高性能化使铝、铁等轻金属、复合材料、陶瓷、塑料和新型材料也将扩大应用范围,这些材料都需要用新的焊接或连接技术制成给定功能的结构。无论是钢或其他材料的发展都对我国焊接技术的提高,从工艺、耗材、装备、自动化和质量、效率、成本、寿命以及维修、再制造、再循环等各个方面都提出更新、更高、更多的要求。当前就必须为管板焊接技术更高水平发展高潮的到来,事先做好各方面的准备。管板焊接自动化技术的展望，电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展，推动了管板焊接自动化技术的发展，这是不言而喻的。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了管板焊接自动化技术革命性的发展2,16 。管板焊接过程控制系统的智能化是管板焊接自动化的核心问题之一，也是我们未来开展研究的重要方向，我们应开展最佳控制方法方面的研究，包括线性和各种非线性控制3。总之，使管板焊接技术由“技艺”向“科学”演变，是实现管板焊接自动化的一个重要方面。随着市场竞争的日益加剧，适者生存，优胜劣汰将成为换热器行业结构调整的必然趋势。有些换热器企业在竞争中发展壮大，甚至发展成大集团；有些企业将面临破产，或被兼并、收购，而退出换热器行业。但无论是从目前换热器产量构成比的发展趋势，还是从换热器的技术发展方向上看，我国换热器今后将向高效、节能、机电一体化和成套性方面发展。然而目前，通过换热器行业的自行开发、设计、引进技术和合资生产，使我国的自动、半自动焊机的技术水平有了很大的提高，同时也推动了我国机电一体化管板焊接设备的发展。但是目前我国的管板焊接自动化率还不足 30%，同发达工业国家的近 80%差距尚远。从上个世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊的最基础管板焊接方式-气体保护 焊，来取代传统的手工电弧焊，现已初见成效。可以预计在未来的 10 年，国内自动化管板焊接技术及其设备将以前所未有的速度得到发展。此外，机器人焊接、切割及搬运系统也已经在汽车、摩托车、工业电器、化工机械以及民用产品制造等众多领域得到应用4,17。今后，换热器成套焊接设备的开发重点有：焊接机械化、自动化的关键技术和部件的研究开发 研究高性能的焊接电源，标准化积木化的换热器部件，焊接参数检测及控制技术，焊接过程自适应控制技术，生产线标准传输单元，装焊夹具的标准构件等等，都是当前应立即着手开展研究的课题。从以上管板焊接技术在各个领域中的发展状况来看，继续进行管板焊接研究以及设计相关设备的机械结构与控制系统是非常有意义的。此外，换热器在实际的生产中，钎焊工艺也是非常重要的。随着科技的进步， 新的形势对特种机械装置的微小化也提出了迫切要求。微小型过程机械系统的基础是过程强化技术，其关键包含两方面的问题：一是高性能表面的制造技术，通过高性能化的表面实现微小空间高效的化学反应和热量传递；二是系统的封装结构设计与制造。微小型过程机械尤其是微小型板翅或管板翅片类型的紧凑型换热器的封装主要使用以多层多通道为结构特征的板槽道或板翅结构通过钎焊或扩 散焊完成连接封装槽壁与翅片形成二次传热表面，增加传热面积，从而强化传热过程。良好的钎焊工艺对保证封装质量至关重要。但要系统、全面的了解焊接过程、钎焊工艺以获得较高的封装质量，优化封装过程，仅通过实验手段是不经济且低效的，而且微小化已涉及到尺寸效应问题。完整的多通道换热器由芯体（多通道结构）与外结构组成，芯体由钎焊或扩散焊完成封装，之后通过与外结构焊接完成整体结构封装。由于多通道芯体是换热器的核心部位，它决定换热器的性能和可靠性。通常的，芯体结构在钎焊热循环中的内外温度差异难以获得理想的钎焊质量，因此必须严格控制温度不均匀性以保证钎焊质量，并且制定出合适的钎焊工艺对于换热器的生产与性能也是有着重大意义的。1.2 文献综述1.2.1 焊接技术及自动焊设备的发展史古代焊接技术焊接的历史源远流长。