空调换热器弯头自动钎焊炉便捷测温装置的开发和应用

2020-12-28杨彧恺张鹏鹏赵越吴广宗

焊接 2020年9期

杨彧恺，张鹏鹏，赵越，吴广宗

(1.中国海洋大学,山东青岛266100；2.青岛海尔(胶州)空调器有限公司,山东青岛 266100)

0 前言

中国是家电制造大国，国内常见家用空调的两器(蒸发器、冷凝器)铜管和弯头的焊接，基本都已经采用隧道炉式火焰钎焊技术[1-2]，又称自动焊。该技术生产效率高，但也存在不足之处。目前的隧道炉仍需通过人工调节燃气和助燃气体的压力、流量以配比，火焰焰心与工件间的距离，线体传送带的速度等方式，间接进行钎焊火焰温度场的调整，由此带来的问题是：依赖员工经验程度高、标准化程度低和工艺难以复制，进一步影响到了空调行业提质增速。产生此类问题的核心原因在于缺少了温度检测这个环节，工艺调控缺少依据，尽管工艺上称之为自动焊，但实际上该生产过程自动化程度很低。因此，开发温度检测系统在实际生产中有迫切需求。

隧道炉的内部空间狭小，难以使用常规的接触式测温方式，同时由于铜管曲率大，采用非接触式测温方法精度低，这导致准确测量隧道炉内的火焰温度场存在困难。因此，文中经过生产现场调研，在孙克磊等人[3]的研究基础之上，开发出基于热电偶测温技术的分离式测温装置，可以模拟工件直接进入隧道炉中，用于测量炉内的火焰温度场，具有准确度高、成本低的优点。并根据测温结果，建立温度场回归方程，以探究装置对生产工艺的指导作用。

1 测温装置的研发

1.1 测温装置的设计要求

测温装置的设计如图1所示。经过生产现场考察调研，发现隧道炉以下几个特点：隧道炉内部空间狭小，如图1a所示；流水线各处存在工件限位的档杆，如图1b所示；隧道炉内火焰温度场是一个扁平的长条区域，如图1c所示。因此,测温装置的设计要求如下：①测温端和记录端需要分离，测温端单独进入隧道炉内测温；②测温端体积要求适中，上下线不影响正常作业；③装置需要搭载多个探头，且能方便快捷调整探头位置，以应对较宽的温度场区域。据此运用计算机辅助设计(Computer aided design, CAD)、电气控制等技术开发出了测温装置，如图1d所示。

图1 测温装置的设计

1.2 测温装置实物性能

测温端使用热电偶为K型热电偶，可以搭配信号变送器无线传输测温数据；热电偶搭载数量为3个，可以调整探头水平位置；采用数控丝杆导轨系统，可以精确便捷控制探头高度。记录端搭载了信号接收器，可无线接收热电偶测温数据；搭载了无纸记录仪，可以记录和存储测温数据。设计了高度为150 mm的底座，用于增大装置测温高度范围。装置箱体尺寸(不含热电偶探头)为600 mm×130 mm×490 mm，装置总质量12 kg，整套测温装置的各项性能参数见表1。

表1 测温端各项参数

2 装置实际使用要求和温度场模型建立

2.1 装置使用要求

该研究在某厂生产某一型号的冷凝器的生产线上开展，两器使用的焊环牌号为BCu93P。

考虑到探头在火焰中测温的准确性，避免因为热传导导致的测温结果不准，探头测温点应位于火焰温度场横截面水平线中心线的下方，如图2所示。而由于隧道炉内的火焰是一个扁平的的长条区域，可以认为它是上下关于水平中心线对称的，因此用装置测试火焰区域下半部分的数据，就可以反映出上半部分的数据。。

图2 探头测温点示意图

装置使用步骤主要包括：①预置装置：给热电偶安装电池，开启装置，预置探头位置；②上线测试：将装置放到流水线上，启动探头，让探头测温点与火焰中心高度相同，如图3所示，开始记录火焰数据；③下线回收：

图3 探头进入火焰区域

结束测温后，收回探头，从流水线上取下装置

2.2 温度场模型建立

根据前文所述，将焊点受热的温度场假设为一个二维的矩形区域，如图4所示，以温度场内竖直中心线和水平中心线作为横纵坐标，可以构建温度场内的相对坐标系，温度场内部各点的温度随时间变化。因此，设其表达式如式(1)所示。

T=f(x,y,t)

(1)

式中：x表示相对水平位置,mm；y表示相对高度,mm；t表示时间,s；T表示温度,℃。

图4 二维温度场示意图

以焊环发生明显熔化现象为准，经过实际观测，两器的焊环在火焰中的平均加热时间为16.37 s，平均熔化用时为11.23 s。同时，根据常见的两器焊点区域宽度和高度，确定温度场水平和竖直区域范围分别为20 mm和10 mm，以此作为探头测试位置的坐标范围，得到x与y的变量组合表，见表2。通过数个位置的温度测试数据，构建温度场统计回归数学模型。

表2 x，y变量组合表

3 数学模型计算结果

3.1 数学模型计算结果

按照表2的数据进行温度数据测试，每组进行3次取平均值，最终得到各组温度-时间的图像，如图5所示。

图5 装置性能测试的温度-时间图像

选取图中1～17 s的数据，根据解释变量x，y，t与被解释变量T的直观关系，可以构建基本模型为：

T=β0+β1x2+β2x+β3y2+β4t+ε

(2)

按照温度场模型可知，其上下对称，且左右两侧喷嘴数量一致，因此认为左右也对称，所以，去掉基本模型中x与y的一次项，得到改进的模型为：

T=β0+β1x2+β2y2+β3t+ε

(3)

使用MATLAB软件，根据测温数据计算，取置信水平α=0.05，且经过残差分析，得到温度场的多项式回归方程求解结果，见表3[4]。

表3 温度场回归方程求解结果

由表3可知，温度场模型的多项式回归方程为：

(4)

模型的R2=0.974 1，P值远远小于0.05，证明模型拟合程度较好。

根据模型，可以利用MATLAB的散点图工具绘制出温度场随时间变化的整体形态，如图6所示。

图6 温度场随时间变化的整体形态

由图6可知，整个温度场的温度总体随着时间推移而升高，温度场水平中心线附近温度较高，竖直中心线附近温度较低。

根据模型可得焊点明显熔化时刻(11～12 s)的温度场，如图7所示。可看出温度场两侧温度高，中间稍低，与孙克磊等人的测试结果较为符合。11～12 s两个时刻的温度场在730 ℃以上的区域至少达到20 mm长，6 mm高(如图8所示)，实际焊环BCu93P(磷比重6.6%～7.5%)的钎焊温度要求732～843 ℃[5]，指标性钎焊温度为730 ℃[6]，同时730 ℃以上的温度可以持续5～6 s，直到工件离开火焰区域，能够满足工艺保温需求，因此温度场模型较为符合实际情况。