長筒薄壁件縱縫焊接專機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：長筒型薄壁件廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)中的各類儲(chǔ)存罐體的筒壁，其制造質(zhì)量對罐體的安全性極其重要。針對長筒縱縫在拼焊時(shí)由于截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特點(diǎn)以及較長的焊道所導(dǎo)致的焊接專機(jī)難以控制焊縫質(zhì)量、內(nèi)表面焊接困難等問題，設(shè)計(jì)了一種長筒專用焊接專機(jī)。通過集成新型壓梁結(jié)構(gòu)與新型鎖臂機(jī)結(jié)構(gòu)，抵消鋼板在棍彎、夾固時(shí)產(chǎn)生的彈性形變，保障長筒縱縫的焊接精度。同時(shí)采用單面焊雙面成型技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有筒體焊接工藝流程和控制背面焊道成形，提高了焊接效率和焊縫質(zhì)量，該專機(jī)滿足能夠滿足長筒薄壁件焊接需求。

關(guān)鍵詞：焊接專機(jī);單面焊雙面成型;長筒薄壁件;縱焊

0 前言

長筒型薄壁件廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)[1]，其加工方式主要有整體車削加工成型和鋼板拼接焊成型兩種。整體車削加工成型質(zhì)量較好，但存在投入資金大、操作培訓(xùn)難度高、配合設(shè)備復(fù)雜等難題，給企業(yè)造成較大負(fù)擔(dān)[2]。特別是在儲(chǔ)風(fēng)罐、風(fēng)缸等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對固定且成批次的制造行業(yè)，往往采用鋼板拼接焊成型的方式生產(chǎn)。

近年來隨著焊接機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展[3-4]，工程師們在拼接焊接專機(jī)的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了不同程度的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。茅洪菊等人[5]設(shè)計(jì)了一種焊接變位機(jī)構(gòu)，在拼裝焊接過程中將兩個(gè)工件進(jìn)行同步或單獨(dú)旋轉(zhuǎn)切換工位，解決了兩工件在焊接中需要兩個(gè)變位機(jī)位置配合的難題。賈華東等人[6]改進(jìn)了拼接焊工藝，提出適用于焊接專機(jī)的MAG 單面焊雙面成型焊接工藝，并探究了不同工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響。孟令濤[7]將大型鋼板在焊接中的變位、對中、壓緊等工序集成自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一種基于單面焊雙面成型的大型拼板焊接專機(jī)，解決了大型鋼板在焊接過程中的翻面難、行程超長等難題，提高了整體焊接效率。

然而，長筒型薄壁件采用鋼板拼接焊成型方式具有較高的工藝難度。在筒型容器的焊接過程中，由于截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特點(diǎn)以及較長的焊道，導(dǎo)致焊接專機(jī)難以保持筒體縱縫貼合度。特別在應(yīng)用于儲(chǔ)風(fēng)罐、風(fēng)缸等精度、密封性要求較高的筒壁時(shí)，焊縫質(zhì)量對安全性的影響極其重要[8-9]。

針對上述問題，文中提出一種長筒薄壁件縱縫焊接專機(jī)設(shè)計(jì)方案。該焊接專機(jī)集成了新型壓梁結(jié)構(gòu)與新型鎖臂機(jī)結(jié)構(gòu)，可以抵消鋼板在棍彎、夾固時(shí)產(chǎn)生的彈性形變，保障長筒縱縫的焊接質(zhì)量。同時(shí)采用單面焊接雙面成型技術(shù)，在提高焊接質(zhì)量的同時(shí)使焊接效率提升1倍。最終高質(zhì)量、高效率、低成本、自動(dòng)化地完成長筒型薄壁件在棍彎后縱縫處的焊接。

1 長筒薄壁件縱縫焊接專機(jī)總體結(jié)構(gòu)

長筒縱縫單面焊雙面成型焊接專機(jī)采用型鋼板材焊接加工而成。專機(jī)主要由鎖臂機(jī)、壓梁組成、焊接單元組、水泵、機(jī)床身和支撐軸體6部分組成。主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.1 鎖臂機(jī)

