微电机制造中的自动焊接技术

核心提示：　　（西安理工大学，陕西西安可编程序控制器对微电机加工制作中的定子铁心、电机壳体TG自动焊接实现过程程序控制。两焊机通过采用气动、液压和无级调速电机等元器件，实现了高质量、高效率、自动化和和低成本，满

　　（西安理工大学，陕西西安可编程序控制器对微电机加工制作中的定子铁心、电机壳体TG自动焊接实现过程程序控制。两焊机通过采用气动、液压和无级调速电机等元器件，实现了高质量、高效率、自动化和和低成本，满足了部分电机生产厂家的需求。

　　微电机的定子铁心制作有铆接、扣片、胶结、焊接等多种加工工艺，其中焊接件以质量高、成本低而得到广泛应用。焊接件是将定子铁心以硅钢片为原料，经剪切、冲制等加工工艺后，再将叠片紧固叠压焊接而成。从工艺角度看，定子焊接采用钨极氩弧焊（TG）不加填充焊丝，利用熔化母材本体可获得比较理想的焊接效果。因为定子冲片叠压后相当于厚壁工件，控制电弧电压、焊接电流和焊接速度可在较宽的参数范围内获得较好的焊缝成型。采用自动焊接方法，焊接效果更为理想。

　　1微电机定子焊接工艺在微电机定子焊接工艺的发展过程中曾先后采用过手工电弧焊、C2气体保护电弧焊、氩弧焊、等离子焊和激光焊等焊接工艺。从焊接工艺性看，后三种焊接方法比较理想，而前两种工艺方法明显存在成形差和飞溅大的不足。又因为等离子焊接和激光焊接设备投资大，而且不易实现多头自动焊，使其应用受到限制。钨极氩弧焊因其具有电弧稳定、焊接参数易于控制、无飞溅和焊接成本低的相对优势，因而成为微电机定子焊接的理想工艺。电机定子叠片材料一般采用冷乳或热乳硅钢片，其可焊性能良好，尤其在采用氩弧焊时，因焊缝区有惰性气体保护，使得焊后焊缝质量相当好。只是当带有较多的油污时，容易产生气孔缺陷。焊接时，焊枪固定不动，定子铁心叠片沿轴向相对运动，依靠焊接电弧熔化铁心外圆U形工艺槽或冲片预留焊接工艺凸点形成连续纵焊缝制作定子铁心。

　　考虑到实现定子叠片自动定位叠压夹紧和自动焊接的一体化工艺要求，结合分析定子待焊部位是平行于其轴的外圆部位，可以利用机械运动，使其在垂直于定子平面的方向上同时完成定子的夹紧、定位，自行移动焊接功能。油压机的机械运动符合上述要求，因此选用一台双缸三梁四柱油压机为主机，充分利用油压机工作时的机械运动，来实现装夹、定位和焊接等一系列工序，根据手工焊的经验，制定工艺参数，其后分别对实现焊接功能的机械、电气控制部分进行相应的设计改造以使其能够满足定子自动焊接工艺需要。自动焊接时同时将由数台焊机提供电源的数把焊枪一次引弧，同时焊接，完成多道焊缝的一次焊接成形。其焊接工艺参数参见表1表1钨极氩弧焊工艺参数焊接电流I焊接速度V氩气流量弧长压制力F 2定子自动焊机结构原理及自动焊接程序焊机主要由机械部分、焊接电源和控制系统三部分组成。机械部分有三墚四柱油压机、定子叠片定位涨芯夹具和焊枪定位调整装置；焊接电源根据铁心设计工艺要求的焊道数可选用三台或四台WS160型钨极手工氩弧焊机（依设计要求）。定位涨芯胎具分别安装在由上油缸驱动的活动中墚夹头和下油缸活动工作面上，同时两侧安装铜合金引弧板和收弧板。根据实际需要，数把焊枪按其相对焊接位置固定在油压机固定工作台面上（可调）。选择双缸油压机，利用上下油缸独立的相对运动对定子叠片实现定位压紧，自动焊接和顶出焊件的操作。由于油压机的主要功能是实现纵向运动，对定子叠片定位夹紧、自动焊接等相对运动，所以选择油压机时所考虑的主要参数是滑块行程、公称压力，为此选择了YB32200型四柱万能液压机。YB32系列液压系统完成的主要动作有：上缸活塞：滑块的快速下行、慢速加压、保压、泄压、快速回程及在任意点的停止；下缸活塞的顶出、退回等。保持原液压系统功能不变，只对控制电路稍做修改即能完成定子自动焊各项功能。焊机结构如所示。

