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在我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，焊管產(chǎn)量居世界首位。但縱觀焊管產(chǎn)業(yè)，我國(guó)不銹鋼管焊接仍然多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的手工氬弧焊[4]。這種工藝效率較低，焊接后還需要采用矯正、補(bǔ)焊等工序來(lái)保證質(zhì)量，且設(shè)備規(guī)模大等缺點(diǎn)[5]。綜合這些問(wèn)題，本設(shè)計(jì)由激光特點(diǎn)出發(fā)，制造出傳統(tǒng)工藝所無(wú)法達(dá)到的高焊接速度、高生產(chǎn)率，并具有較低成本的簡(jiǎn)易設(shè)備。

1) 能量密度高 高功率激光束經(jīng)聚焦后,焦斑直徑很小,因此功率密度很高,可達(dá)105 ～108 W/ cm2 ,比電弧焊(5 ×102～104 W/ cm2 ) 要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí),能焊接高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度的材料。

2) 焊接質(zhì)量高　激光焊接時(shí)通過(guò)小孔效應(yīng),能獲得較大的焊接深度(深寬比可達(dá)2～12) ,且焊縫的組織致密、強(qiáng)度高。

3) 熱影響區(qū)和變形區(qū)都很小　激光焊接加熱及冷卻速度極高,其結(jié)晶速度比一般熔焊的高幾十倍,熱影響區(qū)很小,材料變形小,無(wú)需后續(xù)工序處理。

4) 可焊接不同材料的組合　可對(duì)高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、物理性質(zhì)差異較大的異種或同種金屬材料進(jìn)行焊接。

5) 激光焊接是無(wú)接觸加工　沒(méi)有工具損耗和工具調(diào)換等問(wèn)題。

6) 激光可通過(guò)玻璃焊接處于真空容器內(nèi)的工件及處于復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置的工件。

7) 激光束易于導(dǎo)向、聚焦,實(shí)現(xiàn)各方向變換　激光束能量可精密控制,移動(dòng)速度可調(diào),可以進(jìn)行多種焊接加工。

8) 激光焊接系統(tǒng)具有高的柔性　與CAD/ CAM或機(jī)器人聯(lián)合組成的焊接系統(tǒng)可形成多功能的激光加工系統(tǒng),焊接速度快,功效高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

自從20世紀(jì)六十年代初，CO2、YAG等激光器誕生后，他們?cè)诤附宇I(lǐng)域的應(yīng)用潛力便一起了人們的極大關(guān)注，因此激光技術(shù)很快就在焊接領(lǐng)域得到了應(yīng)用。早期的應(yīng)用是采用脈沖固體激光器，對(duì)薄小零件進(jìn)行點(diǎn)焊和縫焊，屬熱導(dǎo)焊。直到70年代，特別是近十幾年來(lái)，隨著高功率激光器的出現(xiàn)，激光深融焊得到了迅速的發(fā)展。

在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，激光焊接技術(shù)早已成熟，大量用于汽車、鋼鐵、航天航空、電子等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)目前激光焊接工藝正從實(shí)驗(yàn)室逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，先后完成了變速箱雙聯(lián)齒輪、熱軋硅鋼片、雙金屬鋸條的焊接等一批具有較高水平的激光焊接工藝研究課題，是我國(guó)激光焊接的應(yīng)用日益擴(kuò)展[7]。

(一) 數(shù)控機(jī)床焊管機(jī)

