基于单片机8051的CO2焊接自动送丝机设计Word文档格式.docx
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1.1送丝焊机概述[1]
焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子(分子)间结合力而连接成一体的连接方法。
被连接的两个物体(构件、零件)可以是各种同类或不同类的金属、非金属(石墨、陶瓷、玻璃、塑料等),也可以是一种金属和一种非金属。
金属连接在现代工业中具有很重要的实际意义。
送丝焊接是当今生产效率较高的机械化焊接的方法之一,全称是送丝自动焊,又称焊剂层下自动电弧焊。
1.2送丝焊技术
1.2.1送丝焊原理及特点
送丝焊是电弧在焊剂保护层下进行燃烧焊接的一种焊接方法。
送丝焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊接剂覆盖下燃烧,电弧光不外露,因而叫做送丝焊。
电弧被焊剂覆盖与空气隔离,焊接时没有弧光辐射,减轻对操作者身体的伤害。
焊剂在燃烧时的冶金作用下焊缝得到有效的保护,使焊缝不产生气孔,夹渣等缺陷,焊缝质量较高。
送丝焊的小车(焊车)都装有自动变速送丝机构和行走机构,焊接时自动送丝及行走,焊缝成型美观,生产效率高,因此,送丝焊在工业中被广泛采用。
送丝焊焊接电弧在焊丝与工件之间燃烧。
电弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化。
熔化的金属形成熔池,熔融的焊剂成为熔渣。
电弧向前移动时,电弧力将熔池中的液体金属推向熔池后方。
在随后的冷却过程中,这部分液体金属凝固成焊缝。
熔渣则凝固成渣壳覆盖于焊缝表面。
熔渣除了对熔池和焊缝金属起机械保护作用外,焊接过程中还与熔化金属发生冶金反应,从而影响焊缝金属的化学成分。
送丝焊时,被焊工件与焊丝分别接在焊接电源的两极。
焊丝通过与导电嘴的滑动接触与电源联接。
焊接回路包括焊接电源、联接电缆、导电嘴、焊丝、电弧、熔池、工作等环节。
焊丝端部在电弧热作用下不断熔化,因而焊丝应连续不断地送进,以保持焊接过程的稳定连续进行。
焊丝的送进速度应与焊丝的熔化速度向平衡。
1.2.2送丝焊的主要优点
1)所用的焊接电流大,相应的电流密度也大。
加上焊剂和熔渣的隔热作用,热效率较高,熔深大。
工件的坡口可以较小,减少了金属填充量。
2)焊接速度高。
以厚度8~10mm的钢板对接焊为例,单丝送丝焊速度可达50~80cm/min,手工点弧焊则不达10~13cm/min。
3)焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触,而且使熔池金属较慢凝固。
液体金属与熔化的焊剂间有较多时间进行冶金反应,减少了焊缝中产生气孔,裂纹等缺陷的可能性。
焊剂还可以向焊缝金属补充一些合金元素,提高焊缝金属的力学性能,满足石油工业特别是井下作业的需求。
4)在有风的环境中焊接时,送丝焊的保护效果比其他电弧焊方法好。
对环境的要求较低,适合野外作业。
5)自动焊接时,焊接参数可以通过自动调节保持稳定。
与手工电弧焊相比,焊接质量对焊工技艺水平的依赖程度可大大降低。
6)没有电弧光辐射,劳动条件较好,可以较好的满足QHSE要求。
7)焊缝质量高。
因为熔渣隔绝空气的保护效果好,电弧区主要成分是CO,焊缝金属含氧量、含氮量大大降低;
另外,焊接参数可以通过自动调节保持稳定,对焊工技术水平要求不高,焊缝成分稳定,机械性能比较好。
8)劳动条件好。
除了减轻手工焊操作的劳动强度外,它没有弧光辐射,这是送丝焊的独特优点。
送丝焊的众多优点决定了其在工业中的重要应用。
[1]
1.3送丝自动焊机分类和结构特点
1.3.1送丝焊的分类
1)按用途分为通用和专用焊机。
前者可以广泛用于各种结构的对接、角接、环缝和纵缝等焊接生产;
后者则只能用来焊接某些特定的金属结构和焊缝。
2)按送丝方式分为等速送丝式和电弧电压调节式焊机。
前者适用于细焊丝或高电流密度的情况;
后者适用于粗焊丝或低电流密度的情况。
3)按行走机构形式分为小车式、门架式、悬臂式三种。
通用送丝自动焊机大都采用小车式行走机构,就属于这种结构形式。
4)按焊丝数量分为单丝、双丝和多丝焊机。
目前国内大多用的是单丝焊机,双丝和多丝焊机是提高生产率和质量的有效途径,正日益收到重视。
1.3.2送丝焊的结构特点
1)机械结构。
包括:
送丝机头、行走小车、机头调节机构、导电嘴、焊剂回收器等。
2)电源。
可采用交流或直流电源进行焊接,可根据产品焊接要求及焊剂型号选择电源。
3)控制系统。
电源外特性控制、送丝和小车拖动控制及程序自动控制(其中主要是引弧和熄弧自动控制)。
1.3.焊接自动送丝机
送丝自动焊机为发电机-电动机系统弧压反馈调节式,一些采用晶闸管控制的送丝焊机也开始用于生产。
