陽極激光焊接改造系統實施方案(10頁).doc
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2024-03-22
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1、一、 改造背景:1.1 行業背景燒堿和氯氣是重要的化工根底原料,在我國的國民經濟中占有重要的位置。離子膜電解槽是離子膜法制燒堿的關鍵裝置。依據企業自身進展的需求,針對目前電解槽陰陽極網電阻點焊存在的質量問題,打算承受一種先進的焊接技術,替代現有的電阻焊接工藝,以提高生產效率和產品質量穩定性。針對電解槽陰陽極網的材料和構造,進展了激光焊接工藝試驗爭辯,試驗結果說明承受激光技術焊接電解槽陰陽極網是可行的。在此根底上,將從日本村田機械公司購置SL3015-36C數控激光切割機改造成離子膜電解槽陰陽極網激光焊接機。1.2 可行性分析北京化工機械廠將要改造的 SL3015-36C數控激光切割系統承受MI2、TSUBISHI公司生產的 ML5036D型 CO2激光器,功率為 3600W,激光模式為TEM01。激光器光束模式通常用 TEMmn表示,可分為三種類型:基模、低階模和高階模。m、n數值越小,模式的階次越低,光束質量越好,其中 TEM00為基模,光束質量最好。光束模式為基?;蛘叩碗A模的激光器可以用來切割和焊接。ML5036D型激光器光束模式為 TEM01,屬于低階模激光光束,可以用來切割和焊接。針對電解槽陰陽極網同支撐條的焊接,我們進展了先期焊接可行性爭辯。電解槽支撐條的材料為純鈦,極網的材料為純鈦鍍銥。焊接類型為搭接焊接。通過焊接試驗,獲得了成形良好的焊縫。進展電解槽陰陽極網焊接工藝試驗爭3、辯所使用的激光器為德國 Rofin-Sinar公司生產的 DC-035型 CO2激光器,功率為 3500W,激光模式為 TEM00,焊接試驗使用功率為 1500W,焊接速度為 3m/min。在一樣的輸入功率狀況下,激光器聚焦光斑的大小打算了聚焦光斑后的功率密度。只要在功率密度到達肯定數值,激光器才可以用來切割和焊接。如圖 1所示,激光光束經透鏡聚焦后,其聚焦光斑直徑如公式所述。雖然ML5036D型激光器的光束質量要比 DC-035型激光器差大約一倍,但是可以通過合理的激光光束聚焦系統的設計,獲得焊接所需要的聚焦光斑大小和功率密度。圖 1光束聚焦光斑特性示意圖所以將SL3015-36C數控激光切4、割系統改造為離子膜電解槽陰陽極網激光焊接系統,在激光器加工力量上和焊接工藝上,都是可行的。另外,SL3015-36C數控激光切割系統承受激光長號的等光路設計思想,有效的避開了飛行光束所擁有的焦點漂移特性對焊接質量穩定性的影響。這點在在大幅面激光焊接中尤其重要。離子膜電解槽的焊接幅面為2278mm1155mm,屬于大幅面激光焊接。假設沒有等光程的光路設計,由于飛行光束焦點漂移的特性,必定引起焊接質量的不穩定。而SL3015-36C數控激光切割系統的等光程設計,確保了將其改造為激光焊接系統的可行性以及離子膜電解槽陽極網激光焊接的穩定性。焦點漂移,飛行光束均可作為理論分析,也是亮點所在二、改造原則:5、原系統購置的目的是為了切割離子膜電解槽所用構造件,要求在改造為激光焊接設備后,在功能和構造上不影響到原數控激光切割機床系統,并可以完全恢復原有激光切割系統的功能。因此,設備改造的根本原則是充分利用原系統的機械構造、電氣把握、通訊協議及功能操作。三、改造方案3.1 總體思路該工程是將電解槽陰陽極網同支撐條通過斷續焊連接起來,支撐條的材料為純鈦,極網的材料為純鈦鍍銥。在焊接接頭類型上,支撐條及極網屬于激光搭接焊,依據工藝要求,在焊接過程中,極網同支撐條之間不能有間隙,否則會造成兩者不能完全焊合。所以在焊接過程中,應當使用壓緊工裝系統將二者壓緊。壓緊工裝系統的設計有兩種方案,一種是將工裝系統預制在電6、解槽框架或者焊接工作臺上,工裝對整張極網中各焊縫位置分別加壓。這樣方法的優點是可以保證極網同支撐板之間可以完全貼合;缺點是工裝系統中每條焊縫的壓力裝置會在空間上占據 Z軸的格外有限的構造空間和運行空間。另一種方法是將壓緊工裝系統安裝在焊接頭上,隨著焊接過程的進展,動態地壓緊焊接區。