基于焊接总驱动系统的主轴正反面焊接工艺的制作方法

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及基于焊接总驱动系统的主轴正反面焊接工艺。

背景技术：

主轴的焊接包括正面焊接和反面焊接，焊接的效果尤以正面焊接为主，反面焊接为辅。

在正面焊接过程中，传统的轴类焊接都是工件水平来焊接，由于两大法兰面有18mm的坡口，但由于18mm尺寸小于焊枪保护套，所以焊枪只能到达坡口表面，导致焊丝干伸长焊接电流损耗大，而且熔深也保证不了。

反面焊接过程中，焊枪的调节由工人直接手动调节，该手动调节是造成操作人员被焊枪烫伤的风险，存在较大的安全隐患；同时，手动调节的缺陷是焊接点位调节不精确，不能使焊缝一次成型，需要靠手动多次调节焊枪位置才能完成焊接，这样的情况下，焊接的金属质量低，性能不稳定。

其次，在实际的焊接工艺过程中，一般是将焊接工件水平放置，通过夹紧件连接后，在旋转的过程中，通过手动调节好的焊枪进行焊接操作，但是现有的这种水平焊接时存在的主要缺陷是焊接工件自身较重，在焊接过程中还需要不断的旋转，因此在该过程中，焊接工件由于自身重力的因素，其中间位置由于远离两端夹紧部的位置，故中间位置会存在向下偏移的问题，虽然肉眼不一定能准确观察到，但是实际的偏差在毫米级，已经存在了偏差，这样的偏差在焊缝成形过程中是不被允许的，一旦存在偏差则会直接影响到一次焊缝成形的质量，而自重越重的工件偏差会越大。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于焊接总驱动系统的主轴正反面焊接工艺，本发明首先通过设计自动化、精准化的驱动控制系统来控制焊枪自动移动到精确位置，然后结合正面、反面焊接的缺陷进行改进，达到提高焊接金属质量，提高成品质量和效率的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于焊接总驱动系统的主轴正反面焊接工艺，包括以下步骤：

正面焊接

s1：预拼

将大小法兰按照图纸要求套在主轴上，并在非坡口侧点焊固定；

s2：预热

用烘箱对点焊好的主轴预热，温度230℃，保温1小时，至工件150～200℃；

s3：主轴90度旋转安装

将预热好的主轴吊装至焊接工作站上，通过90度固定装置将主轴垂直固定好；

s4：焊接：焊接过程中需控制层间温度100～180℃；

第一道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为轴和法兰的配合间隙处；

第二道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第一道焊缝的外侧焊趾处，误差1.5mm内；

第三道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第二道焊缝的内侧焊趾处，误差1.5mm内；

第四道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第三道焊缝的内侧焊趾处，误差1.5mm；

第五道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第四道焊缝的外侧焊趾处，误差1.5mm内；

第六道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第五道焊缝的内侧焊趾处，误差1.5mm内；

s5：回火去应力；

回火温度625±25℃，保温2～3h后随炉冷却，消除内部残余应力；

反面焊接

s1：装夹工件

将要焊接的驱动主轴安放在旋转工作台上并紧固；

s2：调整焊接设备

通电启动焊接总驱动系统，手动操作摇杆手柄，并移动焊枪到接近焊缝的位置，距离焊缝1cm处；

s3：选取焊丝

选取焊丝1.2mm；

s4：设置焊接参数

焊机电流为90～120a，在操作屏上设置焊接层数，为2-4层，焊枪的摆动幅度在0.8-1.2cm；

s5：设置旋转工作台的旋转速度，为280转/分钟；

s6：焊接；

参数设置完成后，启动焊机开始焊接；

s7：无损检测。

作为优选，所述第一道焊接到第六道焊接所选用的焊材尺寸均为φ1.2mm。

作为优选，所述第一道焊接的电流强度为300a，第二道焊接的电流强度为280a，第三道焊接到第六道焊接的电流强度为270a。

作为优选，所述第一道焊接到第五道焊接的电压强度均为27v，所述第六道焊接的电压强度为26v。

作为优选，所述第一道焊接、第二道焊接、第五道焊接、第五道焊接的焊接速度均为50mm/s，所述第三道焊接和第六道焊接的焊接速度均为60mm/s。

作为优选，所述焊接总驱动系统包括摇杆控制台、驱动控制箱以及伺服装置，所述摇杆控制台通过驱动控制箱与焊机相连；其中，

所述摇杆控制台包括触摸屏和摇杆手柄，所述摇杆控制台与外部电源连接，在所述摇杆控制台上设置触摸屏以及摇杆手柄；

所述驱动控制箱接受触摸屏和摇杆手柄的信号，经处理后传输给伺服装置；

所述伺服装置包括伺服驱动器和伺服电机，伺服驱动器内置于驱动控制箱内，伺服电机安装在焊机的焊枪上，信号经驱动控制箱内的控制器处理后给伺服驱动器并驱动伺服电机，同时伺服电机将实时信号反馈给控制器。