鎖臂機(jī)以風(fēng)缸為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鉤門旋轉(zhuǎn)開閉，同時(shí)驅(qū)動(dòng)鉤門上下移動(dòng)，將支撐軸體與壓梁的懸臂端合成框架結(jié)構(gòu)。利用相互作用力原理抵消夾固時(shí)的彈性形變，增強(qiáng)兩者剛度，保障焊縫與軌道梁平行，支撐軸體因長時(shí)間焊接產(chǎn)生塑性變形。

1.2 壓梁組成

兩個(gè)壓梁組成對稱布置，它們一端與機(jī)床身的箱床體通過螺栓連接，另一懸臂端通過端板以螺栓相互連接。端板外側(cè)安裝鎖臂機(jī)，內(nèi)側(cè)安裝焊縫對中定位激光指示器。壓梁組成內(nèi)有氣囊和琴鍵式壓指用來夾固焊接筒體。

1.3 焊接單元組

焊接單元組由軌道梁、焊接車及觸摸屏電控箱組成。軌道梁安裝有直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿和伺服電機(jī)，焊接車在滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)下沿直線導(dǎo)軌水平移動(dòng)。焊接車上裝載有焊縫對中移動(dòng)激光指示器及垂向直線導(dǎo)軌，升降構(gòu)架由風(fēng)缸驅(qū)動(dòng)，沿垂向直線導(dǎo)軌快速升降。升降構(gòu)架上安裝有微調(diào)電動(dòng)滑塊，微調(diào)焊槍橫向和垂向與焊縫距離。微調(diào)電動(dòng)滑塊上裝有擺動(dòng)器，設(shè)定焊槍擺動(dòng)焊接。觸摸屏電控箱安裝在焊接車上。軌道梁通過螺栓與一側(cè)壓梁組成相連接。1.4 水泵

水泵系統(tǒng)具有散熱和循環(huán)水功能，它能將焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)降溫。

1.5 機(jī)床身

機(jī)床身由底座和箱床體兩部分組成，它們通過螺栓相連，便于調(diào)平安裝和運(yùn)輸。箱床體內(nèi)部安放有氣動(dòng)控制系統(tǒng)用來控制壓緊和鎖臂機(jī)等氣動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.6 支撐軸體

支撐軸體由空心厚壁鋼管組焊加工成型，支撐軸上使用平面螺釘連接一條紫銅條墊，紫銅條墊表面為弧面，與焊接筒體內(nèi)表面貼合，用于散熱和通背部保護(hù)氣體。紫銅條墊中間加工一溝槽，控制背面焊道成形，并形成區(qū)域氣體保護(hù)（簡稱“背?！保?。

2 焊接專機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 背保

單面焊雙面成型核心技術(shù)在于背部氣體保護(hù)、焊道成型控制及快速散熱。目前，雙面焊機(jī)背墊普遍采用半圓成型槽和伏貼鋼管通水冷卻，控制背面焊道成型。其缺點(diǎn)是：（1）焊接時(shí)背面無保護(hù)氣體;（2）鋼管壓扁伏貼在背墊下，熱交換率低，散熱能力差。國內(nèi)某型號的液化氣鋼瓶筒體縱縫雙面成型焊接設(shè)備只有半圓成型槽、無氣體保護(hù)。而某雙面成型焊機(jī)則采用半圓成型槽內(nèi)鉆孔通保護(hù)氣，該方式解決了焊道背面的保護(hù)氣體問題，但同時(shí)也帶來鐵水涌入通氣孔的問題。當(dāng)焊接鐵水下垂較大時(shí)，焊道背面出現(xiàn)焊瘤，嚴(yán)重時(shí)會(huì)粘連到孔內(nèi)。某焊接有限公司背保示意如圖2所示[10]。