中国商朝制造的铁刃铜钺,就是铁与铜的铸焊件,其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折,接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙,是分段钎焊连接而成的。经分析,与现代软钎料成分相近。战国时期制造的刀剑,刀刃为钢,刀背为熟铁,一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著天工开物一书记载:中国古代将铜和铁一起入炉加热熔炼, 经锻打制造刀、斧;用黄泥或筛细的陈旧壁土撒在接口上,分段锻焊大型船锚。西方早在青铜器时代就出现了焊接技术:人们把搭接接头通过加压的方式熔接在一起,制成圆形的小金盒子。到了铁器时代,埃及人和地中海东部地区的居民已经掌握了将铁片焊接在一起的技术。中世纪的西方出现了锻造技术,许多铁制品是通过锻焊的方法制造的。但现在我们知道,直到 19 世纪才出现了真正的焊接技术。1800 年,Humphry Davy爵士使用电池在两个碳极之间生成了电弧。1836 年,英国人Edmund Davy发现了乙炔。在 19 世纪中叶,电动机的发明使电弧得到了广泛砬用。19 世纪末出现了气焊和切割,碳弧焊和金属极电弧焊得到了发展。1881 年, 法国卡伯特实验室的Auguste De Meritens利用电弧产生的热量成功地焊接了蓄电池铅板。他的学生俄国人Nikolai N Benardos和另一个俄国人Stanislaus Olszewski在 1885 年获得了一项英国专利权,在 1887 年获得了一项美国专利权。这些专利涉及的是一种早期的电极夹,他们的研究标志着碳弧焊的开端。19 世纪末 20 世纪初,碳弧焊开始得到广泛应用。金属极电弧焊 1890 年,美国底特律的C LCoffin利用金属电极(光焊条或光焊丝)进行电弧焊并获得了关于该工艺的首个美国专利权19。而且我国焊接装备制造业起步较晚，特别是管板焊接技术。五六十年代我国重点企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进，部分由使用厂自行设计制造。到了 70 年代，我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂，如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂，“六五”期间，原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力，制造专用摩擦焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入 80 年代，随着国内焊接装备需求量的增长，各地相继建立了多家中小型成套焊接装备生产厂（公司）。迄今为止，我国已有 10 多家焊接装备生产企业，某些企业已具有相当大的规模，已实现焊接装备的批量生产。例如无锡阳通机械设备有限公司，2001 年的销售总额达 1.2 亿元，创历史最高记录，列同行业前茅，2002 年预计总产量可达 1.8 亿元。在发展初期，我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机、回转平台、换热器等，成套性较差，自动化程度低。焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制，用户必须自行改造。进入 80 年代以后，由于国外先进成套焊接设备的大量引进，促使国产的焊接装备无论在成套性和自动化程度，还是设备精度和制造质量方面都有不同程度的提高。目前已能生产6mx6m以上大型立柱横梁埋弧焊或窄间隙埋弧焊操作机，400t重型滚轮架及重型、轻型自动防窜滚轮架(防窜精度为+1.5mm)$,100t大型变位机和大、中型翻转机等。批量生产H型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需要定制的专用成套焊接设备，并大量采用交流电机变频调速技术、PLC控制技术、伺服驱动及数控系统，焊接装备的自动化程度有了很大的提高，某些操作机还配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。