机械论文

绪 论

高频加热及钎焊专用设备是为了焊接高频有缝焊管及金属钎焊工艺专用的焊接设备，根据使用的逆变器件不同，分为电子管结构的大型设备和采用IGBT模块的全固态高频加热焊接设备，它们的工作频率大约在40千赫兹到250千赫兹之间，与普通工频的加热设备相比具有：焊接速度快，工件变形小，焊接工件强度高等显著的优点。

作为高频焊接机床操作者者，必须深刻了解高频焊接的基本原理；了解高频焊接设备的结构和工作原理；了解高频焊接质量控制的要点，以及机床操作原理、故障以及机床组成等 。

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第1章 SLM-K97焊齿机床的基本原理、操作

1.1 SLM-K97高频焊接机床的基本原理

SLM-K97高频焊齿机床是一种高频纤焊，它是一种高频感应加热的工艺过程，它具有焊接速度快、焊接精度高、牢固耐用并可自动进行热处理以及回火（感应加热淬火后回火的目的是降低过渡区残余拉力避免开裂，稳定组织和达到所需要的硬度）、焊接效率高、淬火时工件表面变形小、工件表面氧化脱碳少、配有红外线温度精密检测性能、易于控制加热深度和加热区域等特点。该机安装了手动调节合金导向装置。它能有效的使用合金预定位，无需凭眼睛和经验校正。由于精度定位故可节约合金及降低加工成本，合金成本节省约8%-0%，加工成本降低25%。如果多台焊接机联用，可配置集中冷却系统或中央冷却系统。

自动焊机是由超高频焊机及各种机械手及精密风动元件与步进电机组成。全部自动化系统用人机界面。可根据不同齿形需要设置自动或手动，设置自动回火清除焊接应力。整个程序自动变换齿数，自动退出。加热自动放助焊剂，自动下焊丝，自动夹合金，保证了每次焊接的温度及焊接质量。

1.1.1高频的定义

所谓高频,是相对于50Hz的交流电流频率而言的，一般是指50KHz-400KHz的高频电流。高频电流通过金属导体时，会产生两种奇特的效应：集肤效应和邻近效应，高频焊接就是利用这两种效应来进行金属的焊接的。[1]

集肤效应是指以一定频率的交流电流通过同一个导体时，电流的密度不是均匀地分布于导体的所有截面的，它会主要向导体的表面集中，即电流在导体表面的密度大，在导体内部的密度小，所以我们形象地称之为：“集肤效应”。集肤效应通常用电流的穿透深度来度量，穿透深度值越小，集肤效应越显著。这穿透深度与导体的电阻率的平方根成正比，与频率和磁导率的平方根成反比。通俗地说，频率越高，电流就越集中在钢板的表面；频率越低，表面电流就越分散。必须注意：钢铁虽然是导体，但它的磁导率会随着温度升高而下降，就是说，当钢板温度升高的时候，磁导率会下降，集肤效应会减小。[1]

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邻近效应是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时，电流会向两个导体相近的边缘集中流动，即使两个导体另外有一条较短的边，电流也并不沿着较短的路线流动，我们把这种效应称为：“邻近效应”。邻近效应本质上是由于感抗的作用，感抗在高频电流中起主导的作用。邻近效应随着频率增高和相邻导体的间距变近而增高，如果在邻近导体周围再加上一个磁心，那么高频电流将更集中于工件的表层。 这两种效应是实现金属高频焊接的基础。高频焊接就是利用了集肤效应使高频电流的能量集中在工件的表面；而利用了邻近效应来控制高频电流流动路线的位置和范围。电流的速度是很快的，它可以在很短的时间内将相邻的钢板边部加热，熔融，并通过挤压实现对接。[1]

1.1.2机床结构和工作原理

高频焊接机床就是用于实现高频焊接的电气—机械系统，高频焊接机床是由高频焊接机和焊管成型机组成的。其中高频焊接机一般由高频发生器和馈电装置二个部分组成，它的作用是产生高频电流并控制它；成型机由挤压辊架组成，它的作用是将被高频电流熔融的部分加以挤压，排除钢板表面的氧化层和杂质，使钢板完全熔合成一体。[2]

