包罐工藝在罐式車生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

劉帥　程敬亮

摘要：通過對包罐工藝在生產(chǎn)過程中罐體弧度處的應(yīng)力計算，分析罐體焊接后殘余應(yīng)力對罐體的影響，從而得出結(jié)論：包罐工藝可以有效地對不規(guī)則罐體板材在彎曲處僅需一次性塑性形變，而沒有彈性形變所帶來的應(yīng)力。并在焊接殘余應(yīng)力的作用下，罐體會更貼緊防浪板，進(jìn)而抵消板體大弧度處的微量彈性形變。此外，通過介紹包罐機(jī)的結(jié)構(gòu)和發(fā)展史，進(jìn)一步了解現(xiàn)已被市場認(rèn)可的這種包罐工藝在罐體生產(chǎn)上的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：包罐機(jī) 焊接殘余應(yīng)力 應(yīng)變 罐體應(yīng)力 塑性形變 彈性形變

1.前言

罐式車的應(yīng)用在中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展道路上，堪稱高速公路上的移動管道，在人們的日常生活中正發(fā)揮著不可或缺的作用。罐式車生產(chǎn)工藝五花八門，其中包罐機(jī)的發(fā)明及包罐工藝引領(lǐng)了新一代的生產(chǎn)工藝變革。使用包罐機(jī)后的工藝流程，從下料到拼板開始便一改原作坊式的手工工藝或卷板工藝，利用拼板機(jī)進(jìn)行平面對接焊，再運(yùn)用包罐機(jī)進(jìn)行包罐成型，最后進(jìn)行罐體直線焊和兩端封頭環(huán)焊完工。包罐機(jī)生產(chǎn)工藝大大提高了生產(chǎn)效率、節(jié)省工時，并且生產(chǎn)出來的罐體非常美觀。特別是在不規(guī)則的罐體生產(chǎn)中，不同于卷板機(jī)的先成型后加防浪板的工藝，包罐工藝一次成型使得罐體在大R弧部分產(chǎn)生彈性形變和小R弧部分產(chǎn)生塑性形變，而不會像卷板機(jī)那樣使板材多次塑性形變影響罐體質(zhì)量。

相對于卷板工藝，使用包罐工藝對罐體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力會有多大的影響，以及罐體焊接后殘余應(yīng)力又如何？下面將從罐體的彎曲應(yīng)力等方面進(jìn)行分析。

2.罐體彎曲應(yīng)力的分析

任何彎曲都可以看做多個v形狀的彎曲組成，故可以通過分析v形狀的彎曲來分析板材彎曲的應(yīng)力，而板材彎曲時變形的主要區(qū)域在彎曲件的圓角部分。

在包罐工藝中，經(jīng)過最后的縱縫焊接，罐體內(nèi)應(yīng)力會隨著縱縫焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生而發(fā)生改變，殘余應(yīng)力在罐體上的網(wǎng)格分布如圖5所示。

從圖5中可以看出，網(wǎng)格部分的內(nèi)徑要比實線的罐體內(nèi)徑小。即縱縫焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會使罐體更貼近防浪板。同理，板體與封頭之間的焊接殘余應(yīng)力也會使板體與封頭之間產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種應(yīng)力可以抵消罐體合縫時的回彈應(yīng)力。

由此得出，包罐工藝中所產(chǎn)生的應(yīng)力不會對罐體造成實質(zhì)性的傷害。這不僅是因為小R弧處是塑性形變，并且在大R弧度的應(yīng)力防浪板上的焊接能完全克服或者抵消彈性形變作用下的應(yīng)力。因此，最后縱縫的焊接殘余應(yīng)力可以使罐體更貼近防浪板。在這種形態(tài)下，包罐工藝中所產(chǎn)生的應(yīng)力對罐體產(chǎn)生的影響是微乎其微的。

與卷板生產(chǎn)工藝不同，包罐工藝在以防浪板為依托的條件下對板體只有一次性變形，并且與防浪板完美的結(jié)合。而卷板工藝在針對不規(guī)則罐體時，為了塑造和防浪板同型會對板體進(jìn)行多次卷壓變形，進(jìn)而在板體的焊接處來回碾壓造成疲勞斷裂，由此加大了對板體的損壞使板體容易產(chǎn)生過度的塑性形變，并且在裝防浪板的過程中又會對板體造成擠壓及敲打。然而每種材料自身都有相應(yīng)的屈服強(qiáng)度，當(dāng)所受的外力而產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料本身的屈服強(qiáng)度時，就會造成材料疲勞而容易出現(xiàn)裂紋。板材的裂紋在壓力容器中卻是致命的。

3.包罐機(jī)結(jié)構(gòu)

包罐機(jī)適用于工件為等截面的簡體卷軋成型，制動臂為兩關(guān)節(jié)的力臂組成（如圖6），采用液壓方式制動，把板材沿隔板或封頭的外形卷制簡體，在卷制過程中，需要手動在罐體里面把板材和隔板點(diǎn)焊在一起。包罐機(jī)采用鋼結(jié)構(gòu)件，強(qiáng)度高、變形小，滿足剛度和韌性的同時減輕了設(shè)備的整備質(zhì)量?？蓾M足碳鋼、不銹鋼、鋁合金等不同材質(zhì)的加工；還可滿足多種封頭截面形狀，主要有圓形、橢圓形、方圓形等。

3.1包罐動臂、橫梁

動臂、橫梁是包罐機(jī)重要的部件之一（如圖7）。在包罐過程中，滾輪托住工件配合液壓缸和動臂的制動可沿隔板的形狀移動，使板材完全和模具貼合。橫梁可等分為兩段，每段橫梁安裝兩組動臂，動臂安裝在橫梁兩端，動臂可單動，也可聯(lián)動。橫梁上安裝滾輪，為防止對鋁合金工件的損傷，滾輪上包注聚氨酯。