但从整体水平来说，与先进国家的同行业相比，尚有较大的差距。图 1-3 为熔池接管管板焊接和管板自动焊机:图 1-3：熔池接管管板焊接和管板自动焊机1.2.2 管板焊接设备的发展趋势近年来，我国管板焊接装备制造行业的技术水平有了长足的进步。管板焊接装备的成套性、自动化程度、制造精度和质量明显提高，应用范围正逐步扩大， 尤其是国家制定了拉动内需的政策，进一步促进了管板焊接装备制造行业的发展。尽管我国成套管板焊接装备的年总产量不足 5 亿元，但对我国管板焊接结构制造行业的发展却起着举足轻重的作用。可以预计，今后几年内，随着世界制造业中心逐渐向中国转移，我国传统制造业必须加快技术改造，大量采用高度自动化的加工设备，促使我国管板焊接装备制造业产生根本性的变革。进入新世纪以来，我国管板焊接结构制造业一个引人注目的动向是向多参数、高精度、重型化和大型化发展。其中包括 1000MW 以上火力、水力和核能发电设备中所用到的换热装置，年产 60 万吨以上化工炼油设备，10 万吨以上远洋货轮，大型建筑结构， 大跨度桥梁，跨省跨国输油输气管线，海洋建筑，冶金设备，重型机构，航空航天工程，大型客车和高速铁路车辆等。为实现上述发展目标，对管板焊接装备提出了愈来愈高的要求，迫切需要各种高性能、高精度、高度自动化的焊接装备。近 10 年来，纵观世界，在世界工业发达国家，当代管板焊接装备的发展速度十分惊人，在英、美、德、法、意和日本等国均有相当规模、开发能力很强的管板焊接装备生产企业。近期生产的自动化管板焊接装备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是，大多数管板焊接装备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用管板焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。早在 80 年代，国外的焊接装备已向大型化和精密化发展。目前国外生产的重型管板焊接滚轮架最大的承载能力达 1600 吨，自动防窜滚轮架的最大承载能力达 800 吨，采用PLC和高精度位移传感器控制，防窜精度为 0.5mm。变位机的最大的承载能力达 400 吨，转矩可达 450000N.M。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达 160 吨。焊接回转平台的最大承载能力达 500 吨。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达 12M。龙门架操作机的最大规格为 8mx8m58。1.2.3 钎焊的发展趋势及发展史钎焊是现代焊接技术的三大组成部分人之一。钎焊与其他二类焊接技术（熔焊和压焊）之间，虽有共同之处，但却存在本质的差别。材料钎焊连接时， 一般是以搭配形式装配，彼此之间保持着很小的间隙，采用熔点比母材熔点低的填充材料（钎料），在低于母材熔点、高于钎料的熔点下，借钎料融化填满母材间的间隙，然后冷凝形成牢固的接头。因此，钎焊与熔焊或压焊相比，主要有下列不同：钎焊是只有钎料融化而母材保持固态；钎料的熔点低于母料的熔点，因而其成分也与母材有很大差别；融化的钎料依靠润湿和毛细作用吸入并保持在母材间隙内；依靠液态钎料与固态母材间的相互扩散形成冶金结合。由此可以了解， 钎焊乃是借助于液态钎料借助母材之间的间隙并相互扩散形成结合的一类连接材料的方法。在连接材料的方法中，钎焊是人类最早使用的方法之一。在人类历史上，当人类尚未开始使用铁器时，就已经发明用钎焊来连接金属。在埃及出土的古文物中，就有用银铜钎料钎焊的管子，用金钎料连接的护符盒，据考证分别是 5000年和近 4000 年前的物品。公元 79 年被火山爆发埋没的庞贝城的废墟中，残存着由钎焊连接的家用铅制水管的遗迹，使用的钎料具有Sn:Pb=1:2 的成分，类似现代使用的钎料成分。