文中采取導(dǎo)熱性良好的純銅（紫銅）制成條墊，在銅條墊中對稱加工兩路通孔過循環(huán)水，由于水直接在銅條墊內(nèi)流動(dòng)使得熱交換率最大，可快速降低焊接熱量，達(dá)到鐵水冷卻成型和連續(xù)焊接。在條墊中間上面加工方型溝槽，溝槽深度控制背面焊道余高，在溝槽內(nèi)兩側(cè)均布鉆有小孔，邊孔避開下垂鐵水托扶區(qū)域與各段氣保通路相通。在條墊中間下面加工有分段溝槽，每段溝槽獨(dú)立供應(yīng)保護(hù)氣體，跟隨焊槍逐段供氣、節(jié)省焊接用氣。背保結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 壓梁組成

由于筒體橫截面呈圓形，縱縫組對時(shí)兩側(cè)的夾固點(diǎn)相距越近，筒體縱縫貼合越趨近于平面，筒體組對精度好，夾持穩(wěn)固。在傳統(tǒng)焊接領(lǐng)域，夾緊、施壓等動(dòng)作基本采用風(fēng)缸為輸出動(dòng)力。由于大力量風(fēng)缸體積較大，導(dǎo)致壓梁殼體寬度和高度大，使兩側(cè)夾固點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，焊槍桿長，焊接抖動(dòng)大，并且不便于觀察焊接。

文中采用小行程大推力氣囊輸出夾緊動(dòng)力，配合可調(diào)拉力彈簧作用在琴鍵式壓指模塊上，完成施壓和復(fù)位功能。氣囊的應(yīng)用極大地減小了壓梁殼體體積，縮短了焊槍升降距離及槍桿長度，有利于平穩(wěn)焊接，便于觀察焊道成形。琴鍵式壓指指端鑲嵌黃銅材質(zhì)，黃銅手指以多點(diǎn)施壓筒體，壓力分布均勻、貼合度高無死點(diǎn)。筒體內(nèi)外兩面均與銅材質(zhì)貼合，焊接飛濺不易粘連，不劃傷不銹鋼等板材。氣囊采用消防水袋，消防袋耐壓高、防燙傷、易獲取。壓梁組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 鎖臂機(jī)

在短筒焊接時(shí)支撐軸體變形微小可忽略，但在長筒焊接時(shí)變形較大，需進(jìn)行研究。目前常見的鎖緊機(jī)構(gòu)有氣動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。兩種方式均存在一定的問題。氣動(dòng)方式：氣缸推拉，使鉤門旋轉(zhuǎn)開閉。鉤門與支撐軸體懸臂端之間要留有間隙才能順利開閉，而筒體夾固施壓，懸臂向下彈性位移，抵消間隙，鉤門才鎖臂，長期交變施壓載荷和焊接熱能，使支撐軸體發(fā)生變形及疲勞損壞。由于鉤門無上下滑動(dòng)調(diào)節(jié)功能，不能適應(yīng)不同厚度的筒體夾固。氣動(dòng)方式結(jié)構(gòu)如圖5所示。手動(dòng)方式：手動(dòng)翻轉(zhuǎn)鉤門，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲桿帶動(dòng)滑體及鉤門鎖臂。人工操作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低、拉力不統(tǒng)一。手動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

文中以單個(gè)風(fēng)缸為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)齒條齒輪帶動(dòng)鉤門旋轉(zhuǎn)開閉?；谱卜旁诨蹆?nèi)可上下移動(dòng)，滑移座上穿有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與齒輪及鉤門固定連接。當(dāng)齒條被向下推動(dòng)時(shí)，滑移座跟隨下落直至底部被阻擋住，此時(shí)齒輪才轉(zhuǎn)動(dòng)，鉤門旋轉(zhuǎn)打開。當(dāng)齒條被向上拉動(dòng)時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)、鉤門關(guān)閉（在重量作用下）旋轉(zhuǎn)至被軸頭阻擋無法轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)齒輪跟隨齒條上移，同時(shí)帶動(dòng)滑移座和鉤門上移，鎖緊支撐軸體軸頭處。鎖臂機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.4 焊接控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC主控，以及控制電氣元件、氣動(dòng)元件、行程開關(guān)、儲(chǔ)存單元等，配備有示教編程功能的觸摸屏式人機(jī)交互界面，數(shù)字化程序控制，可以預(yù)置記憶8組以上參數(shù)。電動(dòng)十字型微調(diào)節(jié)控制搖桿（上、下、左、右4個(gè)方向），在自動(dòng)焊接過程中可以實(shí)時(shí)點(diǎn)動(dòng)微調(diào)焊槍，微調(diào)速度可自行設(shè)定，有效行程X：±50 mm，Y：±50 mm，保證了焊道外觀成型?？刂葡到y(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)控制，可根據(jù)需要進(jìn)行切換。專機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 長筒縱縫焊接試驗(yàn)過程

