【摘要】主要介绍激光器封帽工艺理论，针对封帽速度与封帽质量相冲突的问题，对气动控制系统及控制时序进行分析设计，通过变压力控制气缸运动，解决末端冲击问题，从而有效保障封帽质量与速度。
【关键词】封帽工艺；气动控制系统
1前言
在激光器生产中，封帽工艺是一个关键性环节，它对产品的气密性和机械性能有很大影响，进而影响产品的质量和可靠性。其工作原理是：通过上下电极对管壳和管帽施加压力，当两者轻轻接触时，即开始通电产生电阻热，并有接触点加热所形成的液态金属过梁（两焊件端面的液态金属小桥）爆破的火花喷射，形成连续的闪光（液态金属过梁不断形成和爆破的过程）。当闪光加热达到适当温度时，上电极施加锻压力，使管壳和管帽端面互相挤压，随即切断电流，焊接区发生强烈塑性变形，接合面处交互结晶，形成牢固接头，将管壳和管帽焊接在一起。封帽工艺的技术关键为电极加压系统和焊接电源放电系统，当电极压力过小时，接触电阻增大，电流密度过大，加热速度过快，从而产生喷溅；当电极压力过大时，焊接区域接触面积增加，接触电阻减小，产生的电阻热减小，将造成未熔合、脱焊等缺陷。而在冷却结晶时，合适的压力可以防止缩孔及裂纹等缺陷的产生。目前，激光器封帽加压系统主要有电机加压和气缸加压两种方式。电机加压时，长行程速度容易控制，但是压力调节范围小，且价格昂贵，而气缸加压时，压力调节范围大，但是长行程速度不易控制，因此气缸加压时，只针对末端速度进行控制，避免冲击导致产品质量问题。目前封帽机气缸加压系统有以下两类：（1）恒压力加压系统：无法解决末端冲击，封帽质量和封帽速度相冲突；（2）气缸双行程加压系统：有辅助行程，可避免末端冲击，但气缸结构复杂。本文针对气动控制系统及控制时序进行分析设计，通过变压力控制气缸运动，解决末端冲击问题，从而有效保障了封帽质量与速度。
2气动控制系统设计
一个完善的气动系统，在实现工作循环的前提下必须保证系统安全、可靠，长时间无故障运行，工作状态稳定，易于维修、调试；封帽是通过气缸驱动上电极垂直往复运动完成焊接过程的，封帽机构简图如图1所示。上电极用于吸取管帽，下电极用于吸取管壳，光电传感器SQ1用于检测气缸上端位置，磁性开关SQ2提供上电极上升减速信号，磁性开关SQ3提供上电极下降减速信号，光电传感器SQ4提供管帽和管壳接触信号。此处气缸用来施加压力，故此处气缸行程比上电极和下电极间距大（此处为10mm），确保管帽和管壳接触后，气缸压力全部施加到电极上。封帽机构的气动原理图如图2所示，由气源、增压阀01、气罐02、过滤器03、减压阀04、调速阀05、调速阀06、单向阀07、气缸08、电气比例阀09、调速阀10、调速阀11、调速阀12、单向阀13、压力传感器SP1、电磁阀YV1、电磁阀YV2、电磁阀YV3、电磁阀YV4等组成。
2.1辅助气源系统
为保证封帽时气缸所需流量及压力，使封帽不受气源压力波动影响，气源经过增压阀01和气罐02为气缸供气，设置增压阀输出压力为0.7MPa以上，则电气比例阀09输出压力调节范围为0.005～0.7MPa，可满足不同材质管帽和管壳焊接所需压力。增压阀01选用日本SMCVBA系列增压阀，由该系列增压阀的工作原理可知，增压后气体通过单向阀输出。这样设备断气后，气罐02内部储存压缩气体可防止封帽气缸活塞杆下坠。电气比例阀09为日本SMCITV系列电气比例阀，电气比例阀原理图如图3所示，当电气比例阀断电时，输出口（OUT）的压缩气体将通过排气口（EXH）排走，使输出口压力趋于0MPa，将导致封帽气缸活塞杆下坠。为保证设备未通电或者工作时突然断电时封帽气缸活塞杆在上端，将电磁阀YV4的常闭口1和单向阀07“并联”接到电气比例阀09输出口2，将电磁阀04的常开口3和调速阀11“串联”接到电气比例阀09输入口1。设备正常工作时，电磁阀YV4一直通电，其1口和2口连通，电气比例阀输出压缩空气通过单向阀07和电磁阀YV4给气缸供气；当设备断电时，电磁阀YV4的2口和3口连通，电气比例阀09输出压力为0MPa，并且其输出口2和排气口3相通，此时气罐内压缩空气通过调速阀11进入气缸，单向阀07可防止压缩气体通过电气比例阀泄漏。此处电磁阀YV4主要起到断电保护作用，由于电气比例阀调节压力范围为0.005～0.7MPa，故电磁阀YV4选用直动式电磁阀，其流通能力较低，故与单向阀07并联使用。