我国在公元前 5 世纪的战国初期也已经使用锡铅合金作钎料。1637 年出版的明代科技巨著天工开物中已有“中华小焊用白铜末”的记载，说明当时已掌握用铜合金做钎料来钎焊金属的技术20。但是，在很长的历史时期中，钎焊技术没有得到大的发展。进入 20 世纪后， 他的发展也远远落后于熔焊技术。30 年代以来，在冶金和化工技术发展的基础上，钎焊技术才有了较快的发展，从作坊匠人的技艺成长为工业生产技术。尤其是二次世界大战后，由于航空、航天、核能、电子等新技术的快速发展，新材料新结构形式的采用，对连接技术提出了更高要求，钎焊技术因此受到了更大的重视，开始以前所未有的速度发展起来，出现了许多新的钎焊技术，钎料产品日益增多，因此，钎焊的应用范围日益增大。例如，钎焊已广泛用于制造机械加工用的各种刀具，特别是硬质合金刀具；钻探、采掘用的钻具；电机部件以及汽轮机的叶片和拉筋的连接等。在轻工业生产中，从医疗器械、乐器到家用电器、饮具、自行车，都大量采用了钎焊技术。一台彩色电视机上就有几百个钎焊点。自行车架，就是一个全钎焊结构。对于电子工业和仪表制造业，在很大范围内钎焊是唯一可行的连接方法，如在元器件生产中大量涉及到金属与瓷器、玻璃等非金属的连接问题；而在布线连接中必须防止加热对元器件的伤害，这些都有赖于钎焊技术。至于在航空、航天和核能工业等尖端部门，钎焊技术发挥了更大的作用。例如，航空燃气涡轮发动机的大量重要部件，诸如涡轮导向器、压气机静子、导向叶片、扩散器、蜂窝夹层密封圈等都是用钎焊技术连接起来的。飞行马赫数大于2.5 的飞机，由于蒙皮要承受与空气摩擦引起的高温，越来越多的采用不锈钢、钛合金或超级合金的钎焊蜂窝壁板。据统计，在某型火箭上钎缝总长超过 3000 米。在核电站和船舶核动力装置中，燃料元件定位架、换热器、中子探测器等重要部件也常采用钎焊结构。钎焊技术之所以在各工业部门得到越来越多的应用，是由于他与熔焊和压焊相比具有一些独特的优点，即：钎焊加热温度一般远低于母材的熔点，因而对母材的物理化学性能通常没有不利的影响；钎焊温度低、可对焊件整体加热，引起的应力和变形小，容易保护焊件的尺寸精度；有对焊件整体加热的可能性，使钎焊可以用于结构复杂、开场性差的焊件，并可一次完成多缝多零件的连接；容易实现异种金属、金属与非金属之间的连接；对热源要求较低，工艺过程较简单。因此有不少其他焊接方法难以甚至无法进行连接的结构，采用钎焊却可以解决。而且，在不少情况下，钎焊能保证焊件具有更高的可靠性。但是，这绝不意味着钎焊可以取代熔焊和压焊技术。与他们相比，钎焊也有不及之处。例如，钎焊结构的强度一般比较低、耐热能力较差；较多采用搭接接头形式，增加了母材消耗和结构质量。因此，必须根据产品的材料、工作条件和结构特点，选用合理的连接方法。钎焊较适宜于连接精密、微型、复杂、多钎缝、异类材料的焊件。钎焊技术在今几十年内虽然取得了巨大的发展，但与别的技术相比仍是一门年轻的不成熟的技术，还没有建立起自己的系统的理论基础，许多问题的本质有待于今后研究揭示9,18 。1.3 本文研究的基本内容本文在给定换热器内部结构图的情况下，主要分析研究管板焊接系统的整体性能，在理论上和应用上尽量解决焊枪结构使其能够满足换热器中管与管之间距离较小时也能顺利进行管与板之间的焊接。全文主要介绍了管板焊接特点及国内外发展过程、应用现状，对管板焊接理论研究以及应用情况的文献进行综述，论述了本课题的选题意义。并介绍了关于管板焊接有关概念，包括芯轴结构的描述以及尺寸的设计，使得焊枪在焊接时， 能够使焊枪很好的定位。其中分析的重点在于焊枪中的升降机构，求解出了升降机构中各连杆的长度，以及升降机构的具体结构，使得焊枪在焊接时能够灵活的调整角度。并且，此课题对机身也有一个较为详细的设计。此外，对于控制系统的设计主要是通过相关的软、硬件来实现焊枪的旋转以及升降运动。并且对于焊枪的主要机构部件进行强度校核。1.4 本章小结本章主要是对管板焊接技术有一个较为详细的介绍，主要是从管板焊接的研究意义，研究背景以及管板焊接的发展历史、发展趋势等等，能够让大家通过绪论可以对管板焊接有个大致的了解。