CN107442904B - 一种制备钛合金车架的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备钛合金车架的方法，先将钛合金管材在数控切管机上下料，再对钛合金管材进行变形处理，组装并固定钛合金管材，然后采用焊接机器人焊接钛合金管材，使之形成钛合金车架；最后对钛合金车架进行抛光、检查、校正处理。本发明采用焊接机器人进行钛自行车架的焊接，通过接头焊接工艺，进一步提高焊接接头的可靠性，使自行车架的安全性能更好；通过设定焊接机器人的焊接参数，钛自行车架生产效率大大提高，焊缝外观也会有较大改善。

Description

一种制备钛合金车架的方法

技术领域

本发明属于钛合金领域，具体涉及一种制备钛合金车架的方法。

背景技术

自行车是第一个在中国普及的工业品，近5年来，尽管产量有所下降，因自行车单价仍在上升，行业整体收入仍有微弱增长。根据国家统计局数据，2015年全国自行车制造行业完成累计主营业务收入1500.41亿元，同比增长3.58％。利润总额同比增长3.7％，完成税金总额同比增长5.9％。2016 年，得益于产品价格的上涨，全国规模以上自行车制造企业累计主营业务收入同比增长4.8％，实现利润总额同比增长10.3％。

目前自行车需求主要有三大方向：第一是传统的作为代步工具的自行车；第二是作为运动健身的运动自行车；第三是以“共享单车”为代表的新型公共交通。代步工具自行车可视为自行车需求的“基本盘”，运动健身自行车和共享单车等新生需求则代表了自行车行业需求的增量。

我国是世界上最大的自行车生产国和出口国，国内自行车制造业一直在不断升级。无论从技术积累层面，还是市场培养方面来说，都起到了积极的作用。自行车制造产业链的不断高端化，填补了国内高端自行车制造与研发的空白，促进了市场的健康循环，中国自行车市场在全球自行车市场地位不断提升。

自从200多年前法国人西布拉克发明了自行车最原始的模型以来，自行车的发展始终不曾停下脚步。而应用于它的材料也在不断的探索当中，由最初的木制车架逐渐换到钢铁车架，到20世纪60年代出现的钛合金车架，再到铝合金、碳纤维以及其它复合材料车架的出现，其间距的时间越来越短，种类越来越多，综合性能也在不断提高。目前自行车架制造的趋势主要是朝着轻量化、高强度、舒适性以及低成本的综合方面发展，给予各种材料不能同时满足上述的要求，至今还没有一种材料可以在自行车领域占有垄断的地位。因此，如何通过生产工艺的进一步改善、添加元素或者先进复合工艺对上述材料进行改造，以期使其更适用于自行车车架材料的制造，依然是科研人员继续探寻的目标。

钛合金是航空航天产品中采用的高性能材料，具有卓越的金属材料性能，是目前国际上公认的生产各类比赛及休闲用高档自行车最先进、最理想的材料。钛合金突出的特点是重量轻，强度高，弹性好，抗冲击，疲劳性能好，耐腐蚀永不生锈。自行车特别是赛车要求重量轻、刚度好并且冲击性能好。重量轻可以提高速度，并在长距离运动时降低体力消耗；刚性好的自行车车架有利于驱动力的转换，并提高操纵性能；冲击吸收性好的自行车车架可以较好地减缓来自路面的冲击，从而减少车手的疲劳。

然而，钛合金的缺点有：钛的提炼及加工过程复杂，技术要求高，因此成本高。焊接成本高。由于钛和氧的亲和力极强，与空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，该部分的强度会不断下降。因此，钛车架的焊接必须使用惰性气体保护焊接。

对于制作自行车架来说，在众多的金属材料中，钛合金同时满足上述要求，因此它是十分理想的制作车架的材料。

目前国内钛自行车架的焊接均采用手工氩弧焊工艺，存在生产效率低，劳动强度大，焊接质量不稳定以及焊缝外观不佳等缺陷，国外钛架的焊接的技术文献鲜有报道，具体情况不详。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种制备钛合金车架的方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种制备钛合金车架的方法，包括以下步骤：