　　定子焊机自动焊接程序为：放置叠片―定位夹紧―多头自动焊―松开工件―顶出工件以上程序中，除了放置零件（并按下下行开关）这一项由人工手动完成外，其余四项都由自产需要，焊机具有“急停”控制和手动调整功能，以便在必要或在紧急情况下实现关机和手动操作执行调整及修复焊件。为此要求油压机液压系统具有所示的工作循环图。

　　45.保压下行（焊接）6.松开工件（上缸复位）7顶出工件（下缸复位）用PLC控制器完成相应电气控制功能具有工作可靠、设定程序方便的特点。IO接口输入端：手动自动选择、上缸下行按钮、焊接停止下行限位1kX、上缸回程到位开关2kX和下缸回程到位3kX以及手动控制：上缸下行、上行回程和下缸顶出、回程；输出端共有上缸上、下行电磁阀、下缸上、下行电磁阀和焊接电源通断开关5个控制对象。

　　自动焊接开始时，接通焊接电源和油泵开关，选择自动操作，按下上缸下行按钮1YA通电，上缸快速下行；当上缸定位锥头接触工件时，液压缸5上腔压力升高，液控单向阀I1关闭，加压速度便由液压泵流量来决定，执行慢速加压，此时锥芯插入涨套，涨套沿径向涨开（自动定位），在涨套涨至径向尺寸的同时压套也将铁心压紧；当加压至成，紧机构的左右夹紧块和c顶出机构的三只顶遍也邮House.All 3YA，上下缸带动所夹持工件下行，同时接通焊接高频引弧开关，在铜合金起弧板上引燃电弧并执行立向上焊操作；下行焊接至收弧板时碰到行程开关1KX，熄弧、1YA和3YA断电，工件停止运动，同时接通2YA上缸执行快速回程；上缸复位后接通2KX此时2YA断电、上缸停，4YA接通下缸带动工件返回（顶出）至接通3KX下缸在原位停（复位），取下工件，一个焊接循环结束。油路系统参见YB32200型液压机系统图。

　　微电机壳体采用卷筒焊接方法生产，具有制造工艺简单，材料利用率高，生产成本低，生产周期短，重量轻等特点。以下介绍一种采用TG自动焊卷筒式机壳的全自动焊机技术特点。

　　1焊接工艺及自动焊机结构原理微电机钢板壳体是以薄壁（2mm左右）冷乳拉伸钢板为原料经下料、卷圆后，焊接加工制成。冷乳钢板可焊性良好，采用TG焊接方法可以在合理的焊接电流和焊接速度匹配条件下得到良好的焊缝成形，尤其是在焊缝背面通保护气体时，单面焊双面成形，焊接效果更佳。自动焊接工艺要求工件保证严格的下料尺寸，确保经卷圆和焊前对中后基本无接缝间隙，以此保证不加焊丝TG焊也可获得良好焊缝成形。

　　自动焊机主要由焊接电源、机械部分和控制部分三部分组成：焊接电源可采用市售手工钨极氩弧焊电源（如WS系列），最好是带有递增、衰减功能，这样再与引弧、收弧块的综合作用下电机外壳两端头焊缝成形更佳；几械部分是用来执行保证焊缝的质量和完成自动焊接过程各项机械运动（包括承载放置零件，对中，夹紧，焊接，放松，顶出等）功能，主要由气动元器件、电机和部分机械加工件组成；控制部分用来调控各项机械运动过程准确无误地执行，最终得到满意的焊接零件，通过PLC控制器实现。

　　机械装置主要包括四部分：对中机构（使焊缝接口准确位于焊接位置上）夹紧机构，（在焊接过程保证接口贴合和防止变形而影响焊接质量）行走机构，（驱动焊枪对准焊缝稳定行走，完成自动焊接过程）。芯轴及顶出机构（焊件定位、焊后顶出焊件）。对中机构所采用的对中定位板工作由上下和左右两只气缸的复合运动驱动下完出杆的运动分别由三只气缸驱动执行：焊枪行走机构是由可无级调速电机经同步齿形带带动丝杆丝母装置实现焊枪的无级变速直线运动，芯轴对焊件起定位支撑作用，轴体上加工有四道工艺槽。芯轴正上方为定位槽，定位板在定位时，插入定位槽。槽中心与焊缝相对应，槽中镶入带有通气孔的铜合金垫块，以便通入背面保护气体，这样在焊接时，既可避免芯轴和壳体粘连在一起又可以更好地保证工件背面焊缝成形。除定位槽外，另三条互成120°的槽是为焊件的顶出设计的顶出杆通道，使顶杆能够顶出钢筒。

