异形薄壁铜管自动火焰钎焊装置的改进

曾文瑜

（九江职业大学 机电工程学院，江西 九江 332000）

0 引 言

薄壁铜管在国内卫浴行业的应用已有20多年的历史，与薄壁铜管同步发展的焊接技术也日益完善。中高档卫浴产品为了满足客户的个性化需求，往往需要针对产品的种类和形状进行相应的变化，如异型变截面薄壁铜管等[1]。通常薄壁铜管的连接，较难实施对接熔焊，较简易的连接方法是搭接钎焊，考虑到卫浴产品的清洁度要求，采用磷铜钎料焊接，钎料只有加热到合适的温度范围，才能很好地浸润在铜

管接头缝隙中，从而得到接头光顺的焊件[2]。目前，对钎焊温度的把握通常是由人工目测完成，因而焊接过程中容易出现超温过焊、欠温漏焊的现象，严重影响产品的焊接质量。为准确掌握钎焊温度的精度，本文设计一种采用红外线测温仪和PLC控制技术的自动火焰钎焊装置。

1 火焰钎焊的特点及技术参数

火焰钎焊是利用金属钎料的熔点低于焊件金属的特性，将温度加热到大于钎料、小于焊件熔点的范围，此时钎料熔化为液态并浸润在焊件金属的连接处，通过扩散填满金属焊件的连接缝隙，冷却后实现焊件的接头焊接[3]。

火焰钎焊的技术参数见表1。

表1 火焰钎焊的技术参数

考虑到中高档卫浴产品大多采用异型薄壁铜管焊接的要求，本设计重点是保持稳定可靠的钎焊温度，对照表1的指标参数，将钎焊加热点的温度控制在800～850℃，采用测量范围为0～1 000℃的红外线温度传感器，得到焊件被加热的实时值。

2 自动火焰钎焊的技术方案

通常为保证钎焊过程中的焊接温度，在设计火焰钎焊机的工艺参数时，采用由PLC可编程程序事先设定好固定的焊接点的加热时间，而编程程序一旦设定好，加热时间将不会因外界环境温度的变化而改变，在实际生产中这种加工工艺易出现焊接质量不稳定的情况。为解决上述问题，设计一种12工位的转盘式自动火焰钎焊机，其工艺流程如图1所示。该钎焊机工作台上安装有动力驱动装置的转盘，采用圆周顺时针循环运动，转盘上环形阵列有12个工位，对应的工位点分别是3个接头安装点、1个接头检验点、1个充氮保护点、3个钎焊预热点、1个钎焊加热点、1个焊后冷却点、1个焊后检验点和1个焊件拆卸点。转盘外围的工作台上依次设有加热机构、送丝机构、测温机构和冷却机构，分别与PLC电气控制单元连接，从而完成钎焊的工件感应、充氮保护、预热、送丝、加热、测温及冷却等一系列操作工艺。本设计的核心技术是采用红外线温度控制装置和PLC电气控制系统。

2.1 红外线温度控制装置

图1 自动火焰钎焊工艺流程

采用红外线温度控制装置组成的闭环系统，包括高精度红外线测温仪、温度控制显示器和传感器[4]。在钎焊加热点安装红外线测温仪，并对焊点的焊件温度进行采样，由于加入的是磷铜钎料，熔化温度范围为640～810℃[5]。当温度控制显示器的温度达到800℃时，磷铜钎料熔化，铜管灼热成红色。此时红外线传感器测量到焊接点的实时温度，再通过信号转换器将温度信号传给PLC电气控制系统。

2.2 PLC电气控制系统

PLC电气控制系统接收温度信号后，经过温度比对程序，若温度达到800℃，则转盘发出转到下一工位的指令，触发转盘转动机械装置，使圆盘顺时针转动角度30°，焊件到达下一个工位，PLC捕捉到检测器的信号，机械转动停止，圆盘停止转动，等待下一工件焊接。若其间出现工位上无工件的情况，则PLC转为时间控制，每隔一段时间，自动转动角度30°，防止出现无温度信号反馈时圆盘意外停机的现象发生。若温度低于800℃，则转盘停在原工位，焊件继续被加热。考虑到信号处理过程的滞后性，本设计设定温度稳定时间为2s，温度上限为850℃。

3 自动火焰钎焊装置的结构设计

自动火焰钎焊装置整体结构如图2所示。

工作台上设有防护罩，位于防护罩内的工作台上安装有动力装置（即由电磁离合带动的凸轮分度机构装置）驱动的转盘，转盘是间歇性顺时针转动的，且转盘上环形阵列有多个位于防护罩内的定位机构，位于防护罩外围的工作台上依次设有多个加热机构、送丝机构和冷却机构；防护罩的外壁上设有测温机构和用于感应定位机构的感应元件，感应元件优选为光电感应器。

3.1 定位机构

自动火焰钎焊装置定位机构结构如图3所示。

图2 自动火焰钎焊装置整体结构

图3 自动火焰钎焊装置定位机构结构

定位机构包括连接板，连接板的端部设有与转盘相连的连接部；连接板的两端分别设有安装块，其中一安装块上设有凸块，另一安装块上设有弧形槽；靠近转盘的安装块上还固定安装有支撑块，支撑块上设有定位槽；支撑块高于安装块的表面。

通过支撑块对过高或过长的异型薄壁铜管进行支撑，避免多个定位机构上的铜管相互影响。为便于寻找连接板在转盘上的安装位置，位于两安装块之间的连接板上设有安装孔，从而根据待焊接铜管的形状及尺寸，通过安装孔便于调节定位机构在转盘上的位置，以满足工作的需要。

