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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）前 言螺柱焊接技术自从20世纪上半叶产生以来，因其具有经济、可靠、焊接效率高等一系列优点，得到了广泛的推广和应用。我国对螺柱焊接技术的研究相对较晚，近十年才开始商业化生产，螺柱焊接技术的水平与发达国家相比，还有较大的差距。目前国内的螺柱焊接多为手工焊接，焊接效率低，焊接质量不高，严重制约企业的发展。针对这种现状，本课题主要研究对手工焊机进行自动化改造，内容包括机械结构部分的设计及运动仿真。第一章主要介绍了焊接技术的发展历史、分类、广泛的应用区域以及发展趋势。第二章主要对螺柱焊接技术进行了简单的介绍，包括螺柱焊接的基本概念、分类以及应用领域等，同时阐述了本课题的主
2、要研究内容和现实意义。第三章介绍了螺柱焊机的分类、机械结构以及螺柱焊机的焊接参数等，并对电弧式螺柱焊接的特点、应用领域、焊接材料进行了详细的介绍。第四章电弧螺柱焊机的设计。第五章送料装置的选择。第六章总结与展望。由于作者水平有限，论文中的不足之处甚至错误在所难免，恳请批评指正深表谢意!1. 绪 论1.1 引言焊接技术是现代一项重要的制造技术，是目前应用最广、最重要的金属材料的永久连接方法。其基本原理是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在焊接技术里，常采用的施加外部能量的方法有加热和加压两种：加热就是把材料加热到熔化状态，或者材料加热到塑性状态；加压则是使这个材料
3、产生塑性流动。焊接的优点非常突出，它连接的部件和材料能具有很高的性能。用焊接方法连接起来的部件或材料，能和材料原来的性能完全一样，特别是它的动载性能好，在一些运动载体上运用焊接特别普遍。焊接还具有高可靠性，由于焊接使部件或材料永久地连接在一起，所以能够在很长的寿命期间内，安全地工作。另外，焊接又具有非常高的适应性，无论在何种环境下都能进行焊接，焊接的适应性在所有连接方法里边是最广的。同时焊接又有很高的效率，焊接能完全适应大规模的批量生产。焊接已经应用到机器制造业的所有部门，现在正在往其它领域扩张，例如医疗领域等。在现实生活中应用较多的焊接方法是埋弧自动焊、气体保护焊和激光焊。埋弧自动焊是在19
4、40年发明的一种新的焊接方法，采用专门炼出来的焊药进行渣保护。采用焊丝作为焊接材料，通过送焊丝的装置和焊丝盘，可以在焊接过程中连续地送进焊丝。连续送进的焊丝，在可熔化的颗粒状的焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和焊剂的一部分熔化、蒸发构成一个空腔，电弧是在空腔内稳定燃烧。电弧焊的优点有：完全实现了自动化；在埋弧底下进行焊接，因而热交换和保护性能比较强，焊接出来的质量比较高；埋弧自动焊中电弧埋在焊药底下，因而可以采用大电流，焊接效率比较高。 电弧焊的另外一种类型是气体保护焊，它的特点是采用气体进行保护。一般的情况下采用惰性气体，也就是采用氩气。因为氩气和几乎所有元素都不发生化学反应，而且氩气比较重
5、，能够比较干净地排除掉空气。也可采用活性气体，就是在氩气中间加3%到5%的二氧化碳。加了这部分的二氧化碳以后，气体就不完全是惰性气体，还带有一定的活性。采用这种气体进行保护，能够使黑色金属的焊缝很规则。 激光焊是最近几年发展起来的一种高能量的焊接方法，用激光来加热。激光焊可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其它焊接方法难以做到的。这种方法在医学里应用广泛，比如有些患者视网膜脱落，现在就可以用激光的办法，透过眼球将视网膜焊到眼球后面。激光焊的另外一个优点是不需要真空保护。现代，激光焊在各个领域都有非常广泛的应用1。由于电弧焊在现代生产领域的重要性，作为电弧焊的一种，螺柱焊接技术也