　　芯轴的尺寸可随所要加工的工件的尺寸而变化的。芯轴的外径与焊件的内径相等，轴体长度比工件稍长，定位槽中铜镶块长度大于工件长度可起到TG焊时的引弧板收弧板作用。

　　2自动焊控制方法焊机的结构原理表明焊接自动化过程的实现主要由气缸、电机、调速装置和PLC等元器件组成的系统完成，可见其自动化过程成本不高，而其性能可靠又适用于其它纵缝焊接产品的快速工艺控制设置，是一种低成本自动焊接装置。PLC控制器工作可靠、设定程序方便的特点，完成相应电气控制功能。分析可知，实现自动焊接功能和相应的手动控制功能需要PLC至少有12个输入端口和8个输出端口，为此选用C20控制器（其IO为16/12）。按工艺要求编制相应程序和接口联线即可实现自动控制要求。

　　在进行自动焊接前，首先选择自动开关，将圈好的零件套在自动焊机的芯轴上，按下启动按钮，C 20妾到信号后，按编制好的程序自动完成对中，使用航空插头从电动机引出；也可将保护器安装在电动机的接线盒中实现一体化。

　　4监视气隙磁场保护交流电动机的原理检测线圈的感应电压反映相应位置上旋转磁场的磁感应强度，然后由保护器对检测线圈的感应电压进行监视。

　　1过载、缺相和欠压保护过载保护的原理是：若电源电压一定，随着电动机负载增大，定子漏阻抗压降增大，反电势减小，气隙磁通也减小，于是检测线圈的感应电压也随之下降。当检测线圈的感应电压降低到设定值时，保护器发出保护信号。

　　当三相交流电动机发生缺相故障时，电动机内部各处气隙磁通均不同程度地减弱，试验表明，即使在空载情况下，无论发生哪种形式的缺相故障，三相检测线圈感应电压中，至少有一个感应电压低于电动机正常满载工作情况下的检测线圈感应电压，并且随着负载增加，该感应电压将大幅度下降。对三相检测线圈感应电压的降低予以分别监视，就可以实现过载和缺相保护。

　　通过对检测线圈感应电压幅值的监视，还可以实现过压、欠压保护。

　　2定转子不同心的保护定转子不同心将导致同一相定子绕组在不同极相组对应位置上的气隙磁场的磁感应强度不相等，其差值是随各极相组对应位置上气隙长度差别的增大而增大的。监视对应同一相定子绕组不同极相组的检测线圈感应电压的差值，即可实现定转子不同心保护。属于同一相的检测线圈按感应电压相减的方向连接，即可得到所需的感应电压的差值。

　　表1是2201W三相交流电动机当定转子不同心时，检测线圈感应电压差值的变化情况。

　　表1定转子不同心时检测线圈感应电压差值的变化偏心情况感应电压的差值/V正常偏心（最小气隙是正常气隙的50%）3错相保护通过对三相检测线圈感应电压相序的判断，可实现错相保护。

　　常州太平洋自动化技术有限公司已成功开发出BH2080电动机磨损状态监测报警仪和BH2090智能化电动机多功能保护器。

　　电动机磨损状态监测报警仪采用高速智能芯片、液晶点阵显示屏，可对比显示三相感应电压差值的原始正常值和实时变化值，可用曲线的形式显示偏心程度的变化趋势，可与计算机通讯。该仪表经实际使用，取得很好的效果，实现了电动机磨损状态的早期监测。

　　电动机多功能保护器采用高速智能芯片为主控单元，可显示感应电压的实时值和设定值，显示电动机的运行状态和故障情况，由于采用了先进的自适应控制技术，可自动完成信号处理电路的增益调整控制，保护器对各种型号、容量、电压等级的三相交流电动机通用，并且调整设定简单方便，动作准确可靠，为保障电动机的安全运行提供了另一个有效的保护手段。