作为优选，伺服电机上设有限位开关，对伺服电机进行保护。

作为优选，所述90度固定装置包括垂直桩、固定在垂直桩上的自动压紧器以及设置在焊接工作站上的下夹紧器，所述下夹紧器与所述自动压紧器上下对应设置，自动压紧器通过控制模块的控制可在所述垂直桩上上下自由移动。

作为优选，所述主轴的底部通过机械手臂放置在下夹紧器内，顶部通过自动压紧器自动压紧，实现主轴的90度旋转安装。

作为优选，所述旋转工作台包括l形底座、旋转接头、固定接头以及控制器，所述旋转接头与所述控制器连接，在控制器的带动下匀速旋转，所述固定接头设在旋转接头的对应面，两者之间形成夹装工件的区域。

作为优选，所述旋转接头夹紧连接工件的其中一端，固定接头连接工件的另一端，所述固定接头的端部焊接固定有中空的圆柱体结构，当工件的一端插进该圆柱体结构的中空部分，则会随着旋转接头一同转动，实现对工件的一整圈焊接。

作为优选，所述l形底座上还设有承托部件，所述承托部件包括承托座以及弧形承托板，所述弧形承托板固定在所述承托座上。

作为优选，所述弧形承托板上开有弧形承托槽，在所述弧形承托槽内内置滚珠。

本发明的有益效果是：

正面焊接

首先，本发明将主轴水平焊接改进为垂直焊接，传统轴类焊接都是工件水平来焊接，但我们采用将主轴90度旋转，竖直的焊接。由于两大法兰面有18mm的坡口，竖直后焊枪更容易调节角度和对准坡口底部。但由于18mm尺寸小于焊枪保护套，所以焊枪只能到达坡口表面，导致焊丝干伸长焊接电流损耗大，所以经过多次尝试，在保证熔深的前提下确定了现在的焊接参数；

其次，为了使主轴在90度的位置更加稳定，故通过90度固定装置来实现，因为如果不提高主轴90度焊接过程中的垂直度，则会影响焊枪的焊接轨迹，进而影响到焊缝的质量，因此，在采用了上述90度固定装置后，在主轴焊接的过程中能够始终保持较高的垂直度；

反面焊接

该电路主要由plc控制器和伺服系统构成的一个自动控制系统。

首先，启动摇杆控制台，系统进入准备模式，将待焊接的工件放在旋转台上，通过触摸屏设置焊接具体参数，主要包括焊接层数，焊接速度，焊枪摆动速度等参数，参数设置完成后，便可点击启动开始焊接。相较于传统的机器焊接，增加摇杆控制系统后，焊枪的位置调节由工人直接手动调节改为焊接驱动的间接调节，排除了操作人员被焊枪烫伤的风险；通过控制台调节的焊接点位，更加精确。焊接过程中，通过焊枪的自动摆动，可以使焊缝一次成形，而不需要靠手动多次调节焊枪的位置完成焊接。在这种情况下焊接出的焊缝金属质量高，性能稳定，外表形成美观且极大的提高了生产效率，降低了劳动力和生产成本，为客户制造了更优质的产品，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明反面焊接的焊接设备的示意图。