摘要：本實(shí)用新型提供一種數(shù)控激光焊管機(jī)，包括主機(jī)、數(shù)控操作臺(tái)、激光器、光路系統(tǒng)、焊接頭、氣動(dòng)及水冷機(jī)組、卷管生產(chǎn)線平臺(tái)，其特征在于：主機(jī)包括立柱、懸臂、焊接頭；所述立柱包括箱型體，箱箱型體通過(guò)螺釘固定在底座板上，立柱上安裝豎直驅(qū)動(dòng)裝置；懸臂與豎直驅(qū)動(dòng)裝置的絲杠螺母連接，可沿立柱上下移動(dòng)；懸臂內(nèi)安裝橫向驅(qū)動(dòng)裝置，溜板連接在橫向驅(qū)動(dòng)裝置上，焊接頭固定在溜板上，焊接頭可沿懸臂橫向移動(dòng)；光路系統(tǒng)由激光器橫向經(jīng)過(guò)立柱上方向下垂直于懸臂，再由懸臂至焊接頭；懸臂下方安放卷管生產(chǎn)線平臺(tái)及5-8組卷管輥?zhàn)咏M件，卷管生產(chǎn)線平臺(tái)上裝有走管測(cè)速裝置。

結(jié)構(gòu)示意圖：

綜合分析：本實(shí)用新型為數(shù)控激光焊管機(jī)結(jié)構(gòu)，包括主機(jī)、數(shù)控操作臺(tái)、激光器、光路系統(tǒng)、氣動(dòng)及水動(dòng)水冷機(jī)組等等多個(gè)部件組成。其優(yōu)點(diǎn)：可以高效率的完成焊接作業(yè)，與上下工序連接流暢，焊口部分可以有效地提供保護(hù)，提高焊接質(zhì)量，自動(dòng)化程度高等。缺點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。

(二) 焊管機(jī) （B21C 37/08）

摘要：一種焊管機(jī)，特別是能一次完成成品管外表面最終拋光工序的焊管機(jī)。現(xiàn)有焊管機(jī)需將管坯切斷后送至專用拋光機(jī)上拋光，效率低，成本高。本實(shí)用新型主要有機(jī)架、動(dòng)力裝置、成型輪輥、焊接裝置、焊瘤平整裝置、精整輥、切斷裝置構(gòu)成。在切斷裝置前增設(shè)了拋光裝置，省去了將管轉(zhuǎn)運(yùn)至拋光機(jī)和從拋光機(jī)上取下的時(shí)間，且提高了拋光效率。

結(jié)構(gòu)示意圖：

綜合分析：此發(fā)明為一個(gè)可以一次完成拋光的焊管機(jī)，大大降低了工業(yè)成本，提高了效率，使多個(gè)工序一次完成。優(yōu)點(diǎn)：多種工序一并完成，提高效率，降低工作成本。缺點(diǎn)：整體系統(tǒng)沒(méi)有關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而可靠性不易保證。如果某一部分失去作用容易引發(fā)系統(tǒng)故障。

(三) 焊管機(jī)組的等剛性機(jī)架

摘要：本發(fā)明屬于焊管生產(chǎn)線機(jī)組設(shè)備，特別涉及一種焊管機(jī)組的等剛性機(jī)架：包括底座、機(jī)架和驅(qū)動(dòng)軋輥的傳動(dòng)裝置。其特征在于：在底座上排列裝設(shè)三個(gè)以上的等剛性機(jī)架，所述的每個(gè)等剛性機(jī)架由機(jī)架、上水平輥機(jī)構(gòu)、上水平輥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、滑座、托板、液壓缸、下水平輥機(jī)構(gòu)、下水平輥機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、側(cè)立輥機(jī)構(gòu)和側(cè)立輥機(jī)構(gòu)組成，本發(fā)明不僅設(shè)計(jì)合理，機(jī)構(gòu)緊湊，即采用側(cè)向推出實(shí)現(xiàn)換輥操作的過(guò)程自動(dòng)化，又機(jī)架手里均勻，而且具有勞動(dòng)強(qiáng)度低，換輥快捷，節(jié)省換輥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，便于安裝制造、維修，成本低，操作安全以及使用十分方便等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)示意圖：

綜合分析：本實(shí)用新型為焊管機(jī)組的等剛性機(jī)架，可以方便的更換輪轂。對(duì)本次設(shè)計(jì)的夾具設(shè)計(jì)有一定的啟發(fā)作用。優(yōu)點(diǎn)：定位準(zhǔn)確，可以方便更換輪輥。缺點(diǎn)：換輥的操作復(fù)雜，不安全，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體大量重，不便于制造、安裝和維修，制造成本高。本次設(shè)計(jì)可以根據(jù)此專利來(lái)設(shè)計(jì)夾具。遵循設(shè)計(jì)原則，減少夾具的制造成本及復(fù)雜程度。