高频发生器过去的焊管机组上使用高频发生器是三回路的：高频发电机组；固体变频器；电子高频振荡器，后来基本上都改进为单回路的了。调节高频振荡器输出功率的方法有多种，如自耦变压器，电抗法，晶闸管法等。[2] 馈电装置这是为了向管子传送高频电流用的，包括电极触头，感应圈和阻抗器。接触焊中一般采用耐磨的铜钨合金的电极触头，感应焊中采用的是紫铜制的感应圈。阻抗器的主要元件是磁心，它的作用是增加管子表面的感抗，以减少无效电流，提高焊接速度。阻抗器的磁心采用铁氧体，要求它的居里点温度不低于310°，居里点温度是磁心的重要指标，居里点温度越高，就能靠得离焊缝越近，靠得越近，焊接效率也越高。[2]

1.1.3技术参数

1.高频机频率：最高1.2MHZ 2.最大焊接功率：6KW

3.焊接直径:ф112-ф850mm 4.焊接合金厚度范围：1.6-6mm

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5.冷却泵流量(选配):30L/min 6.单齿焊接完成时间:2-5秒/齿 7.焊接角度：从负20度至正25度 8.焊接精度：≤0.05mm

9.机体外型尺寸（不含冷却系统）:930(长)X1100(宽)Ｘ660(高） 配置附件：

1.超高频焊接电源3.5KW或5.6KW 2.冷水循环系统 3.红外线温控装置

4.焊片自动剪切装置 5.自动分选刀头装置

1.2 SLM-K97焊接机床的操作

SLM-K97焊接机床比较灵活，SLM-K97焊接机床操作部位较多,按其操作部位不同可分为主机操作、机械手操作的选择等。

1.2.1 SLM-K97焊接机床工作过程

利用机械手将锯片装卡到发兰盘上，凸轮张开锯片到达焊接位置激光探头扫描齿距（对于不同的锯片激光探头扫描的位置也并不相同，主要分为3种：对于大齿距以及大齿背的锯片，激光探头扫描的位置在两个齿座之间；对于小齿距和小齿背的锯片来说激光探头扫描的位置在相邻的齿座上；对于齿座密集的锯片来说激光探头扫描的位置则在正在焊接的齿座上），锯片旋转齿座到达焊接位置停止，同时头选择器将正确的刀头记入机床系统中，通过振动筛利用其3个振荡器利用振动的原理将刀头输送到传送带上，刀头传送带可以根据刀头宽度进行调节，在这一过程中刀头会经过刀头感应器，刀头感应器会将系统中所记录刀头的模样允许正确的刀头通过，错误的刀头则会被刀头清除器吹到震动筛内（刀头清除器的工作原理是当它接到刀头感应器给它的指示后，它的气阀开关就会打开并在第一时间将错误的刀头吹到振动筛内）。

刀头进入传送槽中会由刀头传送钳夹着经过第二个焊剂枪，当经过第一焊剂枪

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时，第一焊剂枪会从焊剂罐中将焊剂抽出来并喷到刀头表面上，在这同时焊片输送器会将焊片输送到焊片吸头的上方，由焊片吸头将其焊片折弯并裁减下来，焊片吸头会吸住焊片将其送到刀头的正上方，然后将其扣到刀头上，此时刀头传送钳会带着扣有焊片的刀头经过第二焊剂枪上，第二焊剂枪将焊剂喷到焊片上，然后刀头会被刀头传送钳送到焊钳上，同时锯片到达焊接位置后由焊钳将刀头送入感应圈内与锯片齿座啮合，当二者都处于焊接位置时，按启动钮机床将刀头焊接到锯片上。在焊接时当焊接温度达到最高点时，焊钳会给予刀头二次夹紧的力从而保证焊接的质量。锯片停止旋转，凸轮张开锯片后退，机械手将锯片取下。

1.2.2机床运行前的准备工作 1.开机顺序

(1)为设备接通冷却水，并保证冷却水的流量和压力足够，且水质清洁。 (2)为设备接通电源，16KVA机型为单相220V 50-60Hz其余机型均为三相四线380V 50-60Hz.

