張春紅，高開熠，張 寧，常 浩，陳志偉

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.徐州工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇 徐州221018；3.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州221004）

0 前 言

焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，使兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式。焊接應(yīng)用廣泛，既可用于金屬，也可用于非金屬。對(duì)于焊件來說，焊接接頭的質(zhì)量直接決定了其使用壽命和使用安全。

人工焊接無法保證穩(wěn)定的焊接速度和焊接高度等要求，往往會(huì)產(chǎn)生由焊接接頭的熔深不同、焊縫寬度不同以及焊縫各處差異很大等人為因素所導(dǎo)致的焊接缺陷。為了避免人為因素對(duì)焊件質(zhì)量的影響，本研究設(shè)計(jì)了一種可夾持的氬弧焊焊槍自動(dòng)焊接裝置，從而避免了人工焊接時(shí)因人為操作因素導(dǎo)致的焊接缺陷，實(shí)現(xiàn)了焊接過程的自動(dòng)化，提高了焊接質(zhì)量。

1 可夾持焊槍的氬弧焊自動(dòng)焊接裝置結(jié)構(gòu)

1.1 電子控制模塊

可夾持氬弧焊焊槍自動(dòng)焊接裝置包括電子控制模塊和機(jī)械裝置兩個(gè)部分，電子控制部分是應(yīng)用單片機(jī)原理設(shè)計(jì)了控制電路，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)速的控制。電子控制模塊的電路如圖1所示。

電子控制模塊是由控制焊槍移動(dòng)方向和移動(dòng)速度的6個(gè)按鈕組成，如圖2所示。

在圖2中，各按鍵的功能如下。

圖2 控制模塊按鈕

開始鍵：系統(tǒng)通電，按下此按鍵后，裝置開始在X向單方向向前移動(dòng)，在Y方向波浪形移動(dòng)。

后退鍵：按住此鍵，工作臺(tái)沿著X的反方向移動(dòng)，回到初始位置。

加速鍵：按下此鍵，X向移動(dòng)的速度逐漸增大。

減速鍵：按下此鍵，X向移動(dòng)的速度逐漸降低。

左移鍵：按下此鍵，沿著Y方向，向左移動(dòng)。

右移鍵：按下此鍵，沿著Y方向，向右移動(dòng)。

以上6個(gè)按鍵中，任意一個(gè)鍵被按下都可以使系統(tǒng)工作停止。同時(shí)，為了防止工作人員的疏忽，避免出現(xiàn)工作臺(tái)越過極限位置而損壞的情況，在移動(dòng)工作臺(tái)上面設(shè)置了一個(gè)接近開關(guān)，當(dāng)工作臺(tái)接近極限位置時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)接近開關(guān)，使系統(tǒng)停止工作。這樣就可以有效保護(hù)工作臺(tái)的安全。

1.2 機(jī)械裝置組成

筆者應(yīng)用制造原理設(shè)計(jì)了氬弧焊自動(dòng)焊接裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械裝置部分由支架支撐結(jié)構(gòu)組成。其由兩個(gè)大扭矩蝸輪蝸桿減速電機(jī)和角鋁板的配合來調(diào)節(jié)焊槍在前后、左右、上下三維方向上的移動(dòng)。其中，X軸方向（前后）的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)由底座安裝的扭矩蝸輪蝸桿減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)；Y軸方向（左右）的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)由中部支架安裝的扭矩蝸輪蝸桿減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)；Z軸方向（上下）的移動(dòng)靠手動(dòng)旋鈕來實(shí)現(xiàn)，焊槍的引弧是手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。氬弧焊自動(dòng)焊接裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氬弧焊自動(dòng)焊接裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖

在圖3中，支撐結(jié)構(gòu)由底座和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于底座的上方，通過一條絲杠和滑塊與底座連接在一起，底部安裝有兩個(gè)軸承，絲杠和滑塊并排相互平行的固定在底座上，滑塊起導(dǎo)向和支撐作用。在絲杠的一端安裝有蝸輪蝸桿減速電機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在絲杠和滑塊的共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)按運(yùn)動(dòng)方式又可分為上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩塊帶有卡槽的角鋁，卡槽的尺寸與焊槍握把相當(dāng)，剛好可以將焊槍固定在角鋁上，角鋁的背面裝有兩個(gè)軸承，通過絲杠和滑塊與另一塊鋁板相連，絲杠的頂端有個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的旋鈕，可實(shí)現(xiàn)焊槍的上下移動(dòng)，即在焊接過程中能調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)的大小。左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為一塊背面裝有兩個(gè)軸承的被折彎的鋁板，通過絲杠和滑塊與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接在一起，在絲杠的一端安裝有電機(jī)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，即可帶動(dòng)焊槍實(shí)現(xiàn)水平方向上的運(yùn)動(dòng)。

2 可夾持焊槍氬弧焊自動(dòng)焊接裝置的焊接試驗(yàn)

利用可夾持焊槍進(jìn)行氬弧熔覆耐磨復(fù)合涂層的試驗(yàn)。基體材料為Q235鋼板，涂覆材料為Ni60A，TiC，TiN和Co粉，用水玻璃為粘結(jié)劑，壓制成型，涂覆在鋼板上，自然晾干后再烘干處理。然后利用自行設(shè)計(jì)的可夾持焊槍的氬弧焊自動(dòng)焊接裝置和TIG弧焊機(jī)制備耐磨復(fù)合涂層。焊接電流分別選取100 A和110 A，焊接速度為30 mm/min和 40 mm/min。

圖4為氬弧熔覆耐磨復(fù)合涂層橫截面的金相組織圖。由圖4（b）中可知，熔覆層的橫截面呈層狀分布，在結(jié)合區(qū)部位，界面處兩端的原子發(fā)生劇烈的相互擴(kuò)散，凝固后形成非常優(yōu)良的冶金結(jié)合層。在結(jié)合區(qū)的前沿是定向生長(zhǎng)的枝晶和枝晶間共晶結(jié)構(gòu)，枝晶軸大致與基底垂直。圖4（c）為熔覆區(qū)的的顯微組織，可以看出，熔覆層上彌散分布著大量呈短棒狀、針狀的 Ti（C，N）和（Fe，Cr）xC增強(qiáng)相顆粒，有助于涂層耐磨性的提高。

測(cè)量顯微硬度時(shí)從熔覆層的最外面開始，然后沿著一條直線向基體內(nèi)部每隔0.2 mm測(cè)量一次硬度。熔覆層至基體內(nèi)部的硬度分布曲線如圖5所示，從圖5可以看出，曲線走向呈先上升后下降的趨勢(shì)，最高硬度可達(dá)1 042.1 HV10，是基體硬度163 HV10的6.4倍。

圖4 復(fù)合涂層的顯微組織

另外焊件經(jīng)外觀檢查、無損檢測(cè)后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求，評(píng)定合格。由此驗(yàn)證了該裝置的各項(xiàng)功能合理，焊接過程可靠，焊接質(zhì)量好，無氣孔、夾雜、未熔合、未焊透等缺陷，且無裂紋等宏觀缺陷，抗磨損、耐腐蝕性能達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 熔覆層至基體內(nèi)部的硬度分布

3 結(jié) 語

本研究的可夾持氬弧焊焊槍自動(dòng)焊接裝置主要解決由于人工焊接時(shí)不能保持焊接參數(shù)的穩(wěn)定輸出從而導(dǎo)致焊接缺陷的問題，避免了人為因素導(dǎo)致的焊接缺陷，實(shí)現(xiàn)了焊槍的三維移動(dòng)和焊接過程的自動(dòng)化，提高了焊接效率和焊接質(zhì)量。

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