6、受到了各国焊接工作者的重视。螺柱焊是指在螺柱金属件的端面与另一金属工件表面之间产生电弧，待接合面熔化时迅速施加压力，完成焊接的一种方法。螺柱焊接方法起源于1918年，由于这种焊接新技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等优点，引起了世界各国的普遍重视。经过不断地改进和完善，特别是二次世界大战后得到了迅速发展，现已广泛应用到桥梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽车、电站等行业。可焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢、铜、铝及其合金材质的螺柱、焊钉、销钉、栓钉等。近年来我国经济建设发展迅速，使用螺柱焊接的领域也越来越广泛，因此有必要对螺柱焊接技术和焊接工艺进行深入研究，以便提高焊接质量，推广普及这种焊接技术。
7、螺柱焊接技术发展到今天，已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方法，螺柱（焊钉）的焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的。而我国1986年在成都试制成功第一台螺柱焊机，90年代开始推广应用。目前，螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与国外有不少差距2 。1.2 螺柱焊接技术的现状分析1.2.1 我国螺柱焊接技术的现状据不完全统计，我国目前虽然有一些厂家能生产螺柱焊机，但有能力生产系列产品的仅有一家，其主要产品包括RSR1-630、1250、1600、2500、3150等型号的电容放电螺柱焊机(可焊3mm12mm的螺柱)，RSN1-630、1000、1600、RSN
8、2-2500、3150等型号的电弧螺柱焊机(可焊3mm30mm的螺柱）等等。这些焊接设备基本上能满足手工螺柱焊的市场需求。我国生产的电容放电螺柱焊机的技术性能和可靠性已与进口产品不相上下，有些指标甚至优于进口产品，例如电容充电时间已达到2s，而进口产品大多为4s。所以有些用户已由购置进口产品转而使用国产焊机。但从总体上看，我国螺柱焊接技术与国外相比，仍有不少差距： 1.国产焊机在控制、焊机、体积重量、外观质量等方面与进口焊机相比有不小的差距； 2.由于国内自动螺柱焊接设备还处于开发阶段，所以国内市场上的自动螺柱焊接设备基本上靠进口；3.由于我国“栓钉穿透焊、栓钉横焊和仰焊”等焊接工艺的不成熟，
9、所以国内的螺钉的焊接结合率不高；4.我国还没有制定“螺柱焊接工艺”标准，也没有统一的质量检验和工程验收标准，这是我国在螺柱焊接技术上与国外的差距之一。1.2.2 国外螺柱焊接技术的现状国外的螺柱焊接技术的发展经历了相当长的历史，20世纪40年代是螺柱焊接技术产生和发展的阶段，和国内现阶段颇有相似之处。70年代中期到80年代是国际上螺柱焊接技术长足发展与水平发生跳跃的10年，在这段时间内成功的解决了自动送料与多机单元的螺柱焊接系统，并实现了产品的商品化。而当前螺柱焊接系统的发展主要体现在计算机技术、机器人技术与逆变技术在中的成功应用。 国外焊接设备生产商出现了IGBT全桥逆变式主电路结构，控制系
10、统都是以模拟时序电路加驱动电路的控制模式。如：德国TUCKER公司的TSG2000PES型IGBT单端正激逆变式微机控制螺柱焊机已经进入中国市场很多年了。IGBT逆变式螺柱焊机无论从控制方式的实现上，还是从控制精度，焊机性能上都要好于可控硅逆变式螺柱焊机。它们综合采用计算机技术、机器人技术和PROFIBUS技术为焊接设备的数字控制系统实现提供了技术支持，这种控制系统与传统的模拟控制电源设备的控制系统相比精度更高、过程监控更容易实现，良好的人机交互界面和动态交互的控制程序使一机多用和多机协调工作成为可能。1.3 螺柱焊接技术的发展趋势螺柱焊接技术的今后发展趋势主要是扩大应用范围、提高螺柱焊接自动