3.2變位油缸

變位油缸如圖8所示，調(diào)整橫梁在包罐過程中的角度，在包制罐體底部、側(cè)面和上面時，使?jié)L輪和工件的角度處于最佳位置；可調(diào)整角度為0°～117°。

3.3封頭壓緊裝置

4條封頭壓緊裝置安裝在橫梁的兩端（如圖9）。包罐過程中可跟隨橫梁一起運(yùn)動，如封頭和簡體縱向有間隙或間隙過大時，可用油缸壓緊后更容易焊接。使罐體和封頭間的焊接更容易，并且極大地提高了焊接探傷通過率。

3.4上壓緊裝置

上壓緊橫梁處于隔板的上方，長度大于罐體長度，并安裝在兩端的固定座上（如圖10）。在包罐前壓緊罐體的隔板和封頭，防止工件向上運(yùn)動。上壓緊橫梁可升降運(yùn)動，滿足不同直徑罐體的壓緊；可垂直于罐體軸線移動，方便進(jìn)出工件和罐體。

4.包罐工藝

4.1包罐工藝及流程

在包罐工序中，需要把已加工好的封頭和防浪板或隔倉板按工藝圖紙要求的位置進(jìn)行排列，并用固定架固定，防止其受力轉(zhuǎn)動；利用包罐機(jī)的動臂使罐體板與封頭板直邊平齊后，在罐體內(nèi)壁從底面往上逐漸點(diǎn)焊固定罐體內(nèi)壁與防浪板墊板以及點(diǎn)焊固定罐體直筒與封頭；最后，焊接罐體頂面的一道直焊縫和罐體與封頭的兩道環(huán)焊，罐體成型完工（如圖11～14）。

在包罐過程中，首先以定位好的隔艙與封頭作為“模具”，采用自動化機(jī)械臂使罐體一次卷軋成型。在逐步成型的過程中，人工點(diǎn)焊模具和板體，使板體更貼近模具。同時，包罐機(jī)上的液壓封頭調(diào)節(jié)裝置可以輕松調(diào)節(jié)封頭在罐體邊緣上的理想位置。這樣就避免了卷板工藝上的模具和罐體不配套問題，以及封頭和罐體無法完美結(jié)合的問題。包罐機(jī)保護(hù)了板材不會因多次形變而導(dǎo)致的疲勞損傷，解決了卷板工藝中為了嵌入模具和封頭出現(xiàn)夯擊、敲打而導(dǎo)致再次損傷板材的問題。

4.2包罐機(jī)在包罐工藝中的發(fā)展史

最初罐體的卷制是用手拉葫蘆（導(dǎo)鏈）一點(diǎn)一點(diǎn)拉動實現(xiàn)的。其效率低下，勞動強(qiáng)度高，并對罐體外型造成一定的缺陷；也有用卷板機(jī)卷制成型后再進(jìn)行制作，其制作過程相對復(fù)雜，并且購置一臺卷板機(jī)的價格相當(dāng)昂貴。因此，山東水泊焊割公司根據(jù)生產(chǎn)需求于2011年發(fā)明了第一代包罐機(jī)（如圖15）。第一代包罐機(jī)安裝有3組動臂，每組動臂間由包罐滾輪連接，上方安裝壓梁；經(jīng)包罐機(jī)制作的罐體和隔板、封頭貼合緊密，方便焊接；外觀平滑，平直，無明顯缺陷。之后，第二代包罐機(jī)擴(kuò)展到6組動臂（如圖16），且能滿足變截面罐體的制作；由于動臂數(shù)量較多，操作人員容易誤動作而影響罐體成型后的直線度，壓梁采用道軌方式，以便于在道軌上移動和安裝方便；改進(jìn)了第一代包罐機(jī)壓梁安裝不方便的問題。第三代包罐機(jī)（如圖17），沿用了第二代包罐機(jī)壓梁結(jié)構(gòu)，但把老一代的包罐臂滾輪改為一體式滾輪梁，這樣增加了動臂的同步率，減少了動臂的數(shù)量；動臂減至4組，且相鄰的兩組動臂可以單獨(dú)控制，制作短小的罐體；4組動臂可以同時制作較長的罐體，并還可對變截面處罐體單獨(dú)制作，對接下一工序，從而提高了生產(chǎn)效率。

5.結(jié)語

包罐機(jī)的產(chǎn)生是應(yīng)市場需要，并在發(fā)展的過程中不斷改進(jìn)升級達(dá)到了生產(chǎn)罐式車企業(yè)所期望的效果。其工作效率，工作環(huán)境，生產(chǎn)質(zhì)量上的表現(xiàn)尤為突出。相對于卷板工藝，包罐機(jī)僅對罐體板材一次塑性形跡的工藝不僅避免了對板材的多次塑性形變造成的傷害，而且這種工藝能使板材完美地貼近罐體內(nèi)部防浪板，再次避免了卷板工藝中對板體手工反復(fù)敲打的損傷。經(jīng)過計算，使用包罐工藝，板材在最大應(yīng)力處是塑性形變。進(jìn)一步說明了罐體的最大應(yīng)力得已消除，而且在焊接過程中其他應(yīng)力也可得以抵消。在縱縫焊接的殘余應(yīng)力更進(jìn)一步使罐體板材緊貼防浪板。因此，罐體的應(yīng)力形變問題在包罐工藝中得到了良好的解決。這也是經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累和不斷的創(chuàng)新改進(jìn)，水泊焊割設(shè)備制造有限公司的包罐工藝得到了越來越多的海內(nèi)外客戶的廣泛認(rèn)可。