將筒體通過輸送裝置傳送至專機(jī)內(nèi)，下落到支撐軸體上。通過傳感信號鎖臂機(jī)自動(dòng)閉合，鎖緊支撐軸體。調(diào)整筒體使兩激光指示器光束與縱縫重合，筒體處于對中。腳踏開啟兩側(cè)琴鍵式壓指，分別下落夾固筒體。焊槍通過垂向快速升降機(jī)構(gòu)下落，焊接小車水平勻速移動(dòng)焊接，同時(shí)微調(diào)電動(dòng)滑塊實(shí)時(shí)跟蹤焊縫，焊槍端安裝有擺動(dòng)器控制焊槍擺幅。完成焊接后，焊槍通過垂向快速升降機(jī)構(gòu)上升復(fù)原，焊接小車回移到焊接原點(diǎn)，準(zhǔn)備下一次焊接?，F(xiàn)場焊接過程如圖8所示。

4 結(jié)論

長筒縱縫焊接專機(jī)通過結(jié)合單面焊雙面成型技術(shù)，對背保裝置、氣囊壓力輸出式琴鍵壓指、鎖臂機(jī)等關(guān)鍵部件重新設(shè)計(jì)，使得長筒縱縫焊接專機(jī)具有低投入、高質(zhì)量、高效率等優(yōu)勢，優(yōu)于昂貴復(fù)雜操作的機(jī)器人焊接。實(shí)際焊接測試效果符合DL/T 868-2014《焊接工藝評定規(guī)程》的要求[11]。該焊接專機(jī)應(yīng)用于中國中車某公司在新西蘭IBB150L儲(chǔ)風(fēng)缸、澳大利亞力拓160L儲(chǔ)風(fēng)缸以及國鐵快運(yùn)等車輛的制動(dòng)儲(chǔ)風(fēng)缸生產(chǎn)中，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉愛群，侯權(quán)山. 貨車用儲(chǔ)風(fēng)缸的改進(jìn)[J]. 鐵道車輛，1993（3）：17-20.

[2] 陳俊鋒，穆君. 長筒薄壁件精加工變形難點(diǎn)的攻克[J]. 金屬加工（冷加工），2019（10）：54-56.

[3] 謝小寶，林健力. 焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與研究發(fā)展趨勢[J]. 海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2018（6）：86-88.

[4] 霍厚志，張?zhí)?，杜啟恒，? 我國焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與 技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 焊管，2017，40（2）：36-42.

[5] 茅洪菊，周曉翔，曹恒泰. 針對兩工件焊接的變位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 電焊機(jī)，2018，48（12）：28-33.

[6] 賈華東，金偉紅，楊超，等. MAG單面焊雙面成型自動(dòng)化焊接[J]. 一重技術(shù)，2017（3）：68-71.

[7] 孟令濤. 基于單面焊雙面成型的大型拼板焊接專機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 電焊機(jī)，2020，50（2）：49-52.

[8] 梁春利. 既有鐵路貨車非嵌入式儲(chǔ)風(fēng)缸故障原因分析及改進(jìn)建議[J]. 鐵道機(jī)車車輛，2014，34（6）：119-121.

[9] 曾威雄. 鐵路貨車儲(chǔ)風(fēng)缸生產(chǎn)線的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施[J]. 軌道交通裝備與技術(shù)，2016（5）：20-21，24.

[10] 袁寶興. 液化氣鋼瓶筒體縱縫焊接設(shè)備[P]. CN203853664U，2014-10-01.

[11] DL/T 868-2014，焊接工藝評定規(guī)程[S]. 北京：中國電力出版社，2014：7-9.