11、化水平和焊接设备的更新换代。其中硬件的发展是关键，即将晶闸管控制的焊接电源升级为逆变式焊接电源。目前逆变使用的开关元件有快速晶闸管和IGBT两种。前者的逆变频率较低，只有几KHZ，但输出功率较大；后者频率较高，有十几KHZ，但输出功率较低。从电源的动特性、体积重量等方面考虑，IGBT应该是发展方向。目前已投入使用的逆变式螺柱焊接电源的输出电流约1000A，可焊12mm的螺柱，主要应用在汽车行业3。1.4螺柱焊接技术的应用领域现代，螺柱焊接技术主要应用在以下领域：1.重型机械制造领域。由于一些重型机械机体不易穿透钻孔实现螺栓连接，可将较粗直径螺柱利用电弧螺柱焊机焊接在大型母体上，用来连接其它金属
12、或非金属零件。更重要的是，可将合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛合金等材料的螺栓，焊接在相同材料或不同材料的母体上4。 2.车体、船体的箱体结构制造领域。在车体、船体的箱体结构上，往往需要加内墙板(金属或非金属)和其他零部件进行连接，采用电弧螺柱焊可具有省工、省事和不伤及外墙母体的一系列的优点5。 3.锅炉和石化领域。电弧螺柱焊广泛应用在保温层和夹壁水冷槽的制造领域。 4.桥梁建设领域。现在很多公路桥大多采用钢梁与钢筋混凝土桥面组合为一体的组合结构，在正常受力情况下主要是受剪应力6。 5.高层建筑及其他工业及水工建筑工程领域。在高层建筑及其他工业建筑工程中，几乎都有钢柱与钢筋混凝土基础或钢柱与
13、横向钢筋混凝土现浇构件的连接，这就需要在钢制构件上用电弧螺柱焊机焊接栓钉7。 1.5 本课题研究的内容及现实意义1.5.1 本课题研究的内容针对国内螺柱焊机焊接效率低、焊接质量不高的现状8，本课题对原有螺柱焊机进行改造，把手工焊机改造为自动供料的电弧螺柱焊机。主要研究内容为： 1.焊机整体结构的设计，主要包括上下导轨、电磁铁与焊接电缆。焊机中主要构成部分为夹持机构，电磁力提升机构和弹簧压下机构。2.夹具的设计，在设计过程中对各种夹具进行了比较和研究，考虑到焊机自动控制的方便性和在市场上购买时的价格等方面的因素，最后决定采用对弹簧夹头。3.焊机的四个动作主要包括：预压，提起引弧，保持，送下。工作
14、过程主要是：首先是步进电机正转，上导轨带动焊机头前进，直到焊机头与工件以之间有一小段距离，步进电机停止工作。螺柱通过振动盘进入软管，用空气压缩机将螺柱压入弹簧夹头，将其夹紧。然后电磁铁通电，由于电磁力将弹簧夹头和螺柱提起。保持一段时间后，电磁铁断电，由于弹簧力的作用螺柱被高速送下。4.焊机整体机构的三维图，用Solidworks 软件画出焊机整体机构的三维图5.同时为了提高精度，在焊机的头部安装了一个自制的保护瓷圈。1.5.2 本课题的现实意义我国焊接设备总的趋势是向高效、节能、机电一体化和成套方面发展。数控焊接机床是焊接设备发展的一个趋势，也是焊接发展的一个阶段。数控焊接机床具有生产率高、加
15、工精度高和加工质量稳定等一系列优点, 迎合了当今焊接业的发展方向。本课题研究的自动供料电弧式螺柱焊机，是由手动焊机向数控焊接机床转变的一个中间产物，为将来数控焊接机床的产生奠定了一定的基础。1青岛科技大学本科毕业设计（论文）2. 螺柱焊机的简介2.1 螺柱焊机的基本概念螺柱焊机是快速焊接螺柱及其类似形状工件的专用设备，焊接速度快，可替代铆接、钻孔、手工电弧焊、电阻焊和钎焊。完全克服了传统焊接易烧穿、烧焦、变形、焊后表面需抛光处理等缺点，同时也可焊接表面已喷塑、喷漆的产品，并且能保证表面不会有焊痕。具有快速、经济、方便、质量可靠等优点，最适合表面要求较高的产品的焊接9，主要的参数有：1.焊接极性
16、：1）焊接黑色金属时，应采用“直流正接”，即螺柱（焊机）接焊接电源的负极，工件接正极，这样可以增加熔深。因为焊接时，阳极的温度高于阴极的温度。2）焊接铜、铝及其合金时，应采用“直流反接”，即螺柱接正极，工件接负极。这样可以利用正离子的轰击雾化作用，清除工件表面的氧化层，提高焊接质量。2.焊接材料：螺柱焊可焊接低碳铡、低合金钢、钢、铝及其合金材质制作的螺柱、焊钉、销钉以及各种异型钉，广泛适用于钢结构的高层建筑、体育场馆、高速公路、造船、汽车、电站、电控柜等行业。螺柱焊技术之所以能够快速发展,就是因为在很大程度上能适应于不同材料之间的焊接。例如：成都斯达特焊接研究所采用螺柱焊技术为用户成功解决了M16不锈钢螺柱与厚20mm铬锆铜之间的焊接难题，避免了昂贵的设备进口。在镀锌钢板上进行焊接历来