1) 機(jī)身整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)以激光為能源的焊管機(jī)，因此機(jī)身整體構(gòu)造較為復(fù)雜，激光能源冷卻系統(tǒng)龐大。

解決辦法：將整體結(jié)構(gòu)分為三部分：激光發(fā)生器，焊接工作臺(tái)，控制臺(tái)。

三者連接關(guān)系如下：

2) 激光發(fā)生器的選擇 激光發(fā)生器分為Nd:YAG和CO2激光發(fā)生器，其中CO2激光激發(fā)產(chǎn)生的光束波長(zhǎng)為10.6μm，普通玻璃透鏡不能適用該波長(zhǎng)的激光，會(huì)加大本次設(shè)計(jì)的成本。另外YAG激光可以通過(guò)光纖傳播，因此本次設(shè)計(jì)選用YAG激光。

解決辦法：選用YAG激光器應(yīng)用光纖與工作臺(tái)連接，使兩者連接簡(jiǎn)便，易于管理。

3) 夾具設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用直線焊接的方法，故夾具設(shè)計(jì)應(yīng)具有自進(jìn)給的能力。

解決辦法：參考專利（三）的方法設(shè)計(jì)。

1、 備用方案設(shè)計(jì)

1) 采用工件不動(dòng)，激光器運(yùn)動(dòng)的方式 本設(shè)計(jì)思想是通過(guò)改變反射鏡的位子來(lái)焊接管材。這樣做的好處是可以更好的焊接重量較大的工件。實(shí)現(xiàn)激光移動(dòng)較為方便，便于操作。缺點(diǎn)是行動(dòng)行程較短，不利于連續(xù)焊接。

2) 采用工件移動(dòng)，激光不動(dòng)的方式 本設(shè)計(jì)思想是通過(guò)夾具運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)。這樣做的好處是可以連續(xù)焊接，方便長(zhǎng)管焊接。缺點(diǎn)是重量大的工件慣性較大，應(yīng)用不利于應(yīng)用此方案。

根據(jù)本方案以加工輕型長(zhǎng)管為主，對(duì)比以上方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選擇第二種方案。

2、 選定方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3、 主要結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由工作臺(tái)、激光發(fā)生器、控制臺(tái)組成。其中，工作臺(tái)包括：立柱，懸臂，激光器，激光反射回路，夾具、保護(hù)氣裝置等；激光發(fā)生器包括：液體冷卻系統(tǒng)，激光發(fā)生裝置等。

4、 結(jié)構(gòu)原理

此結(jié)構(gòu)本著工件運(yùn)動(dòng)原則，應(yīng)用帶滾輪的夾具可以使工件延一個(gè)方向勻速運(yùn)動(dòng)。懸臂和立柱中步進(jìn)電機(jī)帶絲杠運(yùn)動(dòng)，可以使激光頭運(yùn)動(dòng)，便于工件的安裝。并且在懸臂中有激光反射鏡，用來(lái)調(diào)整激光方向。激光發(fā)射器選用Nd:YAG型，故應(yīng)用光纖與工作臺(tái)連接。工作臺(tái)內(nèi)有單片機(jī)，可以控制激光器和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

5、 基本參數(shù)

電源：交流輸入電壓：220V；

整體外形(工作臺(tái)初始位置)：高:1450mm 寬：1100mm

可加工工件直徑：φ15mm-φ150mm

懸臂、立柱可移動(dòng)距離：懸臂：200mm，立柱：300mm

激光器：Nd:YAG激光器，波長(zhǎng)1.06μm；

保護(hù)氣體：氬氣

控制器：MCS-51單片機(jī)

3月27日 ~ 4月3日：總裝圖設(shè)計(jì)開(kāi)始