第二章 管板焊接方案的选择2.1 焊机机构方案的选择该换热器管板焊机是由芯轴、焊炬、定位调整机构、机身、送丝机构、焊枪升降操纵机构等组成。该管板焊机是以焊接换热管与管板接头为目标所设计的。据调查得知,换热管与管板的连接形式主要有三种即：管端缩进管板，管端与管板平齐和管端伸出管板。本课题所研究的主要是换热管伸出管板 20mm 左右的情况。那么设计过程中要克服以下一些困难:由于管与管之间距离小，要设计特殊的焊矩；管伸出较长，要能保证焊枪能够升起一定高度；此外还要考虑到送丝机构设计。针对以上困难以及管板焊机固有的特点，我们提出了以下设计方案：（1） 设计一特殊的焊炬，焊炬连接在枪体上。由于垂直的焊矩其优点是机头旋转占用空间小，这样就解决了管与管之间距离小的问题，但是定位装置在以管口定位后，不易保持准确位置；若使焊矩保持一倾斜角度，这样不妨碍焊接， 而且定位准确，但机头旋转占用空间较大，显得笨重。综合上述两个方法的特点， 下部采用斜焊矩型式，上部采用垂直焊矩型式，结合成弯焊矩型式。此后，并在枪体上装一送丝嘴，使得焊丝恰好能够送到钨极下方；（2） 为了实现在换热器箱体上进行全位置自动管板焊接，需要焊炬在焊接时升起一定高度，并且为了更好的实现弯焊矩型式，就需要有角度的调整。为实现这两个动作，在焊枪杆上应设计有一种小巧而灵活的焊枪头升降装置，在焊枪对管板进行焊接时，使焊枪枪头对准管与板之间的焊缝，进行焊接时通过操纵机构，将焊枪抬起，能保证每次抬起高度一致，并且根据焊接的需要，还可以通过连杆机构调整角度。该部分的主要设计原理是一平行四连杆机构加一曲柄滑块机构；（3） 焊枪焊接时，需要设计一定位调节装置，从而对焊枪进行轴向定位， 调节焊炬与所焊工件的位置，以满足管箱尺寸的变化及较大的装配加工公差，确保每次焊接电弧长度一致，本部分的主要原理是一齿轮带动固定在枪杆上的齿条作轴向的微调；（4） 由于是全位置自动管板焊接，需要带动枪杆旋转，该部分的主要设计原理是一力矩电动机通过谐波齿轮减速器带动一组圆锥齿轮转动，从而使焊枪围绕定位芯轴旋转；（5） 送丝部分的设计主要是参考实验室用的推丝式送丝机，它的主要原理是由直流电动机带动送丝轮将焊丝送出，途经外送丝管，由内送丝管机内藏于焊枪枪体内的送丝管和送丝嘴送到钨极前方，同时所设计的送丝部分要与与前段焊枪在机身中同步旋转，这样才不会出现焊丝的拧紧问题。如图 2-1 所示，该图为所设计的焊机立体图： 1 2 3 4 51 芯轴2 升降机构3 定位调整机构4 管板焊机机身5 送丝机构图 2-1管板焊机立体图2.2 管板焊接中所遇问题的分析（1） 本课题所研究的主要是换热管伸出管板 20mm 的情况，那么相对于普通管板焊机而言，对其是无法进行焊接的，然而，改进后的管板焊机需要设计一个特殊的焊矩。（2） 由于管与管之间距离较小，那么在焊接过程中，焊枪运动空间就受到了限制，则改进后的焊枪机构就需要在空间小的时候也能够调整一个焊接角度。（3）在进行管筒与碳钢套筒的焊接时，常使用钎焊，要注意针对材料选用合适的焊头，特别是异种材料（铜管与碳钢套）之间的连接，不同材料的熔点及性能。2.3 本章小结本章所讲述的主要内容是根据管板焊接中所遇到的主要问题进行相应的分析，并且根据分析的结果，对焊枪机构进行合理的设计，以及提出了相应的方案设计，使其能够克服那些困难，并且能够顺利的进行焊接，为后边的具体设计奠定了基础。并且更好的完善了本课题的理论研究。第三章 管板焊接中焊枪的机械结构设计3.1 引言任何一种产品无论是改进还是创造，都是依据一种特定的方案进行改进或制作，本课题“换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计”就是针对一些实际生活以及工业生产中所面临的一些问题，对焊枪进行设计与改进，使其能够更好的克服所面临的困难。在此设计过程中，要根据厂家的具体要求，生产的产品要实用，经济，而且节能。 之后，对改进后焊枪的各个组成部分进行详细分析， 并加以论述。3.2 自动焊管板焊机的设计3.2.1 芯轴机构的设计芯轴的主要作用是进行径向定位，以保证焊枪的运动轨迹与焊缝重合。