步骤一、将钛合金管材在数控切管机上下料，使钛合金管材的下料长度公差控制在±0.3mm范围内；

步骤二、对所述步骤一下料后的钛合金管材进行变形处理；

步骤三、使用焊接工装对步骤一或步骤二的钛合金管材进行组装，并固定在焊接变位机上；

步骤四、采用焊接机器人对所述焊接变位机上的钛合金管材进行焊接，以确保两根钛合金管材的焊接处平滑。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述步骤四之后还包括步骤五、对所述步骤四的焊缝外观进行检查，使钛合金车架不存在裂纹、未融合、气孔的焊接缺陷。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述步骤五之后还包括步骤六、使用校正工具消除所述步骤五的钛合金车架存在的焊接变形影响。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述步骤三的焊接工装包括与焊接变位机连接的车架定位台板、固定在所述车架定位台板上的前管定位块、立管定位块、上管定位块、立叉定位块、后叉接头定位块、平叉定位块、下管定位块、定位轴；

所述定位轴通过五通管的某一管口将下管、立管以及两支平叉管与五通管联接，所述定位轴与五通管的某一管口间隙配合；

所述后叉接头定位块用于固定两支后接插头，所述平叉定位块用于固定两支平叉管；所述立叉定位块用于固定两支立叉管；所述后接插头分别与平叉管、立叉管紧贴；

所述上管定位块将上管固定并紧贴在前管和立管上。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述焊接变位机与焊接系统联网，焊接状态下使得焊缝始终处于平位。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述焊接机器人的焊接电流为 60-120A、焊接速度为80-200mm/min、送丝速度为90-120cm/min。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述步骤四焊接之后还包括表面处理步骤：使用手工或机器人抛光的方法，先采用千叶轮将焊缝附近的氧化色去除干净，然后用布轮加抛光膏将焊缝周围抛成镜面。

上述的一种制备钛合金车架的方法，所述步骤四焊接之后还包括表面处理步骤：采用激光处理工艺，去除钛合金车架表面的氧化物。

本发明的有益效果：

1.本发明采用焊接机器人进行钛自行车架的焊接，通过接头焊接工艺，进一步提高焊接接头的可靠性，使自行车架的安全性能更好；

2.通过设定焊接机器人的焊接参数，钛自行车架生产效率大大提高，焊缝外观也会有较大改善。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是焊接工装的结构示意图。

图2是钛合金自行车自动焊接保护装置的结构示意图。

图中：1、焊接变位机；2、车架定位台板；3、前管定位块；4、上管定位块；5、立管定位块；6、立叉定位块；7、后叉接头定位块；8、平叉定位块；9、定位轴；10、下管定位块；21、保护罩；22、导气管；23、压板；24、金属纤维气体围帘。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1：

为了解决钛自行车架采用手工氩弧焊工艺，存在生产效率低，劳动强度大，焊接质量不稳定以及焊缝外观不佳等缺陷，本实施例提供了一种制备钛合金车架的方法，包括以下步骤：

步骤一、将钛合金管材在数控切管机上下料，使钛合金管材的下料长度公差控制在±0.3mm范围内；

步骤二、对步骤一下料后的钛合金管材进行变形处理；其中，自行车三角架上的钛管需要经过不同形式的变形处理，例如压扁、弯曲、缩径等工艺，需要根据不同款式的车架的具体要求进行加工；

步骤三、使用焊接工装对步骤一或步骤二的钛合金管材进行组装，并固定在焊接变位机上；

步骤四、采用焊接机器人对焊接变位机上的钛合金管材进行焊接，以确保两根钛合金管材的焊接处为相贯线；变位机与焊接系统联网，焊接状态下使得焊缝始终处于平位；焊接机器人的焊接电流为60-120A、焊接速度为80-200mm/min、送丝速度为90-120cm/min；

具体地，自行车架上的所有需要焊接的零件几乎全部为相贯线，采用机器人焊接时，对相贯线的加工精度要求比采用手工焊接更高，必须采用数控加工的方法，使焊接口部的形状保持精确一致。

