一種新型焊縫碾壓機(jī)的研制

孫立華 張寶慶

（①長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林長(zhǎng)春130012;②長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

不銹鋼焊縫廣泛存在于化工、制藥、食品行業(yè)等行業(yè)設(shè)備中，焊縫的處理方式及效果會(huì)導(dǎo)致外觀不美、殘余應(yīng)力大、易腐蝕及容易殘留污染物等問(wèn)題，影響工藝裝備制造水平、國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的產(chǎn)品價(jià)格及銷售量，所以必須加以處理才能獲得或逼近理想的焊縫效果。一般焊縫處理方式有傳統(tǒng)拋光打磨、碾壓方式及化學(xué)清洗處理等。傳統(tǒng)拋光打磨費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且不易改善內(nèi)部組織及降低殘余應(yīng)力;化學(xué)清洗處理只能清潔外觀顏色，無(wú)法改變不規(guī)則形狀及消除殘余應(yīng)力。而焊縫碾壓處理方式比打磨方式快20倍，沒(méi)有易耗品并能得到較優(yōu)良的軋制表面，非常適合用于需要表面光滑、易被污染的不銹鋼、鋁合金制品。

直線焊縫易導(dǎo)致板材翹曲、余高超差等問(wèn)題，環(huán)形焊縫高溫金屬冷卻后，劇烈收縮形成巨大殘余拉應(yīng)力［1］，環(huán)形焊縫高溫金屬在冷卻后，劇烈收縮，焊道如一條箍一樣，把罐體勒出頸縮，形成焊縫影響區(qū)，造成桶體塌陷。消除焊縫殘余應(yīng)力與變形的有效方法有機(jī)械拉伸法、溫差拉伸法和焊縫滾壓法［2］。前兩種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效果差，所以采用碾壓焊縫的方法是相關(guān)行業(yè)壓力容器必須的工序，焊縫碾壓機(jī)就屬于滾壓機(jī)的一種［3］。滾壓變形工藝同其他傳統(tǒng)工藝相比有如下一些優(yōu)點(diǎn):在保持預(yù)加工的精度下，可獲得很好的表面粗糙度;可獲得較高的表面硬度，提高了耐磨性;可在工件表面造成一層有利的殘留壓縮應(yīng)力，提高耐疲勞強(qiáng)度和耐蝕性;可使工件表層金屬組織纖維化和細(xì)化。

鑒于目前市場(chǎng)上的焊縫處理機(jī)多為焊縫清理機(jī)，且價(jià)格較昂貴，雖有少量焊縫碾壓機(jī)，但多為專用機(jī)床，且碾壓焊縫的規(guī)格與種類受到限制，最大碾壓焊縫長(zhǎng)度一般小于2 600 mm，最大碾壓厚度小于6 mm，鮮有簡(jiǎn)單、高效，同時(shí)適用于直線與環(huán)形焊縫，板材厚度變化較寬的碾壓機(jī)。所以，很多企業(yè)在生產(chǎn)中仍沿用焊縫打磨方式或選用某些昂貴的專用碾壓機(jī)床進(jìn)行碾壓處理，但碾壓效果較差。為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一臺(tái)簡(jiǎn)單實(shí)用的不銹鋼焊縫碾壓機(jī)是不銹鋼焊接制造行業(yè)的迫切需求。

1 機(jī)床工作原理及實(shí)施方式

1.1 碾壓機(jī)床工作原理

通過(guò)長(zhǎng)度不同的手動(dòng)搖柄將不同的碾壓力作用在高硬度輥輪上，逐步碾壓，在焊縫處產(chǎn)生金屬塑性變形，晶格扭曲，重新排列，導(dǎo)致組織變致密的同時(shí)，發(fā)生延展，焊縫區(qū)域周長(zhǎng)變長(zhǎng)，減小并釋放殘余內(nèi)應(yīng)力，將導(dǎo)致彈性或者塑性塌陷變形的板體與桶體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，從而提高表面硬度，消除焊接應(yīng)力，平整外觀表面。