3.2 测温机构

自动火焰钎焊装置测温机构结构如图4所示。

图4 自动火焰钎焊装置测温机构结构

测温机构包括吸附于防护罩外壁上的吸附元件，吸附元件优选为磁铁，磁铁靠近防护罩的一侧设有与防护罩外形相适配的弧形槽，吸附元件上设有调节软管，调节软管上设有红外线测温探头。

由于测温机构包括吸附于防护罩外壁上的吸附元件，吸附元件上设有调节软管，调节软管上设有红外线测温探头，从而通过吸附元件便于调节测温机构在防护罩上的位置，通过调节软管便于调节红外线测温探头的位置。

3.3 送丝机构

送丝机构包括设置于工作台上并位于第一支撑杆下游的第二支撑杆，第二支撑杆上设有向焊枪喷头方向延伸的送丝管，送丝管内设有送丝机构输送的磷铜钎料。

送丝机构和测温机构均位于多个加热机构的下游，且均向加热机构方向延伸；感应元件、加热机构、送丝机构、测温机构、冷却机构和动力装置均与电气控制单元相连；转盘间歇性运动后，加热机构和冷却机构均与定位机构对应设置。

3.4 加热机构

加热机构为4个，前三个加热机构用于对两铜管件的焊接点处进行预热，最后一个加热机构用于将送丝机构送来的磷铜钎料进行焊接。加热机构包括设置于工作台上的第一支撑杆和与气源连通的气管，支撑杆上设有多个与气管连通的焊枪喷头。由于加热机构设有多个，送丝机构和测温机构均位于多个加热机构的下游，从而通过多个加热机构可同时对多组待连接的铜管进行预热。另外，在转盘间歇性运动的过程中，每组待连接的铜管可进行多次预热，从而为达到合适的焊接温度提供了保障。

3.5 冷却机构

冷却机构包括设置于工作台上并位于第二支撑杆下游的第三支撑杆，第三支撑杆上设有与水源连通的水管。

由于工作台上转动安装有动力装置驱动的转盘，位于转盘外围的工作台上依次设有加热机构、送丝机构、测温机构和冷却机构，送丝机构和测温机构均向加热机构方向延伸，转盘上环形阵列有多个定位机构，从而在工作中动力装置驱动的转盘进行间歇性转动（间歇性顺时针转动一次，定位机构转动一个工位），在工作过程中将定位有待焊接铜管的工装放置在定位机构上，之后依次通过加热机构对待焊接铜管进行加热。当测温机构检测到待焊接铜管的加热温度达到合适的温度（800℃）时，将送丝机构送来的焊丝进行焊接，完成两铜管的连接。焊接完成后，通过冷却结构进行冷却，之后转盘继续进行间歇性转动。最后将工装（此时焊件拆卸点的工位上是完成焊接的铜管）从定位机构上拆卸下来，并重新放置在定位有待焊接铜管的工装上，如此往复进行循环流水化焊接作业。

4 试 验

试验采用待加热焊接工件，选用异型薄壁铜管，焊剂采用磷铜钎料，焊接气体由助燃气体（氧气）和可燃气体（液化石油气—LPG）两部分组成，LPG的主要成分是丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）及一定量的丙烯（C3H6）和丁烯（C4H8）等碳氢化合物。O2-LPG气体火焰根据氧气与LPG的混合比不同有氧化焰、中性焰和还原焰（亦叫碳化焰）三种不同性质的火焰。当O2与LPG的体积比为3.5时为中性焰，小于3.5时为还原焰，大于3.5时则为氧化焰。

试验时首先打开LPG气阀，点火后调节氧气阀，氧气与LPG的压力范围分别为0.05～0.09MPa和0.4～0.8MPa，调出明显的碳化焰后，再缓慢调大氧气阀直到白色外焰距蓝色2～4mm，此时外焰轮廓已模糊，即内焰与焰心将重合，火焰为中性焰。焊接铜管时应使用中性焰，尽量避免使用氧化焰和碳化焰。当焊接后铜管有变黑的倾向时,则调大气体助焊剂的流量,直到焊接后铜管呈暗红色。此时从火焰的另一侧加入磷铜钎料，当测温机构实时测量焊接温度达到800℃，即可完成焊接。然后用喷枪喷水冷却，以防止铜管表面被腐蚀而产生铜绿。最后是焊接后检验，给焊接后的铜管充0.5MPa以上的N2或干燥空气，然后对钎焊接头喷洒中性洗涤剂，观察10s内有无气泡产生，若有气泡产生则判为泄漏，需补焊或重焊。

试验结果表明，焊接温度用红外线温度控制装置采集，由PLC设定固定的加热时间改为实时控制加热温度，改变了焊接温度靠人工目测判定的缺陷，有效控制焊材用量。自动钎焊装置生产效率可实现180件/h的焊接产品。焊接质量达到国家卫浴产品焊接技术标准。既控制了材料成本，又提高了成品质量。

5 结束语

本文对异形薄壁铜管自动火焰钎焊装置进行改进，采用红外线温度控制装置和PLC电气控制系统，设计一种12工位的转盘式自动火焰钎焊装置。与传统的人工焊接相比，大大降低了工人的劳动强度，而且工作效率高、焊接质量稳定，有效保证了卫浴产品的品质。

[1] 叶益民，马伟民，张应龙，等.不同保护气体下的超级双相不锈钢焊接工艺研究[J].焊接技术，2016（1）：39-42.

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[3] 雷玉成，罗雅，任丹，等.微量CO2对MGH956合金超声电弧TIG焊的影响[J].焊接学报，2014（9）：1-5.

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[5] 丁正春，孙明亮.红外温度传感器在钎焊专机中的应用[J].焊接技术，2003（5）：49-50.