前、后三角组立：为了保证三角架的组装精度，需要采用定位工装，将三角架各部分零件组装在一起。前、后三角架焊接：采用机器人进行自动焊接，焊接时将焊接工装固定在焊接变位机上，通过焊接变位机与机器人的相互配合，使焊缝始终处于平焊位置，便于改善焊缝成型。

步骤五、对步骤四的焊缝外观进行检查，使钛合金车架不存在裂纹、未融合、气孔的焊接缺陷；

步骤六、使用校正工具消除步骤五的钛合金车架存在的焊接变形影响。

需指出，本实施例的钛合金管材为采用冷轧工艺生产的，且具有高精度的钛合金管材，主要的规格有Φ19mm×0.8mm，Φ32mm×0.8mm，Φ35mm ×0.8mm，Φ40mm×3mm等。

下面详细描述焊接机器人的参数对本实施例焊缝宽度、焊接质量的影响情况：

当焊接机器人对规格为Φ19mm的钛合金车架立叉管及平叉管，在焊接基值电流为60A，峰值电流为80A、脉冲频率60次/min，焊接速度为80mm/min、送丝速度为90cm/min的焊接参数下进行焊接，焊接后的焊缝光洁平整，焊接波纹整齐美观，焊缝表面没有气孔、裂纹、咬边及未熔合等缺陷。

当焊接机器人对规格为Φ32mm的钛合金车架上管，在焊接基值电流为 60A，峰值电流为90A，脉冲频率60次/min，焊接速度为,100mm/min、送丝速度为100cm/min的焊接参数下进行焊接，焊接后的焊缝光洁平整，焊接波纹整齐美观，焊缝表面没有气孔、裂纹、咬边及未熔合等缺陷。

当焊接机器人对规格为Φ35mm的钛合金车架下管及立管，在焊接基值电流为65A，峰值电流为90A，脉冲频率60次/min，焊接速度为130mm/min、送丝速度为110cm/min的焊接参数下进行焊接，焊接后的焊缝光洁平整，焊接波纹整齐美观，焊缝表面没有气孔、裂纹、咬边及未熔合等缺陷。

当焊接机器人对规格为Φ40mm的钛合金车架五通管，在焊接基值电流为70A、峰值电流为100A，脉冲频率60次/min，焊接速度为160mm/min、送丝速度为110cm/min的焊接参数下进行焊接，焊接后的焊缝光洁平整，焊接波纹整齐美观，焊缝表面没有气孔、裂纹、咬边及未熔合等缺陷。经上述方法制备的钛合金车架，在前管处载荷49N，鞍座处载荷490N，中轴处载荷196N，振动频率6.6-10Hz，加振处的加速度19.6m/s²，振动次数10 万次的实验条件下，反复试验30个焊接车架，试验结果显示车架各部位无破损或明显变形。

经上述方法制备的钛合金车架，组装成钛合金自行车后，试验者以 22.5kg的重锤从180mm高度上垂直落下，对准两轮心并与前叉翘度的方向相反冲击在轻质量的滚轮上，对其进行重物落下试验，被试验对象未出现裂纹。

目前国内钛自行车生产企业大多采用手工焊接工艺，对装配精度的要求不是太高，采用自动焊后，焊接速度较快，应对焊接过程中产生各种异常情况的能力较弱，为了获得高质量的焊缝，必须提高零件之间的组对质量，零件之间的最大间隙应不大于0.2mm；车架的形位公差不大于2mm；工装能够与机器人实现联动，实现翻转、定位等功能。

为此，本实施例还公开了一种焊接工装，如图1所示，1为焊接变位机，焊接变位机可以采用单轴或者两轴结构，变位机和机器人控制系统联网，以便焊接时能够使焊缝始终处于平位。2为车架定位台板，用于安装各种定位块及自行车架，并与焊接变位机相连。3为前管定位块，根据前管的角度及尺寸，将前管固定在台板上。4为上管定位块，将上管固定并紧贴在前管和立管上。5为立管定位块，将立管固定在台板上，同时与上管、下管以及后叉管贴紧。6为立叉定位块，将两支立叉管固定在台板上，同时与两个后叉接头固定在一起。7为后叉接头定位块，安装在台板上，与后叉管相配。 8为平叉管定位块，用于固定两支平叉管。9为五通定位轴，是一个圆柱销，圆柱销的外径略小于五通管的内径。10为下管定位块，将下管固定并紧贴在前管和五通管上。

