劉瑞晴，董翠粉，陶丙龍，毛欽魁

關(guān)于焊接空間的一種計(jì)算方法

劉瑞晴，董翠粉，陶丙龍，毛欽魁

（鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，鄭州 450061）

通過(guò)對(duì)焊槍結(jié)構(gòu)和焊接過(guò)程的分析，建立焊接空間的立體幾何關(guān)系，應(yīng)用極值法計(jì)算出焊接所需要的最小空間，從而可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段識(shí)別出焊接空間不足的位置，為改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

焊接空間；極值法；焊接質(zhì)量；焊槍結(jié)構(gòu)

客車(chē)底盤(pán)車(chē)架[1-4]由大量的型材和少部分板材焊接構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮更多的是桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，忽略了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)焊接操作難易度的影響。由于焊接空間不足導(dǎo)致焊接時(shí)焊槍角度不合適，增大了焊縫缺陷發(fā)生的概率，甚至部分位置不能形成有效焊縫。不僅給工人施焊造成困難，還會(huì)影響焊接質(zhì)量，從而影響行車(chē)安全[5-6]。

本文以經(jīng)濟(jì)適用的氣體保護(hù)焊[7-10]為例，介紹一種焊接所需最小空間的計(jì)算方法：通過(guò)焊絲干伸長(zhǎng)與焊槍槍嘴直徑模擬出常規(guī)焊接狀態(tài)下能達(dá)到的最小角度α。通過(guò)模擬焊槍焊接路徑，將焊縫以及焊槍的起點(diǎn)、終點(diǎn)位置閉合為直角三角形，借助焊槍能達(dá)到的最小角度α計(jì)算出直角三角形的直邊長(zhǎng)度，分析焊槍偏斜狀態(tài)后即可計(jì)算出焊槍焊接所需的最小空間。

1 最小焊接空間的算法設(shè)計(jì)

1.1 焊槍尺寸及焊接結(jié)構(gòu)

車(chē)間常用焊機(jī)型號(hào)：YD-350KR；焊槍型號(hào)：松下350。

焊槍槍嘴直徑A=20 mm，焊絲干伸長(zhǎng)=焊絲直徑（ 1.0）×（10～15）倍≤15 mm（本文取極大值15 mm），焊槍槍身長(zhǎng)度L=1 600 mm，具體見(jiàn)圖1。

圖1 焊槍形狀及尺寸示意圖

常見(jiàn)焊接結(jié)構(gòu)，包括加強(qiáng)角結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），井字形結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），箱體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）。

圖2 加強(qiáng)角結(jié)構(gòu)

圖4 箱體結(jié)構(gòu)

圖3 井字形結(jié)構(gòu)

1.2 極值法計(jì)算焊接角度

鑒于焊槍槍嘴直徑為 20 mm，焊絲干伸長(zhǎng)極大值為15 mm，所以焊接時(shí)焊槍的最小角度α=tg(10/15)=34°，具體見(jiàn)圖5。

以圖5為基礎(chǔ)，如圖6所示，當(dāng)焊件夾角β＜2α=68°時(shí)，焊絲不能完全深入夾角內(nèi)部，影響焊縫熔合性。

圖5 焊槍焊接的最小角度

圖6 夾角處焊接的最小角度

1.3 最小焊接空間的計(jì)算

1）加強(qiáng)角結(jié)構(gòu)。以圖2為例，將型材、立焊縫以及焊槍之間形成的閉合結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7）簡(jiǎn)化為直角三角形（見(jiàn)圖8），計(jì)算出尺寸R，即為加強(qiáng)角結(jié)構(gòu)下需要的最小焊接空間尺寸。已知立焊縫長(zhǎng)度h，k=h×tg34°（k是焊槍簡(jiǎn)化為一條直線情況下,通過(guò)已知的焊縫長(zhǎng)度h計(jì)算出的最小焊接空間值），R=k+b，b是焊槍偏斜34°時(shí)焊槍斜面半徑補(bǔ)償值（見(jiàn)圖8）。