图2为本发明反面焊接的焊接总驱动系统的系统电路控制图。

图3为本发明反面焊接的焊接总驱动系统的流程控制框图。

图4a、图4b为本发明系统电路图。

图4a1、图4a2分别为图4a的左边部分和右边部分的放大图。

图4b1、图4b2分别为图4b的左边部分和右边部分的放大图。

图5为本发明伺服电机的电路图。

图5a、图5b分别为图5左边部分和右边部分的放大图。

图6为本发明承托部件的示意图。

图7为本发明弧形承托板的结构示意图。

图8为本发明焊接设备旋转工作台的示意图。

图9为本发明清理设备的俯视示意图。

图10为本发明高度调节板的侧面示意图。

图11为本发明正面焊接时焊枪的焊点示意图。

图12为本发明焊接工艺焊接的焊接接头渗透探伤报告。

图13为本发明焊接工艺焊接的焊接接头金相检验结果。

图14为本发明焊接工艺焊接的焊接接头的试验报告。

其中：1-摇杆控制台，2-驱动控制箱，3-触摸屏，4-摇杆手柄，5-焊枪，6-焊机，7-旋转工作台，8-伺服电机，9-限位开关，10-自动压紧器，101-压头结构，102-高度调节板，103-u形板，11-垂直桩，12-下压器，121-压紧杆，122-压紧气缸，123-弧形板，13-限位圆盘，14-清理单元一，15-清理单元二，16-套接圆环，17-连杆，18-压缩空气管道，19-传动气缸，20-弧形管道，21-耐高温钢刷，22-承托座、23-弧形承托板，231-底板，232-盖板，24-弧形承托槽，25-滚珠。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例：参照附图1-11、4a、4a1、4a2、4b、4b1、4b2、5a、5b、所示，基于焊接总驱动系统的主轴正反面焊接工艺，包括以下工艺步骤：

正面焊接

s1：预拼

将大法兰3、小法兰2按照图纸要求套在主轴1上，并在非坡口侧点焊固定；

s2：预热

用烘箱对点焊好的主轴1预热，温度230℃，保温1小时，至工件150～200℃；

s3：主轴190度旋转安装

参照附图8、10所示，将预热好的主轴1、扶手轴吊装至焊接工作站上，通过90度固定装置将主轴1垂直固定好；

所述90度固定装置包括垂直桩11、固定在垂直桩11上的自动压紧器10以及设置在焊接工作站上的下夹紧器，所述下夹紧器与所述自动压紧器10上下对应设置，自动压紧器10通过控制模块的控制可在所述垂直桩11上上下自由移动；

所述主轴1的底部通过机械手臂放置在下夹紧器内，顶部通过自动压紧器10自动压紧，实现主轴1的90度旋转安装；

自动压紧器10内设置伺服驱动器以及伺服电机，伺服电机在伺服驱动器的带动下移动至主轴1的顶端，通过自动压紧器10上的压头将主轴1的顶端压紧固定；

压头结构101为下端开口的锥形结构，锥形结构通过高度调节板102固定在自动压紧器10本体的底端，在压头压紧时，将主轴1的顶端卡在锥形结构内，位置固定唯一，同时也可以通过高度调节板102的调节作用来调整压头的高度，进而扩大压头的使用范围，适应不同尺寸主轴1的焊接要求；

高度调节板102是一块钢板，钢板内开有调节槽，调节槽的底部贯通其底边，顶部不贯通，压头的顶端焊接有u形板103，u形板103卡进调节槽内且可以上下移动，并通过限位螺栓来对u形板103的高度进行限位，进而达到调节压头高度的目的；

下压紧器12包括压紧盘以及一圈压紧杆121121，每根压紧杆121121均由压紧气缸122控制，一圈压紧杆121121绕主轴1一圈设置，每根压紧杆121121的倾斜角度为30-45度，并且每根压紧杆121121的顶端均固定有压紧器；

每个压紧气缸122底部均焊接有滑块，在压紧盘上均开有与每个滑块对应的导轨，滑块在导轨内的运动，达到夹紧上料和卸料的目的；

压紧器为与主轴1弧度相同的弧形板123，几块弧形板123组合后形成与主轴1外径相匹配的夹紧腔，在夹紧时可以紧贴主轴1外壁；

弧形板123内壁还固定粘接一层耐高温的树脂材料在制成的摩擦垫，提高主轴1在下压紧器12内的固定效果；

工作过程：夹紧前，通过机械手将主轴1先放置在下压紧器12中，开启压紧气缸122带动压紧杆121121向靠近主轴1的方向移动，当一圈压紧杆121121均压紧主轴1时，气缸静止不动，机械手远离，启动自动自动压紧器10，移动压头至主轴1上端的位置，根据实际情况选择性调节高度调节板102的位置，使主轴1的上端恰好卡在锥形结构的内部，在后期整个焊接过程中位置唯一，实现较好的垂直度；