开发自行车架专用夹具，采用两轴变位器，尽量使焊缝处于平位，同时变位器的运行速度与机器人相配合，使处于空间位置的复杂焊缝的焊接速度基本保持一致，为后续的焊接工作及提高焊缝外观质量打好基础。

钛管经过加工、焊接之后，会在表面留下大量的划痕以及氧化色，然而车架的结构特点不利于拉丝或者抛光工作，在五通管等地方存在不同程度的抛光死角，使抛光的难度进一步增大。本实施例还需要对焊接后的钛合金管材进行表面处理，本实施例的表面处理可以使用手工或机器人抛光的方法，先采用千叶轮将焊缝附近的氧化色去除干净，然后用布轮加抛光膏将焊缝周围抛成镜面，也可以采用激光处理工艺，去除钛合金车架表面的氧化物。

本实施例的手工抛光与机器人抛光相比，使用机器人进行抛光，可以代替人工，减轻工人的劳动强度，增强抛光的一致性。采用激光处理工艺，不仅能去除表面的氧化物，还得到与管材一致的表面颜色。

本实施例的焊丝可以是TA2焊丝、TA18焊丝、TC4焊丝，焊接强度可视情况选用低配、等强、高配三种方式。

实施例2：

为了解决机器人等自动焊接时焊缝不易保护的难题，本实施例提供了一种钛合金自行车自动焊接保护装置，该装置可以根据焊缝形状自动调整保护罩21末端状态，达到可靠保护的目的。

如图2所示，本实施例的钛合金自行车自动焊接保护装置包括安装于焊枪上的保护罩21、将惰性气体导入保护罩21内腔的导气管22，导气管22自保护罩21的外壁插入内腔；保护罩21的下端开口处设有金属纤维气体围帘 24，该金属纤维气体围帘24紧贴于焊缝表面，使惰性气体对焊缝形成有效保护。

本实施例在保护罩21的开口处设置金属纤维气体围帘24的目的，是为了解决了保护罩21耐高温的难题，金属纤维可以长时间在600℃以下工作，考虑到焊接热影响区的温度以及惰性气体对金属纤维气体围帘24的冷却作用，保证了保护罩21的耐用性。

保护罩21开口处的外围三个侧面安装了由钛纤维或者铜纤维制成的金属纤维气体围帘24，金属纤维气体围帘24在跟随焊枪移动时随焊缝形状的改变而改变，始终贴合在焊缝热影响区周围，形成惰性气体保护环境。

优选金属纤维气体围帘24通过压板23固定在气室口部，当保护罩21 围帘发生损坏时只需更换围帘，而气室可以重复使用。

作为优选，本实施例的保护罩21气室宽度较窄，气室口部安装的金属纤维气体围帘24以喇叭口形式向外伸展，使得焊枪移动到焊缝开阔区域时增大保护区域的面积，在角度较小的狭小区域内保护罩21也能顺利通过。

保护罩21气室是用紫铜板制造的，气室中有直径6mm的导气管22，导气管22上开设有若干Φ1mm的小孔，外部惰性气体(氩气)通过这些小孔进入气室，气室下部设置导流板，导流板上密布Φ1mm的出气孔，惰性气体通过出气孔后得到第二次分布，形成稳定的保护气流。

作为优选，本实施例可以将保护装置直接安装在焊枪上，保护罩21独立通入氩气，与焊枪共同形成惰性气体保护环境，避免焊缝氧化变色。

下面具体描述本实施例各部分的结构：

本实施例的保护罩21由紫铜制成，为长方体结构，口部呈喇叭口结构，使惰性气体向外扩散，增大了保护范围。

本实施例的导气管22位于保护罩21内部，材质为紫铜，位于壳体内部的导气管22上开设若干直径1.0mm的小孔，使惰性气体均匀分布在壳体 1内。位于壳体外部的导气管22不开孔，将惰性气体导入保护罩21。