(3)打开设备前面板控制开关，进行操作。

2.机床运行前的准备工作

(1)打开气阀再打开电源，等待气压达到6个或6个以上气压之后才能开启机床，如果没有达到这个标准机床将不能被开启。

(2)机床开启后，要将机床复位，保证各项部件都在初始位置。

(3)备料：经过检验合格的基体成品；经过进厂检验合格的相应硬质合金锯片；经过检验合格的银焊片。打毛刺，清洗齿座，将锯片齿座周围的毛刺打磨干净，然后利用丙酮将齿座清洗干净；涂焊剂，将调好的焊剂用刷子给齿座及齿根上刷上焊剂。根据刀头的长、宽、高来选择所需要的焊片，选择焊片时，焊片要比刀头窄0.2mm,焊片的厚度要宽0.2mm锯片的厚度，选择好焊片后，将焊片圈用焊片圈锁将其锁住，将焊片抽出一截送入焊片阀，然后根据刀头的厚度调节焊片的弯度。

(4)将两个焊剂枪中的干燥剂和残留空气排除，保证正常的焊剂能够喷到焊片和刀头上。

(5)利用高温计光源调节时所达到的温度，以保证焊接的质量。第一焊剂枪应调到距刀头前2-3mm的位置；第二焊剂枪应调到距刀头前3-4mm的位置；如果低于

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这个距离焊剂枪的喷管会与刀头发生摩擦从而将刀头脱离刀头传送钳。

(6)焊接确保各个空气开关能够打开，如若打不开请检查事故原因从而将其解决。

（7）调整激光束的位置，激光束的位置根据齿距的密度来进行调节，主要有三种位置：

①大齿背锯片：调整光束，越过感应线圈直射齿背。 ②大齿距锯片：调整光束越过感应线圈直射锯齿中点。

③小齿距和小齿背锯片：调整光束，在感应线圈上面直射相邻的齿背。

（8）调整焊接角度时要保证刀头与基体没有空隙；调整刀头与齿跟的位置，刀头与齿跟的啮合点应有0.5mm的空隙（在焊接时当焊接温度达到最高点时，焊钳会给予刀头二次夹紧的力从而保证焊接的质量）。

（9）试焊，用对称度测量仪器检测刀头对称度，检查合格是开始大批量生产。

1.2.3操作焊接机床时的安全规程

1.在操作机床前必须穿戴相应劳保用品，以防止造成人身伤害。 2.调整好高频发生器，必须先关闭指示等后才能开始焊接。 3.调整机床是必须按照机床调整程序进行。 4.调整分度时间时，眼睛不能直视红线。

5.调整机械手磁力时，必须由大到小，防止磁力过小，锯片吸不牢固，锯片掉下来损伤操作人员和损伤机床。

6.非专业人员严禁在带电情况下维护、操作、拆卸机床。

1.2.4各部分功能及操作 1.电源电压数显表

当设备接通电源时，即开始工作，并显示电源电压。

2.振荡电流数显表

在加热状态下，此数显表显示设备内部的振荡电流大小，一般在100-1900之

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间变化，视所选用机型和工作功率大小而定，停止状态下显示“-000”。此数显表所显示的数值与实际振荡电流成一比例变化，不能作为计算和工程量化所用，而只能作为一种定性地观察设备的运行状态的方式。

3.功率调节旋钮

在加热时，调节此旋钮可以调节功率，满足不同加热温度和速度的需要。

4.工作状态显示（仅限100KVA）

显示设备当前工作状态。

5.加热按钮

在待机状态下，按一下此按钮，设备进行加热操作。

6.停止按钮

在加热状态下按以下此按钮，设备从加热状态转为停止状态。

7.水温报警指示灯

此指示灯亮，并发出持续蜂鸣声，指示关键器件过热，设备自动停止工作。

8.水压报警指示灯

当设备冷却水的水压过低或断水，此指示灯亮，并发出持续蜂鸣声，设备自动停止加热。

9.过流报警指示灯

此指示灯亮，并发出持续蜂鸣声，设备自动停止工作，指示设备可能出现以下故障：

（1）设备内部温度过高 （2）被加热工件接触感应器 （3）有干扰信号

（4）感应器匝间短路

10.过压报警指示灯

当电源电压超过规定范围（16KVA 为 180-240V，其余各机型均为320-420V），

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此指示灯亮，并发出持续蜂鸣声，设备自动停止加热。

11.加热指示灯

设备在正常加热时，此指示灯处于闪烁状态。同时伴有蜂鸣器发出的“滴-滴-”声响。

12.电源指示灯

当设备以接通电源并按下控制开关时，此指示灯亮，表示设备已处于待机状态。

13.程控Ⅰ

时间控制用。

14.程控Ⅱ

时间控制用。

15.转换Ⅱ

程控时的切换。

16.转换Ⅰ

程控时的切换。

17.转换开关（仅限100KVA） 。

进行远控、遥控、程控等控制方式的切换。

18.远控插口

用来连接远控开关或脚踏开关，以实现远控操作。

19.控制电源开关

此开关为设备控制电路电源开关，当按下此开关且不加热时，前面板上的振荡电流表显示为“-000”，电源指示灯亮，当需要关掉控制电路中的电源时，36KVA/46KVA/100KVA右旋此按钮，即可切断控制电路电源。