对于芯轴的设计，我们首先是通过了网上的一些相关信息以及所查阅的资料了解到焊枪的定位主要是通过芯轴深入到管中，从而达到了定位的效果。经老师所给的资料表明换热器中所使用的换热管多锈，而且内部为椭圆形，针对这一实际情况， 我们设计的芯轴既要有弹性，又要有刚性。图 3-1 为芯轴的立体图：图 3-1设计的芯轴立体图根据上图所示，芯轴通过套管来对轴承进行定位，而顶盖与定位轴拧紧，从而固定套管，通过定位套管凸起的部分起到定位作用。换热器当中管与管板焊接时，管子的规格一般为252.5mm，253mm， 253.5mm，而本课题所设计的焊枪是根据老师所提供的相关资料管子规格为243mm 而设计的。并且，本课题所设计的芯轴主要是针对243mm 而设计的，其定位主要靠突起的两点来支撑，其中，定位套管外面开了四个沟槽，其主要作用是使定位套管有一定的变形能力，以适应内管的形状。图 3-2 为芯轴的剖面图：1 轴承盖 2 向心轴承 3 定位轴 4 定位套管图 3-2芯轴的剖面图正如剖面图所示，定位轴上加一突起的小方块，伸进套管后,稍作旋转,使得定位轴与套管在轴向定位。这样设计可以使得当因熔滴溢入管内，造成套管与工件粘连，以致芯轴拔不出管子时，只要旋转定位轴，当定位轴旋转到一定角度时， 定位轴就可以从套管中拔出，使得芯轴与焊枪脱离，而留在管子中的套管，可修磨后拔出。3.2.2 焊炬的设计特殊的焊炬一方面要求做得精细小巧，这主要是因为焊接管与管板时，是在一个很狭小的空间进行的，管与管之间的距离只有 34mm 左右，所以普通的焊炬在结构上不能满足要求，需要根据实际情况重新设计；另一方面，要有很强的绝缘性能，这是由于焊炬是连接在后面的枪体上，该焊炬连接到枪体上后，需要与焊枪中心线倾斜固定的角度，所设计的角度为 45 度。1 送丝嘴2 焊矩图 3-3焊矩立体图正如上图所示，在焊接管与管板接头时，使用的钨极氩弧焊需要自动填丝， 本课题设计了专门的送丝装置，而在前端焊炬部分，需要焊丝能够准确送到钨极的前方，为此必须设计专门的送丝嘴，该送丝嘴与枪体连接，并且通过送丝管与后面的送丝系统连接。3.2.3 焊枪升降装置的设计本课题所设计的焊枪机构其应用背景是换热器中的管板焊接工艺，换热管伸出管板 20mm 左右时的情况，若要保证焊炬与焊枪中心线的倾斜角度，并且能够使焊矩顺利对准焊缝，则需要有一个升降机构对其进行调节，并且能够通过升降机构的调节，从而可以调节焊矩的高度。如图 3-4 所示为焊枪升降机构的设计图：1 焊炬2 枪体3 圆柱销4 枪杆5 滑块图 3-4 焊枪升降机构设计图如上图所示，四连杆机构主要是通过两个圆柱销与枪体连接在了一起。并且在枪体内有一个滑块机构，可以在枪体内沿着枪体轴线的方向左右平移，四连杆机构中的连杆通过一个销钉与滑块连接在了一起。这样以滑块为原动件，通过滑块的左右平移，可以调节焊炬上下移动，从而能够更好的保证焊炬能够沿着焊枪焊接。图 3-5 是焊枪升降机构中四连杆机构的立体图：图 3-5 四连杆机构立体图如上图所示，焊炬与枪体连接在了一起，并且连杆与枪体通过圆柱销连接在了一起。以上介绍了一下升降机构的具体设计，接下来介绍一下升降机构机构的原理。此机构的主要原理就是一个平行四连杆机构加一个曲柄滑块机构组成， 原理图如图 3-6 所示：1 曲柄 2 连杆 3 滑块图 3-6 曲柄滑块原理图正如上图所示，曲柄 1 的长度为 20mm，连杆 2 的长度为 45mm，此曲柄滑块机构为对心机构，没有偏距。滑块为主动件，由滑块带动整个连杆机构，从而能够使得焊炬上下移动，使其能够对准焊缝位置能够顺利焊接。11.2(3-1)式中：K急回系数； 极位夹角适当增大曲柄长度，可以使极位夹角 增大，急回作用增强。而整个机构保证有曲柄的条件是：当 RL 和 H2R。其中 R 为曲柄长度，L 为连杆长度， H 为滑块行程。如前所述，曲柄长度 R=18mm，连杆长度 L=55mm，滑块行程H=30mm，所以能够保证有曲柄的两个条件。曲柄滑块的自由度为：F=33-24=1再如下图 3-7 所示为某厂家所提供的换热器管板结构图：图 3-7 换热器管板结构图正如上图所示，管与管之间的横向圆心距离 34.5mm，纵向圆心距离为 24mm， 经过计算管与管之间的圆心距离为 45mm，并且管的直径为 24mm,这样管与管之间最短距离为 18.5mm。