本工程選擇其次種壓緊方式,由于這種方法在設計上可以充分利用 Z軸的運動,協作壓力傳感器的使用,做到壓點準確,壓力準確,體積小,重量輕。動態壓緊的壓力磙子要在保持對極網壓力的狀況下滾動,所以壓力磙子對極網的壓力不能過大,否則會造成極網的變形或者破損極網外表鍍的銥層,必需承受壓力傳感裝置。為了充分利用現有系統的功能,不更7、改原有切割機床把握系統的運行,擬承受原系統的切割頭高度調整跟蹤功能來調整壓力磙子對極網的壓力。切割頭高度調整跟蹤系統可以很準確地反映切割工作頭同參考平面之間的距離,從而可以很好的保證壓力磙子同極網之間的壓力。另外在與系統的通訊上,也不需要更改原有把握系統操作程序,從而在充分利用原有切割程序的狀況下進展焊接。3.2 改造主要內容依據焊接工藝的要求,該工程在構造上大體上分為以下五個主要內容:1) 、焊接頭及壓緊系統改造。2) 、電氣把握系統改造。3) 、焊接工作臺改造。4) 、系統安裝調試。5) 、焊接工藝及軟件系統編制。3.3 具體方案3.3.1 焊接頭及壓緊系統焊接頭及壓緊系統主要包括焊接工作8、頭系統、壓力磙子系統、高度調整系統、焊接排氣系統四局部。3.3.1.1 焊接工作頭系統主要包括聚焦系統、冷卻系統、橫向氣簾裝置crossjet、光致等離子體把握及焊接熔池和高溫焊縫保護噴嘴裝置。聚焦系統主要有聚焦鏡、安裝定位裝置組成。依據焊接工藝要求設計計算聚焦系統光學參數。在激光焊接過程中,反射光產生的熱量很大,導致焊接頭溫度較高,所以需要對聚焦鏡座體進展冷卻。由于在激光焊接過程中,會產生飛濺物及焊接煙塵,假設不做處理,這些物質就會污染聚焦透鏡。橫向氣簾裝置可以在光路橫截面上噴出超音速氣流,有效的保護聚焦透鏡不被污染。焊接光致等離子體是激光焊接的一大特點,假設不賜予把握,光致等離子體會導致焊9、接過程的不穩定,所以需要用特別的裝置加以把握,保證激光焊接過程的穩定進展。此外,鈦是一種活潑金屬,在高溫條件下,鈦及鈦合金會與很多氣體發生猛烈反響。在250C時開頭吸氫、400C開頭吸氧、600C開頭吸氮,并隨溫度上升,Ti吸取氣體力量更強。鈦及鈦合金少量吸取這些氣體后,氣體原子將以間隙或置換的形式固溶在晶格中,轉變材料的原始晶格排列,降低鈦及鈦合金的性能;隨著時間的增加,氣體以過飽和的形式存在,并易于形成晶間化合物,嚴峻惡化材料的綜合性能。 因此必需對焊接熔池及高溫焊縫進展有效保護。3.3.1.2 壓力滾輪系統包括滾輪壓緊及運動系統,支撐及分別系統,焊接隨動系統基準系統等。滾輪壓緊及運動系統10、主要用來壓緊極網同支撐條,保證兩者嚴密貼合。支撐及分別系統可以保證在 Z軸下降的時候,在隨動把握系統起作用的時候,滾輪壓緊極網時所賜予極網的壓力在壓緊極網同支撐條的同時,對極網的壓力和沖擊力不會過大而導致極網產生變形。在 Z軸升起的時候,既可以保證隨動把握系統的切割頭同高度調整參考面順當分別,隨動系統不會賜予錯誤警告,又可以抬升壓力磙子離開極網外表,保證焊接頭順當沿著 X方向移動。3.3.1.3 高度調整系統承受同原有焊接系統一樣的焊接隨動系統,該系統由 PRECITEC公司供貨,型號為 AKHP2。針對焊接工藝及原系統切割頭空間的特別性,需要進展相應的調整來滿足系統的要求。3.3.1.4 焊11、接排氣系統焊接過程產生的煙塵對人體安康有害,同時由于現有激光加工頭空間狹窄,橫向氣簾裝置吹出的超音速氣流撞擊柜壁的反沖氣流干擾保護氣流,影響焊接質量,所以要通過特地的排氣系統將其進展導出。焊接頭系統示意圖如圖 2所示:圖 2: 焊接頭系統示意圖3.3.2 電氣把握系統改進后的焊接系統,不轉變原有操作和把握系統,還是通過原把握單元操作面板來操作和把握機床。焊接工藝同切割工藝相比,有很大的不同。在焊接電解槽電解極網中,要使用三種氣體:壓縮空氣:氣壓4bar;氬氣:氣壓0.2bar;氦氣:氣壓0.2bar。圖 3:系統氣路管線接口面板圖 3 為現系統氣路管線接口面扳。接口 1為關心氣體氧氣接入口。接12、口 2為關心氣體空氣接入口。接口 3為關心氣體氮氣接入口。接口 4為高壓空氣接入口。其中氧氣、氮氣氣源可以由氣瓶供給,通過電磁閥進展氣體類型的轉換。并且可以在把握單元調整壓力。在程序中,開接口 1氧氣對應命令為 M32;開接口 2關心空氣對應命令為 M33;開接口 3氮氣對應命令為 M34。