1.2 傳動(dòng)形式分析及確定

滾壓機(jī)的滾輪工作形式一般有雙主動(dòng)和單主動(dòng)傳動(dòng)形式［4］。前蘇聯(lián)多采用雙主動(dòng)形式，而美國(guó)則多采用單主動(dòng)形式，兩種傳動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不盡相同。雙主動(dòng)傳動(dòng)時(shí)，被碾壓工件工作穩(wěn)定可靠，工作部位滑動(dòng)現(xiàn)象少。但其傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，需從減速機(jī)中引出2根主動(dòng)軸。當(dāng)要求縱向和橫向碾壓時(shí)，滾輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難且不能適應(yīng)多規(guī)格板材焊縫碾壓的規(guī)求，同時(shí)造價(jià)又高。單主動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，適用范圍較大?？v向和橫向（環(huán)向）都可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的碾壓，并可以使用不同輪徑比的滾壓輪副，可以用于直徑較小工件的碾壓，是多用途滾壓機(jī)的一種合理的結(jié)構(gòu)形式。其原理好如圖1所示。顯爾易見(jiàn)，此不銹鋼碾壓機(jī)床傳動(dòng)形式必然選擇單主動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

1.3 實(shí)施方式

如圖2，機(jī)架1上承載所有工作部件且通過(guò)膨脹螺栓13與地面14緊固連接，安裝在機(jī)架1上的主軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)2通過(guò)變速箱3驅(qū)動(dòng)錐齒輪組5實(shí)現(xiàn)換向，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輥輪6旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)罐體4作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)手動(dòng)搖柄12將力加載到主動(dòng)直齒輪11，11帶動(dòng)從動(dòng)直齒輪10，從而驅(qū)動(dòng)絲杠9旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺母8將力傳遞給從動(dòng)輥輪7，主動(dòng)輥輪6與從動(dòng)輥輪7共同作用將罐體上環(huán)形焊縫夾緊碾壓，針對(duì)不同焊縫，手動(dòng)搖柄可提供不同的碾壓力。升降臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)15驅(qū)動(dòng)螺母絲杠副16，進(jìn)而帶動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)17伸縮，實(shí)現(xiàn)剪刀叉升降臺(tái)18的升降，從而推動(dòng)環(huán)形焊縫罐體與直線焊縫板體4的不同空間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置焊縫的碾壓。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

此機(jī)床屬?gòu)?qiáng)力旋壓設(shè)備，所以關(guān)鍵部件必須保證足夠的強(qiáng)度與剛度。

2.1 軋輥設(shè)計(jì)

采用合金鋼Cr12MoV，處理后材料硬度超過(guò)57 HRC的輥輪，可施加遠(yuǎn)超過(guò)316L不銹鋼屈服極限520 MPa的壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)變形小于金屬塌陷變形。同時(shí)，主動(dòng)輥輪向下傾斜0.5°～1°，迫使桶體向下，不向上爬升，保證穩(wěn)定碾壓旋轉(zhuǎn)。

2.2 立柱與基底設(shè)計(jì)

為了保證結(jié)構(gòu)形變量，采用H型鋼板制造立柱與基座，截面尺寸700 mm×300 mm。推力按照30 t計(jì)算，經(jīng)校核，立梁變形量小于0.5 mm。

2.3 電動(dòng)機(jī)選擇

為保證起動(dòng)平穩(wěn)與足夠的碾壓力，采用3 kW電動(dòng)機(jī)，輸出扭矩為1 870 N·m，轉(zhuǎn)速為14 r/min的動(dòng)力單元，無(wú)級(jí)調(diào)速，帶正反轉(zhuǎn)，電磁離合器柔性啟動(dòng);保證在一次最大壓入深度0.5 mm時(shí)，輥輪的滾動(dòng)力量超過(guò)1 800 N·m。，能夠從陷入金屬中碾壓過(guò)去。

3 碾壓后焊縫性能變化

碾壓機(jī)的設(shè)計(jì)就是直接應(yīng)用滾壓法去改善焊縫質(zhì)量，焊接應(yīng)力及外觀形變是焊縫處理最受關(guān)注的兩個(gè)重要問(wèn)題，也是評(píng)價(jià)焊縫碾壓機(jī)研制成功與否的重要依據(jù)。