圖7 模擬加強(qiáng)角結(jié)構(gòu)下焊接過(guò)程

圖8 焊接過(guò)程轉(zhuǎn)化為三角形閉合結(jié)構(gòu)

2）井字形結(jié)構(gòu)。以前述算法為基礎(chǔ)，計(jì)算井字形結(jié)構(gòu)（圖3）需要的最小焊接空間尺寸。加強(qiáng)角結(jié)構(gòu)與井字形結(jié)構(gòu)（正方形狀態(tài)）的最小焊接空間值相同（即k值）。將井字形結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程（見(jiàn)圖9）簡(jiǎn)化為三角形閉合結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖10），經(jīng)過(guò)兩次直角三角形轉(zhuǎn)換計(jì)算出需要的最小焊接操作空間(長(zhǎng)方形狀態(tài))，即井字形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬尺寸（M、N），其中M=m+s，m=k/cos（45-34）°×cos34°；N=n+p，n=k/cos（45-34）°×sin34°,s和p是焊槍偏斜34°時(shí)焊槍斜面半徑補(bǔ)償值（分為井字形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)方向，見(jiàn)圖10）。

圖9 模擬井字形結(jié)構(gòu)下焊接過(guò)程

圖10 焊接過(guò)程轉(zhuǎn)化為三角形閉合結(jié)構(gòu)

3）箱體結(jié)構(gòu)。以圖4為例，計(jì)算箱體結(jié)構(gòu)需要的最小焊接空間尺寸。

焊槍自上方探入箱體內(nèi)部焊接，極限位置為焊槍與焊縫夾角34（° 參考圖2），與箱底水平面夾角=90°-34°=56°。

將焊槍的初始位置、焊縫和焊槍的極限位置形成的閉合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為三角形（對(duì)焊槍投影簡(jiǎn)化為3個(gè)直角三角形，見(jiàn)圖11），計(jì)算出需要的最小焊接操作空間尺寸17（常數(shù)），w=12（常數(shù)），v和 w 是焊槍偏斜后的半徑補(bǔ)償值，焊槍長(zhǎng)度可參考1.1中的L值。

圖11 箱體結(jié)構(gòu)下焊接過(guò)程及三角形結(jié)構(gòu)

圖12 箱體結(jié)構(gòu)下焊接的極限位置

2 結(jié)論

1）焊槍槍嘴直徑為 20mm，所以焊接空間必須大于20 mm×20mm，焊槍才可以焊接；當(dāng)焊接空間＜20 mm×20mm時(shí)，只能在型材立縫端頭≤5mm范圍內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)焊。

2）根據(jù)焊槍槍嘴直徑（ 20 mm）和焊絲干伸長(zhǎng)（極大值為15 mm），焊接過(guò)程中焊槍可調(diào)角度范圍極值為34°～90°。

3）當(dāng)型材夾角＜68°時(shí)，焊絲不能完全填充至型材夾角中（見(jiàn)圖6），焊縫熔合性欠佳。

[1]劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[2]田其鑄.汽車(chē)構(gòu)造[M].哈爾濱：哈爾濱出版社，1997.

[3]趙吉.大中型客車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工藝[M].長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

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[5]宋金虎.焊接方法與設(shè)備[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2014.

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[7]王成文.焊接材料手冊(cè)及工程應(yīng)用案例[M].太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[8]張建勛.現(xiàn)代焊接生產(chǎn)與管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[9]張連生.金屬材料焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[10]朱玉義.焊工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

A Method of the Welding Space Calculation

Liu Ruiqing,Dong Cuifen,Tao Binglong,Mao Qinkui
（Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd, Zhengzhou 450061,China）

The authors analyze the structure of welding torch and the process of welding,and establish three-dimensional geometric relationship of welding space.They calculate the minimum space of welding need by applying the extremum method in order to be able to identify the position of the insufficient welding space during the structural design stages.This can provide the basis for improving structure design.

welding space;extremum method;welding quality;structure of welding torch

TG441.4

A

1006-3331（2017）05-0049-03

劉瑞晴（1981-）,女，碩士；工程師；主要從事客車(chē)底盤(pán)焊接工藝研究工作。

修改稿日期:2017-06-26