本实施例的压板23是一个长方形薄板，用于将金属纤维固定在保护罩 21壳体上。

本实施例的金属纤维气体围帘24由钛或者铜纤维制成，具有可伸缩性，焊接过程中金属纤维始终紧贴在焊缝表面，使惰性气体形成有效的保护。

本实施例在保护罩21开口处的三个侧面安装了耐高温的金属纤维，利用金属纤维的柔软性及密封性，使得在焊接过程中可以根据焊缝相贯线形状自动调节，金属纤维贴合在焊缝上，起到良好的保护效果。

本发明采用焊接机器人进行钛自行车架的焊接，通过接头焊接工艺，进一步提高焊接接头的可靠性，使自行车架的安全性能更好；通过设定焊接机器人的焊接参数，钛自行车架生产效率大大提高，焊缝外观也会有较大改善。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种制备钛合金车架的方法，包括以下步骤：

步骤一、将钛合金管材在数控切管机上下料，使钛合金管材的下料长度公差控制在±0.3mm范围内；

步骤二、对所述步骤一下料后的钛合金管材进行变形处理；其中，自行车三角架上的钛管需要经过不同形式的变形处理，包括压扁、弯曲、缩径工艺，需要根据不同款式的车架的具体要求进行加工；

步骤三、使用焊接工装对步骤一或步骤二的钛合金管材进行组装，并固定在焊接变位机(1)上；

所述步骤三的焊接工装包括与焊接变位机(1)连接的车架定位台板(2)、固定在所述车架定位台板(2)上的前管定位块(3)、立管定位块(5)、上管定位块(4)、立叉定位块(6)、后叉接头定位块(7)、平叉定位块(8)、下管定位块(10)、定位轴(9)；所述定位轴(9)通过五通管的某一管口将下管、立管以及两支平叉管与五通管联接，所述定位轴(9)与五通管的某一管口间隙配合；所述后叉接头定位块(7)用于固定两支后接插头，所述平叉定位块(8)用于固定两支平叉管；所述立叉定位块(6)用于固定两支立叉管；所述后接插头分别与平叉管、立叉管紧贴；所述上管定位块(4)将上管固定并紧贴在前管和立管上；所述前管定位块(3)根据前管的角度及尺寸，将前管固定在台板上；所述立管定位块(5)将立管固定在车架定位台板(2)上，同时与上管、下管以及后叉管贴紧；所述下管定位块(10)将下管固定并紧贴在前管和五通管上；

步骤四、对所述焊接变位机(1)上的钛合金管材采用焊接机器人进行焊接，确保两根钛合金管材的焊接处为相贯线；其中，所述焊接变位机(1)通过焊接系统控制，使得焊接时的焊缝始终处于平位；所述焊接机器人的焊接电流为60A-120A、焊接速度为80-200mm/min、送丝速度为90-120cm/min；

所述焊接机器人上具备焊枪，所述焊枪采用自动焊接保护装置保护焊缝，自动焊接保护装置包括安装于焊枪上的保护罩(21)、将惰性气体导入保护罩(21)内腔的导气管(22)，导气管(22)自保护罩(21)的外壁插入内腔；保护罩(21)的下端开口处设有金属纤维气体围帘(24)，该金属纤维气体围帘(24)紧贴于焊缝表面，使惰性气体对焊缝形成有效保护。

2.如权利要求1所述的制备钛合金车架的方法，其特征在于，所述步骤四之后还包括步骤五、对所述步骤四的焊缝外观进行检查，使钛合金车架不存在裂纹、未融合、气孔的焊接缺陷。

3.如权利要求2所述的制备钛合金车架的方法，其特征在于，所述步骤五之后还包括步骤六、使用校正工具消除所述步骤五的钛合金车架存在的焊接变形影响。

4.如权利要求1所述的制备钛合金车架的方法，其特征在于，所述步骤四焊接之后还包括表面处理步骤：使用手工或机器人抛光的方法，先采用千叶轮将焊缝附近的氧化色去除干净，然后用布轮加抛光膏将焊缝周围抛成镜面。

5.如权利要求1所述的制备钛合金车架的方法，其特征在于，所述步骤四焊接之后还包括表面处理步骤：采用激光处理工艺，去除钛合金车架表面的氧化物。

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