20.感应器接口

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连接各种形式的感应器以方便用户在各种场合的应用。

1.2.5控制操作及设置

本系列设备的各种控制操作均可在前面板所提供的功能完成。SLM-K97机型还能实现程控操作和遥控（仅限SLM-K97操作）操作。

1.利用按钮在待机状态下实现启动停止控制，在待机状态下，按一下加热按钮，设备将开始加热操作，直到按停止按钮时止。

2.利用远控接口配备以脚踏开关在待机状态下实现点动控制，来替代面板上的按钮操作。当踏住脚踏开关不放时，设备开始加热，直至松开脚踏开关为止。

3. SLM-K97机型在一些较为有规律性加热的使用场合，可以考虑利用转换开关Ⅰ和Ⅱ及程控Ⅰ和Ⅱ进行程控加热操作，以减少繁琐的按钮或脚踏开关操作。

（1）实现自动加热时间控制的设定（即不进行间歇时间的设定），操作步骤如下：

①打开程控Ⅰ外透明保护盒，进行加热时间设置。

②按下转换Ⅰ，设备即开始加热，程控Ⅰ开始计时，直至设置时间结束，自动停止此次加热。

③第一次程控结束后，再按一次加热按钮，将开始新一轮的程控加热，依次循环操作。

④如果需要解除此项设置操作，按一下转换Ⅰ即可。

（2）实现有规律的加热、停止的循环操作设定，操作步骤如下： ①打开程控Ⅰ外透明保护盒，进行加热时间设置。 ②打开程控Ⅱ外透明保护盒，进行加热时间设置。

③同时按下转换开关Ⅰ和Ⅱ（也可以按下转换Ⅰ，再按转换Ⅱ），此时设备即进行循环控制。

④如果需要解除此项设置操作，同时按下转换开关Ⅰ和Ⅱ即可。 注：

当进行程控的解除操作时，设备将保持加热状态，直接的解除方法是：先右旋控制开关，切断控制电路的电源，后按转换开关即可解除。

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第2章 SLM-K97焊齿机床影响焊接的因素

2.1焊接的原则

由于是高频纤焊，工艺中的焊接温度在操作中可以根据实际操作进行适当调整。一般原则为刀头厚度为4mm，长度在8-10mm的调整范围在660-700摄氏度之间；焊接时间在5-6秒不能低于4秒，复焊次数在2-3次。

刀头宽3.0-3.8mm（刀头距线圈单侧0.6mm左右），焊接温度为730摄氏度，加热时间为1.5秒，冷却时间也为1.5秒，回火时间：回火转动时间视具体情况而定。 硬质合金的线膨胀系数为基体材料的二分之一到三分之一左右，因此加热时间不能过快或过慢，加热过快刀片与基体、刀片表面与内部温差太大，致使膨胀或收缩应力过大造成裂纹，刀片规格越大此现象越严重，加热过慢合金片在空气中热致950-1000摄氏度时会产生急剧氧化，所形成的氧化薄膜上的空隙使合金变脆，从而降低合金的机械性能。

焊接要求焊缝应有足够的强度，硬质合金片上不应有裂纹，在焊接层及合金片中不应有剩于应力。刀头要求无油、表面光洁、倒角为圆角；焊接温度比焊料熔点高30-50摄氏度，在达到焊接温度时要保温4-15秒，以使焊接表面上的温度均匀。 焊接要求正确的焊缝均无黑斑。未填满焊料的焊缝不大于焊缝总长的百分之三，焊缝的宽度应不大于.15mm。

硬质合金的裂纹若是粗而深的发裂纹则是焊接裂纹，细而不规则的网状裂纹则是刃磨是产生的裂纹。

1.高频焊接常见的问题及其原因，解决方法

（1）焊接不牢，脱焊，冷叠； 原因：输出功率和压力太小； 解决方法： ① 调整功率；

② 厚料管坯改变坡口形状； ③ 调节挤压力

（2）焊缝两边出现波纹；

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