s4：焊接

第一道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为轴和法兰的配合间隙处；

第二道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第一道焊缝的外侧焊趾处，误差1.5mm内；

第三道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第二道焊缝的内侧焊趾处，误差1.5mm内；

第四道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第三道焊缝的内侧焊趾处，误差1.5mm；

第五道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第四道焊缝的外侧焊趾处，误差1.5mm内；

第六道焊接：焊丝伸出长度13～17mm；焊枪角度45±5°；焊丝对准位置为第五道焊缝的内侧焊趾处，误差1.5mm内；

进一步的，所述第一道焊接到第六道焊接所选用的焊材尺寸均为φ1.2mm；

进一步的，所述第一道焊接的电流强度为300a，第二道焊接的电流强度为280a，第三道焊接到第六道焊接的电流强度为270a；

进一步的，所述第一道焊接到第五道焊接的电压强度均为27v，所述第六道焊接的电压强度为26v；

进一步的，所述第一道焊接、第二道焊接、第五道焊接、第五道焊接的焊接速度均为50，所述第三道焊接和第六道焊接的焊接速度均为60；

进一步的，焊接过程中需控制层间温度100～180℃；

焊接过程中焊枪需2～3道就要清抢，第三道焊道和第六道焊道的焊高需＞8mm，其他15mm；

焊接过程中焊丝干伸长度：15mm±2mm；焊接的电流种类为直流反极性；

焊接过程中还包括焊接保护气，为80％ar+20％co2，气体流量为10-15l/min，收弧电流170a，收弧电压17v；

参照附图8、9所示，特别的，还包括焊道清理步骤，所述焊道清理步骤是通过清理设备在每道焊接结束后对焊缝处的焊渣和药皮进行清除。

具体的，所述清理设备设置在垂直桩11上，包括清理单元一和清理单元二15，所述清理单元一与所述清理单元二15均转动设置在所述垂直桩11上，其动力来源为传动气缸19，并且所述清理单元一和所述清理单元二15均包括气冲清理器和摩擦清理器，清理单元一和清理单元二15从焊缝的两侧相向运动进行清理，在气冲清理的同时结合摩擦清理将焊渣和药皮彻底清除；

所述清理单元一和清理单元二15具体包括套接圆环16、中控结构的连杆17、传动气缸19以及清理部，套接圆环16套接在垂直桩11上，连杆17固定连接在套接圆环16和清理部之间，传动气缸19的传动端与连杆17侧面连接，尾部通过连接臂和与其对应的清理单元一和清理单元二15连接；

所述清理单元一设在所述清理单元二15上部，在所述垂直桩11上设置限位圆盘13，限位圆盘13的尺寸大于套接圆环16的尺寸，清理单元一滑动设在限位圆盘13上，具体是在限位圆盘13上开有圆形滑轨，清理单元一的套接圆环16滑动连接在滑轨内，清理单元二15设在清理单元一上，且清理单元二15上的套接圆环16尺寸小于清理单元一，清理单元二15的连杆17端部还连接有下延伸部，因清理单元二15设在清理单元一上方的缘故，但又要保证清理单元一和清理单元二15两者端部的清理器均处在同一水平面，故就需要设置该下延伸部将清理单元二15上的清理部向下延伸到与清理单元一的清理部在同一直线上；

每个中空结构的连杆17均与压缩空气管道18连接，压缩空气管道18与空压机连接，通过压缩空气管道18向清理部供气，在高压气流的作用下，从清理部向外喷射压缩空气对焊接部分的焊渣进行气冲处理；

每个清理器包括中空的弧形管道20以及固定在弧形管道20内侧的耐高温钢刷21，钢刷毛细密，通过耐高温钢刷21对残留的不易用气冲处理彻底的焊渣和药皮进行摩擦处理，同时结合气冲处理对焊渣和药皮达到最终有效的处理，同时钢刷刷过的焊道表面具有一些粗糙度，更有利于后一道焊接的进行；