所以在焊接過程中,可以將氬氣和氦氣氣瓶經過減壓表和流量計后,接入到接口 1和 3中。利用原系統中的壓縮空氣管路供給 CROSSJET氣源。假設在程序中,可以同時執行 M32、M33、M34命令,就可以格外便利的通過焊接程序的編寫把握焊接氣體的關斷。假設程序中不能同時執行 M32、M33、M34命令,則可以通13、過增加相應的電磁閥及電氣聯動把握,做到依據焊接工藝的要求準時開,關氬氣、氦氣及 CROSSJET用壓縮空氣。3.3.3 焊接工作臺該焊接工作臺主要在原有激光切割機床集裝架交換裝置的根底上,將兩個切割工作臺更換為焊接工作臺。焊接工藝對工作臺平面度和穩定度的要求要高于切割工作臺,另外電解槽的厚度會占據 Z軸的運動行程和空間,所以不能用切割工作臺頂齒來支撐焊接工作臺。假設在原有切割工作臺的根底上改進,則焊接工作臺的設計、安裝和調試會受到切割工作臺原有設計思想的諸多限制,所以重設計制造焊接工作臺。原 切 割 工 作 臺 幅 面 為 3200mm*1740mm, 焊 接 工 件 的 尺 寸 為2700m14、m*1400mm去掉兩側螺紋連接的把手,原集裝架交換裝置允許臺面高度為 230mm以切割工作臺支撐方鋼底面為起零點,焊接工件高度為 60mm,所以用原切割工作臺的外形作為焊接工作臺的外框尺寸,可以滿足工藝要求及交換臺的安裝運動要求。焊接工作臺主體外框為方鋼焊接構造,在 X軸方向兩側加支撐板條,底面加支撐板條,底面支撐板條同側面支撐板條之間連接加強筋,使之成為剛性構造體。通過外殼框體同交換臺連接。在焊接工作臺上安裝四個支撐面,用來支撐電解槽框體。該四個支撐面在高度方向可以進展調整,保證電解槽安裝就位根本水平。在焊接工作臺上安裝焊接工件的基準定位面和裝夾裝置,保證焊接工件的安裝全都性及焊接過程中的15、穩定性,保證焊接工作的全都性。利用焊接工件的原有外形特點,在焊接工作臺面上預留吊裝及搬運空間,便于更換工件。在使用焊接工作臺的狀況下,原集裝架交換裝置中的頂起系統要停頓使用。設計上保證焊接工作臺上電解極網的高度不超過切割工作臺支撐齒條的齒尖高度,焊接工作臺底部不低于原切割工作臺底部,保證在集裝架交換工作的時候,不會發生電解極網同機床床身及集裝架交換裝置發生干預的現象。為了保證整體焊接構造不發生變形,整體進展去應力回火處理。圖 4:焊接工作臺示意圖3.3.4 系統安裝調試在系統設計過程中,需要進展 Z軸系統的模擬試驗。在設計過程中,需增加試驗用系統的設計及相應工裝系統的設計、加工、安裝。在完成組16、裝各個功能部件之后,需要對系統整體進展安裝調試。通過系統運行來檢測各個功能部件是否到達設計要求,進而在功能和構造上完善各個功能部件的設計。3.3.5 焊接工藝在設備改造完成之后,需要進展焊接工藝的試驗,確定最正確的工藝參數。四、焊接工藝流程及程序編制針對激光焊接的特點,以及保證焊接過程牢靠穩定的要求,保障安全高效率的焊接生產,初步制定如下的焊接工序。由于工件外形和尺寸的要求,焊接只能沿 Y軸方向進展焊接。由于是斷續焊接,為了提高效率,在完成單道焊縫焊接時,Z 軸不抬起,而是沿 Y方向運動到下一條焊縫的起點,進展焊接,以此類推,焊接頭運動到起始原點焊接頭運動到單排焊接起始點Z 軸下降,壓力磙子壓17、緊焊網焊接頭運動到焊縫焊接起點開焊接氣體及CROSS JET 保護氣開光焊接關光關閉焊接氣體及CROSS JET 保護氣否是否單排完成是Z 軸升起, 壓力磙子升起否是否全部完成是焊接頭回到起始原點直到單排焊縫完成。在完成單排焊縫焊接時,Z軸抬起,焊接頭運動到下一排支撐條的 Y軸起始點位置,如上所述,完成此排焊接工作。以此類推,直到完成整個電解槽陰陽極網的焊接工作。圖 5 為焊接工序流程框圖。圖 5:焊接工序流程框圖五 、焊接氣體消耗本錢估算氦氣和氬氣作為激光焊接關心氣體,起到穩定焊接過程及保護焊縫的作用。激光切割時消耗關心氣體為氮氣和氧氣,激光焊接時消耗關心氣體主要為氦氣和氬氣。激光焊接電解槽陰陽極網的關心氣體消耗為:氦氣為 10L/min;氬氣為10L/min。以焊接速度 2m/min保守計算,消耗的關心氣體費用大約為 0.8元/米焊縫。注:氦氣及氬氣為瓶裝氣體,容積為 6M3。氦氣:800元/瓶;氬氣:80元/瓶。