逆变多头MAG刀坯自动焊专机

摘要：工业刀片是各类剪切机不可缺少的主要工作部件和磨损件，其毛坯由低碳钢刀身(原用切削加工成形)和工具钢刀头两部分热锻合而成。过去由于燃油炉高温加热过程材料表面氧化严重，易引起刀头与刀体间锻合不良。后改用MAG焊接方法预先将主、副刀体和刀头材料沿结合缝焊合，形成气密连接后再进行热锻，是一种学习国外的优质低耗先进工艺方法。其中比较关键的一部分是焊接设备和焊接工艺的选择。

1.概述

工业刀片是各类剪切机不可缺少的主要工作部件和磨损件，其毛坯由低碳钢刀身(原用切削加工成形)和工具钢刀头两部分热锻合而成。过去由于燃油炉高温加热过程材料表面氧化严重，易引起刀头与刀体间锻合不良。后改用MAG焊接方法预先将主、副刀体和刀头材料沿结合缝焊合，形成气密连接后再进行热锻，是一种学习国外的优质低耗先进工艺方法。其中比较关键的一部分是焊接设备和焊接工艺的选择。

2.焊接方法和工艺

新工艺刀坯采用全组合式拼装，主、副刀体(低碳钢)和刀头(工具钢)呈倒“品”字型拼合，在其外表面形成3条纵焊缝(分布于上、左、右3面)，两横端面各有T形短焊缝，见图1(刀体采用两块低碳钢板拼制可以节约大量钢材和加工工时)。毛坯长度大约1～1.5m，宽度0.2 ～0.3m，总厚度约50～60mm。

焊接要求将分布在5个表面上的7条拼缝沿外表面焊合(而不要求将内结合面焊合)，是为了完成预连接并形成对于内部T形结合面的气密，防止由高温氧化引起热锻合不良。因此，各条焊缝必须相互连续，不能出现接头裂缝或不熔合。

用户设计先用半自动MAG方法手工完成横断面4条短焊缝的焊接，焊接工作量大的3条纵焊缝则采用3头自动MAG专用焊机一次焊成，后者是本文主要描述的问题。

焊接接头不开坡口(主刀体往往带圆角)，单道焊缝，不摆动焊枪。选用固定式龙门架安装3套枪架及送丝机构、焊丝盘，配合辊道式传送台架和上、下工件装置，形成专用焊接工位。传动电动机采用调速控制，要求焊接线速度在0.3～0.8m/min范围可调且稳定。

选用φ1.2mm的镀铜实心低碳钢焊丝以获取较大熔深。规范选择主要考虑以获取较大的熔深和适当截面的金属堆积为目标。根据《焊接手册》，可考虑的焊接电流范围是220～250 A，因此选用额定电流350～400A的MAG焊机是合适的。保护气体用CO2或混合气(Ar+CO2) ，由试焊决定。

3.MAG自动焊专机

(1)焊机选用要求配合MAG自动焊的焊机，要引弧快速可靠，收弧自动除小球，输出电压稳定，送丝稳定，可靠性好，能连续工作，控制重复性好和焊接飞溅小。在现有的抽头式、晶闸管、IGBT逆变式三类焊机中，只有后者最能全面满足上述要求。

结合系统需求和本单位研发制造能力，我们选择NZC—400IGBT分体式MAG/CO2焊机作为专用配套焊机(见图2)。该机具有多折线形平外特性、独特的电子电抗器和慢送丝引弧、衰减式除小球收弧控制功能，具有极佳的动特性，特别适合在喷射过渡状态下运用。另外，采用场效应管高频斩波式电动机驱动线路，对送丝电动机提供较硬的特性和快速响应能力，使得送丝平稳有力。IGBT逆变器主回路采用经过大批量生产考验的设计与用料方案，能够长时间连续运行，可靠性很好。

(2)焊枪和焊接机构由气冷式MAG焊枪和三轴自由度枪架、送丝机构、25kg标准丝盘及托架组成MAG焊机头。三套机头按照左、右、上三条焊缝位置相应地固定在龙门式机架上，分别通过电缆、控制电缆、气管连接各自对应的NZC—400IGBT焊机。焊丝干伸长、行走角、工作角、对准焊缝等均可以灵活调整，采用手工一次调整方式。三头MAG自动焊专机如图3所示。

(3)传动和控制机构待焊工件随水平传动辊道做等速纵向移动，经过MAG焊接机架时进行焊接，再进入待检工位。如有不合格焊缝，需经人工半自动MAG补焊，返修至合格。传动采用3相异步感应电动机，配用变频器进行调速，可正向/反向传动。

采用一套PLC控制系统对3台NZC—400IGBT焊机和传动机构的动作进行联合控制。控制方式有配合位置传感器的全自动连续方式和手控-半自动工作方式，后者供设备调试或小批量生产时用。

控制系统能够集群控制，也能各别控制焊机的动作，以进行焊接或测试，能够识别焊机动作故障；但受投资限制，不能提供明了的人-机对话。焊接电弧电压、焊接电流(送丝速度)可分别由各台NZC—400IGBT逆变焊机设置和调节。

4.焊接工艺试验

(1)3个焊接位置中，有一个平焊位置、两个横焊位置，采用的规范参数按后者统一。按照焊缝熔合好、飞溅小(对连续自动焊接有利)这两个最基本的目标，对焊接电流、电弧电压、焊接线速度、分段焊接方法、活性气体成分等多种因素进行了大量对比试验，最后获得了较合适的焊接工艺参数和满意的焊接质量。其中值得一提的有防止焊缝开裂和减低焊接飞溅量两项。

(2)由于纵向焊缝较长，输入总热量较大，工件受热不均匀导致剪切变形，残留应力较大。通常的解决方法有降低焊接热输入、工件预热、分段焊接等几种。技术经济分析和试验表明，还是以分段焊接较好，能够消除焊缝开裂现象。

(3)所选焊接规范属于临界范围，在CO2气氛中易发生非轴向混合过渡，飞溅多且颗粒较大，容易引起喷嘴堵塞，且焊缝外观较差。为此，我们将气体由CO2改成富氩混合气(含85%Ar，CO2余量)后，熔滴过渡趋向喷射过渡型，飞溅量明显降低，焊枪喷嘴被堵塞的机率大大下降，焊缝成形情况较好。

5.结语

本套设备交付用户使用已近5年，满足了刀坯新工艺生产线连续生产的需求，取得了良好的效果。经长期使用考验，除了在电动机长时间受阻(由于导电嘴堵丝引起)的超载状态下送丝机驱动单元偶有故障(已作改进)外，3台IGBT逆变NZC—400焊机总体表现上佳，系统运行良好。

生产实践证明，该型焊机和3头MAG自动焊专机确实达到了设计和使用要求。

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