连杆17、弧形管道20均采用耐高温的钢材制成；

操作过程：限位圆盘13的位置和90度主轴1上的法兰位置大致对应设置，在每焊接完一道焊道时，启动其中一个传动气缸19，带动清理单元一运动，靠近焊接部位，可采用和清理单元二15交错、间隔的往复运动来对焊道进行清理，清理过程中接受气冲和摩擦的双重清理，达到彻底清理残渣的目的，有利于辅助提高焊缝的焊接质量；

s5：回火去应力

回火温度625±25℃，保温2～3h后随炉冷却，消除内部残余应力；

反面焊接

s1：装夹工件

将要焊接的驱动主轴安放在旋转工作台上并紧固；

s2：调整焊接设备

参照附图1、2、3、4、5、4a、4b、4a1、4a2、4b1、4b2、5、5a、5b所示，

通电启动焊接总驱动系统，手动操作摇杆手柄，并移动焊枪到接近焊缝的位置，距离焊缝1cm处；

所述焊接总驱动系统包括摇杆控制台、驱动控制箱以及伺服装置，所述摇杆控制台通过驱动控制箱与焊机相连；其中，

所述摇杆控制台包括触摸屏和摇杆手柄，所述摇杆控制台与外部电源连接，在所述摇杆控制台上设置触摸屏以及摇杆手柄；

所述驱动控制箱接受触摸屏和摇杆手柄的信号，经处理后传输给伺服装置；

所述伺服装置包括伺服驱动器和伺服电机，伺服电机上设有限位开关，对伺服电机进行保护；伺服驱动器内置于驱动控制箱内，伺服电机安装在焊机的焊枪上，信号经驱动控制箱内的控制器处理后给伺服驱动器并驱动伺服电机，同时伺服电机将实时信号反馈给控制器；

该系统电路主要有操作屏、摇杆手柄、控制器、伺服驱动器、伺服电机、开关电源等电器元件组成。摇杆控制台由外部电源提供电能，开关电源为控制器供电，控制器接受触摸屏和手柄的信号，处理后转

给伺服驱动器并驱动伺服电机，同时伺服电机将实时信号反馈给控制器，外部限位开关等对伺服电机进行保护；

s3：选取焊丝；

s4：设置焊接参数；

s5：设置旋转工作台的旋转速度；

s6：焊接过程：

将要焊接的驱动轴承安放在工件旋转台上并紧固，上电启动摇杆控制台，手动操作摇杆操作手柄，移动焊枪到接近焊缝位置，距离焊缝一公分处，打开焊接区域的防护罩，选取焊丝1.2mm，设置焊机电流为90～120a。在操作屏的参数设置界面，设置焊接层数，根据工件的大小及强度要求设置为2～4层；设置焊枪的摆动幅度为上下1cm左右，可根据焊缝的宽度进行调节；设置旋转工件台的旋转速度，一般为280个单位，根据工件的直径大小进行增减；根据需要焊接的位置设置1#2#3#4#焊枪位置的开或者关，最后点击屏幕上的自动启动按钮，焊接设备开始自动焊接；

参照附图6、7所示，所述旋转工作台包括l形底座、旋转接头、固定接头以及控制器，所述旋转接头与所述控制器连接，在控制器的带动下匀速旋转，所述固定接头设在旋转接头的对应面，两者之间形成夹装工件的区域。

所述旋转接头夹紧连接工件的其中一端，固定接头连接工件的另一端，所述固定接头的端部焊接固定有中空的圆柱体结构，当工件的一端插进该圆柱体结构的中空部分，则会随着旋转接头一同转动，实现对工件的一整圈焊接。

所述l形底座上还设有承托部件，所述承托部件包括承托座22以及弧形承托板23，所述弧形承托板23固定在所述承托座22上。

所述弧形承托板23上开有弧形承托槽24，在所述弧形承托槽24内内置滚珠25。

弧形承托板23是由底板231和盖板232组成的中空结构，中间位置为弧形承托槽24，弧形承托板23的厚度为8-10cm，底板231为上端开口的弧形结构，内置滚珠25，盖板232为弧形结构，盖住底板231，盖板232上设置弧形承托槽24，滚珠25内置后会露出一部分出来，且滚珠25设置多个，可在弧形承托槽24内自由移动，这样在承托的过程中还可以减小阻力，使得既具有承托效果又具有减小摩擦提高工件转动效果的作用；

s7：无损检测，法兰焊接的焊接接头形式专业术语是板和棒的角接接头，是同一种形式，故在下表中均用专业术语棒板角接接头来表示。

如图12所示，为采用本发明焊接工艺焊接的焊接接头渗透探伤报告。

如图13所示，为采用本发明焊接工艺焊接的焊接接头金相检验结果。

如图14所示，为采用本发明焊接工艺焊接的焊接接头的试验报告。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。