用途:
可以焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝、角接焊缝等,这种焊缝可以位于平面或与平面成15度的斜面上。
技术规格:
电源电压为380V,焊接电流为400-1200A,送丝速度为0.5-2m/min,焊丝直径为3-6mm,焊接速度为15-70m/h。
电路组成:
由焊接电源、焊接小车拖动电路、送丝拖动电路组成。
2.机械部分
2.1送丝进给系统方案设计
2.1.1齿条、支撑杆、平衡杆的设计及校核
焊接机头重G1=150N,当加入焊剂的时候,焊剂中大部分是二氧化硅,密度为2.6g/cm,还有一些其它物质和空隙,可以设倒入漏斗中的焊剂的密度为2g/cm,制作7.5升的漏斗,那么焊剂G2=150N,机头总重G=300N,且距齿条杆末端距离为200mm,设齿条与平衡杆的移动速度比为2,而设计要求焊接范围在0-1500mm,由传动比可以计算平衡杆的移动范围为750mm。
我们将支撑齿条和平衡杆的支座两壁的距离设为200mm,所以送丝进给杆齿条的长度就为1700mm,平衡杠的齿条的长度为950mm。
送丝进给吃条的两端各留上150mm的光杠空间,以便安装焊接机头,这样一来送丝进给齿条的总长度就可以设成2000mm,支撑杠长度和送丝进给齿条的长度相同,其目的就是为了增加强度,防止送丝进给齿条的强度不足,减少系统的挠度,所以支撑杠的长度也为2000mm;
同样也在平衡杠两端留上150mm的光杠长度以便装配重,设两配重的质心距平衡杠端点各为100mm,故可以将平衡杠的长度看成1500mm。
送丝进给齿条、支撑光杠、平衡杠的材料都选用40Cr[2],其密度为7.8g/cm3,设送丝进给齿条、支撑光杠、平衡杠是同样的截面形状,外径30mm,内径为15mm,三个杆在重力的作用下,可以看成其上受到一个均匀分布的力,这个均布载荷q的大小为[3]
(2-1),(2-2)
图1送丝进给机构受力示意图
如图1:
当齿条,平衡杠处于中间时,可以设整个系统的质心处于中间,则有平衡公式
,(2-3)
当系统移动时,也就是齿条带动机头焊枪左右移动mm的时候,根据传动比为2,则平衡齿条相反方向移动mm,根据李学平衡公式,求质心的位置,设质心移动了
则有:
,(2-4)
的最大移动距离就是平衡齿条可以移动的范围,即
设配重的分配为
带入上式
在设计小车两端轮距距离为500mm,质心始终在两轮之间,所以不会发生倾倒的现象。
校核强度
校核送丝进给齿条的强度,根据现实的经验可以知道当焊接机头移动到最远处时,是送丝进给齿条最危险的时候,故只要校核此时送丝进给齿条的强度就可以了。
对此时的强度校核如下
图2齿条受力简图
将均布载荷集中到送丝进给齿条的质心位置,力的大小为,,,(2-5)
根据力平衡得:
B点的受力最大,剪切强度和接触应力校核就要校核[4]此点。
剪切应力
,(2-6)
故剪切强度足够。
由于支座的材料是铝,要低于钢的强度,故要校核计算支座接触表面的挤压应力,支座壁厚设计为10mm,故挤压截面面积
,(2-7)
挤压截面应力
,(2-8)
铝的挤压应力取
故挤压强度足够。
计算抗弯强度
图3齿条载荷分析图
应用材料力学计算软件,可以将送丝进给齿条上的受力简化为图3,W1为均布载荷,P1为机头重量的一半,根据齿条上的受力可以得到齿条各截面上的剪力[5]和弯矩图,如图3可以知道受到最大弯矩的位置是B点,弯矩大小为
送丝进给齿条的抗弯截面模量,(2-9)
,为齿条外径,为齿条内径。
那么齿条的弯曲应力为,(2-10)
其弯曲应力远小于许应弯曲应力,所以齿条的强度足够。
计算送丝进给齿条的挠度
由于均布载荷的大小相对较小可以不计算,只要计算焊接机头移动到最远处时的挠度就可以了。
弹性模量E=380GPa,送丝进给齿条的截面惯矩
,(2-11)
根据送丝进给齿条的受力情况,由挠度公式得,
其中a焊接机头到支座壁的距离,l为支座两壁的距离。
挠度在我们设计的许可范围内,所以送丝进给齿条的挠度足够。
同理,平衡齿条上的受力也和送丝进给齿条上的情况一样,就是在焊接机头移动到最远处,即配重m1移动到最远处时是平衡齿条最危险的时候,要校核此时的强度。
图4平衡齿条受力简图
图4为为危险时的受力简图,将均布载荷集中到平衡齿条的质心位置,力的大小为,,。
,(2-12)
B点的受力最大,剪切强度和接触应力校核就要校核此点。
,(2-13)
支座接触表面的挤压应力
,(2-14)
,(2-15)
所以制作强度足够。
图5平衡齿条的载荷分析图
同样应用材料力学计算软件,可以将平衡齿条上的受力简化为图5,W1为均布载荷,P1为m1的重量P2为m2的重量,根据齿条上的受力可以得到齿条各截面上的剪力和弯矩图,如图5可以知道受到最
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