这样使得枪体在此小空间内能够顺利的进行焊接，就必须使焊炬与枪体成 45 度连接，这样可以使枪体管的轴线方向伸入，而且焊接时还有一倾斜角度，这样比起直杆枪体倾斜伸入时就大大减小了所占用的空间。此外， 为了使得枪体在旋转焊接管与板时所占用的空间更小，可使杆长度 18mm，厚度为 5mm，这样焊接时，就可以避免其他管对其焊接的影响。并且通过升降机构焊枪可以缩进枪杆中，这样在焊接下一个管时自动移动起来不仅可以减小空间，而且移动起来更加灵活。此升降机构主要是与枪杆通过定位销连接在了一起，通过枪杆的旋转而带动焊炬旋转，从而可以沿焊缝进行焊接。图 3-8 为枪杆的立体图：图 3-8 枪杆的立体图如上图所示，枪杆直径为24，其壁厚为 1，由于在进行焊接时枪体所受压力较大，焊接时稳定性会较差，为了克服这一缺点，经过讨论将升降机构通过圆柱销直接与枪体相连，这样焊接起来就能保证枪杆与焊炬运动一致，而且增强了其稳定性。枪杆上有四个销孔用来与枪体连接在一起，并且枪杆内部设计成圆柱形空腔就为滑块提供了一个滑移轨道，可以使得滑块沿着轨道滑行，从而能够调节升降机构。3.2.4 轴向定位调整机构换热器管板全位置焊机在对换热管与管板接头进行焊接时，需要对枪的轴向进行精确定位，以确保焊炬进行焊接时，其运动轨迹与焊缝重合，此需要设计轴向定位调整机构。轴向定位调整机构如图 3-9 所示。定位盘与工件的丝堵孔相连，可以起到轴向定位作用，由于是进行全位置氩弧焊，焊枪要转动，所以需要选用轴承，经查手册，选用向心球轴承，由于轴承收到的力合力矩非常小，可以忽略，所以只需根据定位滑套外径的大小选取轴承即可，不需对此进行校核。我们在锁紧套上开了一个槽，用来安装弹性挡圈，从而可以对相心球轴承进行轴向定位。1 定位盘 2 弹性挡圈 3 向心球轴承 4 轴承盖 5 锁紧套 6 定位滑套 7 枪杆图 3-9 轴向定位调整机构剖视图轴向微调机构其主要原理是，通过控制系统将带动齿轮轴转动，齿轮轴与枪杆的连接为一方形孔，用螺钉固定，而齿条固定在锁紧套中，锁紧套通过螺钉卡紧，使锁紧套与枪杆紧固在一起，当齿轮带动齿条在轴向移动时，同时也就带动了枪杆在轴向运动，在锁紧套上刻上尺度，就可以通过控制系统，再依据所刻上的尺度进行微调。表 3-1 为齿轮的设计计算数据。表 3-1 齿轮计算数据名称代号计算数据计算公式模数m0.8mm压力角分度圆直径d16mm齿数z20z=d/m齿顶高ha0.8mmha=m齿根高hf1mmhf=1.25m全齿高h1.8mmh=ha+hf顶隙c0.2mmc=0.25m齿顶圆直径da17.6mmda=m(z+2)齿根圆直径df14mmdf=m(z-2.5)基圆直径db15.04mmdb=dcosa齿距p2.51mmP=*m齿厚s1.25mm齿槽宽e1.25mm基圆齿距pb2.36mmpb=pcosa齿轮为渐开线齿轮，而齿条要保证与齿轮配合，其齿条参数必须与齿轮一致。齿轮的分度圆直径根据结构选取，所以要根据结构要求选取模数和齿数。用范成法加工齿轮时，如果齿轮的齿数太少，则会出现齿根的渐开线尺廓切去一部分的现象，这种现象称为轮齿的根切。产生严重的根切的齿轮，将降低轮齿的抗弯强度，影响齿轮的承载能力，使轮齿的啮合过程缩短，重合度下降，影响传动的平稳性。因此，设计齿轮时亦力求避免根切现象的产生。经过所查阅的相关资料得知：（3-2）式中 Zmin最小齿数ha齿顶高； 压力角也就是说，标准直齿轮不发生根切的最小齿数是 17，为此，经查表选用了适当的模数，以避免根切的发生。3.2.5 焊机机身部分的结构设计管板焊机的机身部分主要是一个旋转系统，以及解决高频绝缘问题。其旋转系统的主要原理是，一力矩电动机带动一组圆锥齿轮转动，从而使焊炬围绕定位芯轴旋转，另外还有一圆锥齿轮与码盘计数器相连，从而对旋转行程进行计数。