3.1 外觀變化

從圖3可清晰看出，焊縫受碾壓前的隆起較大，而碾壓后的金屬隆起較小，且金屬受碾壓流動(dòng)趨勢(shì)明顯。

3.2 焊接殘余內(nèi)應(yīng)力變化

測(cè)定焊接殘余內(nèi)應(yīng)力的方法有破壞性和無(wú)損測(cè)試兩種方法，其中破壞性的測(cè)試方法有2 mm左右深度的小孔法、將試件拉斷的拉伸法，無(wú)損檢測(cè)的方法有X射線檢測(cè)法，只能達(dá)到表面深30 μm左右，超聲波法能達(dá)到1 mm左右，而中子衍射法則可達(dá)到50 mm左右。盡管中子衍射法很好，但鑒于價(jià)格昂貴，試驗(yàn)繁瑣，而其他幾種方法又無(wú)法滿足我們的測(cè)試需求，故選用性價(jià)比高的的小孔法進(jìn)行測(cè)試。

小孔法的原理是在應(yīng)力場(chǎng)中鉆小孔，應(yīng)力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整;測(cè)得孔附近的彈性應(yīng)變?cè)隽?，就可以用彈性力學(xué)原理來(lái)推算出小孔處的殘余應(yīng)力。小孔試驗(yàn)法測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)操作人員水平雖有一定的誤差，但它所反映的應(yīng)力分布及變化規(guī)律是十分準(zhǔn)確與可信的。參考文獻(xiàn)［5］的測(cè)試、計(jì)算方法，在焊縫區(qū)域處建立直角坐標(biāo)系（如圖4），測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 小孔法測(cè)得的焊接殘余應(yīng)力的值

由表1的焊縫及其附近區(qū)域殘余應(yīng)力值分析看出，縱、橫向殘余應(yīng)力 σx、σy在碾壓前后的變化很明顯，說(shuō)明焊縫碾壓對(duì)消除及改善內(nèi)應(yīng)力的效果是顯著的。

4 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)床的研制花費(fèi)了近一年的時(shí)間，生產(chǎn)實(shí)踐證明，該碾壓機(jī)操作輕便、效果良好、生產(chǎn)效率高，既節(jié)省了原材料，又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，符合環(huán)保理念［6］。同時(shí)，取代了傳統(tǒng)打磨工藝，有效地解決了焊縫外觀、殘余應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，性能穩(wěn)定，經(jīng)磁粉探傷后內(nèi)部組織及質(zhì)量有所改善。

該機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)新穎、柔性較強(qiáng)，可碾壓3～8 mm不同厚度，焊縫變形區(qū)寬度在30 mm以內(nèi)的不銹鋼直線與環(huán)形焊縫，同時(shí)該機(jī)床功能齊全、效率高、性能先進(jìn)且投資小，是相關(guān)行業(yè)頂級(jí)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，達(dá)到了安全，環(huán)保、潔凈等通用技術(shù)條件，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)匕b，可以成為現(xiàn)代化的半自動(dòng)設(shè)備，推向市場(chǎng)，對(duì)涉及不銹鋼焊接的生產(chǎn)企業(yè)能產(chǎn)生巨大效益。

［1］盧鮮亮，李居峰，陸楠.200L鋼桶焊縫自動(dòng)滾壓機(jī)研制［J］.機(jī)械制造，2012，50（4）:85 －86.

［2］王者昌.關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討［J］.焊接學(xué)報(bào)，2000，21（2）:55－58

［3］胡寧?kù)o，胡蓉蓉，胡道秋.滾壓工藝國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)向［J］.湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，1994，16（2）:98 －130.

［4］吳狄，趙連壁.焊縫滾壓機(jī)設(shè)計(jì)［J］.閥門(mén)，1998（4）:38－40.

［5］趙海燕，陳岳軍，史耀武，等.焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力的測(cè)試［J］.焊管，1997，20（4）:12 －15.

［6］李穗，傅曉峰.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)葉圍帶滾壓機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.機(jī)械工程師，2012（6）:183－184.