2.2封帽气缸控制系统
封帽工艺的电极压力靠气缸加压完成，为保证压力一致性，封帽气缸08选用日本SMCCG1Y系列低摩擦气缸（气缸活塞截面积为S1，活塞杆截面积为S2），降低活塞和缸筒间摩擦力对电极压力的影响。封帽开始之前，电磁阀YV1和电磁阀YV2未通电，气缸活塞杆处于缩回状态，上电极处于上端。封帽时，电磁阀YV1和电磁阀YV2同时通电，并将电气比例阀09输出压力设置较大，在大压力及自重作用下，气缸活塞杆快速伸出趋近下电极；当磁性开关SQ3有信号时，电磁阀YV2断电，电气比例阀09输出压力设置为压力P1，气缸活塞两侧均有气压，且通过调节调速阀12可以控制气缸活塞杆减速下降，使上电极上管帽和下电极上管壳“软接触”，避免撞击使管壳产生压痕或管壳玻璃绝缘子产生裂纹，接触后产生力为预压力：F预=P1×S2；管帽和管壳接触时，光电传感器SQ4有信号，延时一段时间，电磁阀YV2通电，气缸有杆腔通过调速阀10排气，当有缸腔压力降低到压力传感器SP1设置压力时，焊接电源放电，当有缸腔压力降低到0MPa时，产生锻压力达到最大，此时锻压力：F锻=P1×S1，并保压一段时间，即完成管帽和管壳焊接，此过程排气所用调速阀10为大流量调速阀，可使锻压力瞬间加在熔核上，使熔核凝固致密并抵消大部分收缩应力而获得高质量焊缝；保压结束后，电磁阀YV1和电磁阀YV2断电，电磁阀YV3通电，并将电气比例阀09输出压力设置较大，使气缸活塞杆缩回，此过程通过调速阀05（慢排）和调速阀06（快排）同时排气，可使活塞杆快速缩回；当磁性开关SQ2有信号时，电磁阀YV3断电，无杆腔通过调速阀05（慢排）排气，使活塞慢速达到末端，避免撞击。至此封帽工艺完成一次循环，封帽时电极压力变化如图4所示。通过上述封帽工艺流程可知，气缸活塞杆运动过程中通过电气比例阀设定不同压力、各电磁阀配合动作，使气缸在非焊接时间段保持快速运动，而在上电极和下电极趋于接触时，气缸活塞杆减速运动，使上电极和下电极以较小速度接近，冲击力很小，实现“软接触”。另外由于采用精密电气比例阀控制低摩擦气缸，可精准控制封帽焊接时的电极压力，本设备锻压力是靠背压腔排气产生，也可在此基础上通过电气比例阀调高压力产生更大锻压力满足不同行业的大尺寸产品封帽所需压力。
3结论
通过对气动控制系统及控制时序进行分析设计，采用电气比例阀设置不同压力驱动气缸在不同时间阶段以不同速度运动，实现管帽和管壳的“软接触”，在不降低整体效率的基础上解决了末端冲击问题；并且采用低摩擦气缸加压，可精准控制电极压力，大大提高封帽质量。
参考文献
[1]中国机械工程学会焊接学会.电阻焊理论与实践[M].北京:机械工业出版社,1994.
[2]张旭强,陈关龙,张延松,等.电阻点焊的伺服焊枪技术特性分析[J].焊接学报,2005,26(6):60-64.
[3]黄捷.谐振器封帽机气动系统设计[J].木工机床,2002,1:17-19.
[4]王雅民,邓约林.点凸焊机机头的改制[J].焊接技术,1997,1:26-27.
[5]王博,张勇,滕辉,等.电阻点焊电极压力在线监测[J].电焊机,2015,45(9):25-29.
[6]SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术（第三版）[M].北京:机械工业出版社,2008.
作者:阴增光 刘肖斌 王瑞鹏 姬臻杰 李晓燕 单位:中国电子科技集团公司第二研究所