一切做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能传递运动和动力，所以此旋转系统的关键部位就是轴的设计，由于该轴的形状较复杂，而且需要其导电性能良好，故此我们选取的材料为球墨铸铁。对于机器中的一般转轴，主要以满足强度和结构要求。在进行轴的结构设计时应考虑以下几点因素：(1) 轴的结构形状以满足使用要求，零件在轴上的定位要可靠，保证轴和轴上零件有准确的相对工作位置。(2) 轴的结构应有利于提高轴的强度和刚度，力求受力情况合理，避免或减少应力集中。(3) 轴的加工及装配的工艺性要好。综合考虑以上几点，拟定轴上零件的布置方案，布置方案的装配方法是密封圈、导气座、平键、导电套、导电座、绝缘套、轴承、轴承盖、挡盖。由于机身比较长，我们把机身分为前后两个部分分别论述。如图 3-10 机身全剖图所示，挡盖要与前面设计的枪杆焊接在一起，而连接座主要是用来连接软管和中心轴的，送气、送丝的软管从中心轴出来要与一大的软管相连，全部放在大的软管当中，而平键的主要作用是传递转矩，通过力矩电机使减速器的转动，带动一组圆锥齿轮转动，从而最终带动挡盖随中心轴转动，由于中心轴是带电的，而要保证机身外部的绝缘，就必需在中心轴的外部用绝缘套来与外部绝缘，在中心轴内有送气结构，所以必须要考虑密封问题，我们用 O 形橡胶密封圈来解决此问题。机身的后端要与送丝系统相连接，并且要保证中心轴的转动与送丝系统的转动同步，因此需要中心轴与送丝系统相连接。并且，对于机身的后半部分来讲，其设计完全能够满足要求。导气座的主要作用是走气，在它上面设计了一些特殊的结构，而导电座的主要作用是进行导电， 使得中心轴能够顺利带电，但又要防止漏电，所以在其外面加上了绝缘套，碳刷座共有 4 个，分别对应着 4 个导电环，主要是为后面送丝机的电动机提供 4 根连接线。中心轴转动时我们选用的是双列向心球面球轴承，该轴承能够承受一定的倾覆力矩，并且能够承受双向的轴向载荷。中心轴转动时，带动连接盖和绝缘定位套 1 转动，而绝缘定位套通过螺钉与后面的送丝机构连接，从而使送丝机构与中心轴的转动同步。1 挡盖 2 连接座 3 沉头螺钉 4 中心轴 5 弹性挡圈 6 平键 7 锥形齿轮（大锥） 8 锥形齿轮（小锥） 9 谐波齿轮减速器 10 绝缘套 11 轴承外盖 12 向心球轴承 13 机身外壳 14 O 形橡胶密封圈 15 吊座 16 光电码盘器 17 码盘罩 18 导气座 19 导电座 20 轴承座 21 绝缘座 22碳刷座 23 绝缘套 24 导电环 25 绝缘挡环 26 连接盖 27 绝缘定位套图 3-10 机身全剖图正如上图，电机罩、码盘罩以及吊座都是通过螺钉与机身外壳连接在一起， 而侧板是通过一个滑扣与机身相连的。如图 3-11 所示，此为机身的立体图。其前端与前面设计的枪杆相连，后面与送丝机构相连，并带动枪杆与送丝机构同步转动。图 3-11 机身的立体图由于所设计的管板全位置焊机是用来焊接换热管与管板的，其使用的焊接方法为钨极氩弧焊，在焊接时需要惰性气体（如氩气）作为保护气体，因此必须设计专门的气体导入机构。其中关键就是，气体通过机身部分如何送到前端枪体， 在经过中心轴时，还要保证其密封性。如图 3-10 所示，中心轴在导气座内转动时，进气孔内的气体可以通过送气孔送出，而进气孔的两旁都装有 O 形橡胶密封圈，能够保证密封效果，在中心轴上开的送气孔与前端软管相连，最后能够保证气体能够顺利送到枪体内。3.3 钎焊工艺3.3.1 接头结构在换热器管板结构中的导管接头结构如图 3-12 所示，其接头结构主要是由铜管以及碳钢套组成，并且铜管伸出箱体 20mm，如图所示内壁厚为 3mm，由此得知焊缝的坡口也应当为 3mm,对于通液孔也是通过碳套孔将换热器的外壁与内壁连接在了一起，并且能够通过碳套孔便于换热器外部与内部进行液体的交换。总之对于接头结构以及碳套筒与换热器内外壁的连接我们主要采取的是钎焊。图 3-12 管板结构中的导管接头结构3.3.2 焊前准备（1）清除导管边缘以及端面的毛刺以及表面上的氧化物，可采用化学方法清除，先用10%的硫酸溶液腐蚀或用0号砂纸将导管一端20mm长度范围内以及搭接面打光并漏出金属光泽，经砂纸打光后再用干净的汽油或木棉