薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管成型機(jī)的研制

張先鋒 趙彥磊 陶海東 謝文正 齊冠恒

（1.中國(guó)人民解放軍96608部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471003；2.江陰事百諾機(jī)械有限公司，江蘇 江陰 214431）

一般的通風(fēng)系統(tǒng)所用風(fēng)管的加工量大且質(zhì)量要求高，隨著螺旋風(fēng)管機(jī)和共板法蘭風(fēng)管機(jī)的引進(jìn)，圓形和方形咬口風(fēng)管都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工，較大地提升了通風(fēng)系統(tǒng)施工的質(zhì)量效率。由于地下工程中可能涉毒及密閉段等特殊區(qū)域，對(duì)于通風(fēng)管道的耐久性和嚴(yán)密性要求都較高（嚴(yán)密性要求必須達(dá)到國(guó)家E級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），通風(fēng)管道大量采用厚度為0.6mm～1.2mm的薄壁不銹鋼板材加工，對(duì)焊接技術(shù)和質(zhì)量要求都很高。當(dāng)前，地下工程風(fēng)管主要采用不銹鋼圓形風(fēng)管形式，采用寬度為1250mm的不銹鋼板材，按照周長(zhǎng)下料，進(jìn)行卷圓處理，利用直縫自動(dòng)焊接設(shè)備焊接直縫，各節(jié)對(duì)接后再用空壓式脈沖縫焊設(shè)備焊接環(huán)縫。這種制作工藝和方法存在3個(gè)主要問(wèn)題：一是工序復(fù)雜，自動(dòng)化程度低；二是需要的加工機(jī)械和操作手較多；三是焊接強(qiáng)度和密封性能差。

目前，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有與薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管類(lèi)似的加工設(shè)備。為滿(mǎn)足地下工程施工需求，加速推進(jìn)特殊區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)施工的機(jī)械化進(jìn)程，相關(guān)人員研制了一種不銹鋼板材圓形風(fēng)管自動(dòng)加工、連接部位連續(xù)焊接及定長(zhǎng)切割等多種裝備功能于一體的螺旋風(fēng)管加工專(zhuān)用裝備——薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)。

一、薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能

薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)可將寬幅不銹鋼帶經(jīng)過(guò)滾壓、壓筋、翻邊、咬合，模具組卷圓成型，然后通過(guò)焊接的方式對(duì)咬合縫隙進(jìn)行全焊接再處理。待風(fēng)管達(dá)到設(shè)定的長(zhǎng)度時(shí)，數(shù)控全自動(dòng)等離子切割系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)同步切割。

（一）不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)主要由風(fēng)管成型部件、管徑控制模板部件、數(shù)控自動(dòng)跟蹤焊接機(jī)構(gòu)、數(shù)控等離子切割部件、放料架和出料架等部件構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（二）不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)軋輥和成型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)軋輥和壓筋咬口成型機(jī)構(gòu)是風(fēng)管成型的主要部件之一。為了使用方便，適應(yīng)不同板寬加工需求，設(shè)計(jì)成兩組直徑風(fēng)管成型模具，直徑為600mm以下的風(fēng)管采用303mm寬度的鋼板和模具，直徑為600mm以上的風(fēng)管采用606mm寬度的鋼板和模具。風(fēng)管加工時(shí)，只需要選用對(duì)應(yīng)風(fēng)管直徑的模具，在基座上安裝對(duì)應(yīng)的風(fēng)管配套軋輥成型機(jī)構(gòu)，然后通過(guò)鎖緊調(diào)節(jié)裝置和固定松緊度，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格風(fēng)管加工模式的快捷轉(zhuǎn)換。

（三）不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)數(shù)控自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)使用的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采用成熟技術(shù)，主要用于對(duì)咬口咬合進(jìn)行精準(zhǔn)地焊縫跟蹤，確保焊接位置的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和持續(xù)性。

焊接跟蹤系統(tǒng)主要由傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。電子傳感器接觸螺旋風(fēng)管待焊咬口部位，實(shí)時(shí)采集焊接部位和傳感器間高度、橫向位移變化信號(hào)，通過(guò)控制器的放大、轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為軌跡曲線(xiàn)，控制步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)滑塊精確地執(zhí)行位置跟蹤動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)焊槍的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位。

（四）不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)等離子切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)配備長(zhǎng)度檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)、起點(diǎn)光電開(kāi)關(guān)和切割到位開(kāi)關(guān)，當(dāng)螺旋風(fēng)管加工長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的尺寸或經(jīng)人工干預(yù)控制時(shí)，啟動(dòng)切割程序，等離子點(diǎn)火，風(fēng)管邊加工邊切割。等離子割槍由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，隨著風(fēng)管加工伸出方向直線(xiàn)精準(zhǔn)移動(dòng)，螺旋風(fēng)管完成一周切割后，等離子電弧停止，切割系統(tǒng)自動(dòng)退回到原始起點(diǎn)的光電位置。

（五）不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)放料架設(shè)計(jì)

根據(jù)加工螺旋焊接風(fēng)管的放料需求，放料架設(shè)計(jì)額定載荷為5t，由壓料機(jī)構(gòu)、料架主體、調(diào)整底座等結(jié)構(gòu)組成。料架主體可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞中心軸旋轉(zhuǎn)，啟閉通過(guò)設(shè)置于鋼板弧垂位置下方的位置傳感器控制，自動(dòng)匹配鋼帶的進(jìn)料或加工速度。

（六）不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)出料架設(shè)計(jì)

出料架的作用是承托風(fēng)管，使風(fēng)管出向平直，發(fā)揮穩(wěn)定風(fēng)管生產(chǎn)過(guò)程和出料導(dǎo)向的作用。由托架、托輥和調(diào)整底座等部分組成。出料架是承接加工完成的螺旋風(fēng)管成品，它的位置應(yīng)與風(fēng)管軸線(xiàn)平行，水平面一致。根據(jù)風(fēng)管直徑大小，調(diào)節(jié)兩托輥的張開(kāi)角度，使托輥與螺旋風(fēng)管的外壁接觸良好。

二、主要技術(shù)參數(shù)

加工板材厚度范圍為0.6mm～1.2mm；加工風(fēng)管直徑范圍為Φ250mm～Φ1400mm。加工風(fēng)管板材選用304材質(zhì)不銹鋼卷板（寬度為303mm和606mm）。風(fēng)管直徑偏差不大于1mm；板材進(jìn)料速度為0m/min～5m/min；最大焊接速度不小于600mm/min。

焊接方式為氣體保護(hù)焊（982混合氣體或氬氣），焊接系統(tǒng)焊機(jī)選用松下YD-350GL4，焊接跟蹤系統(tǒng)為YHB-10傳感控制器跟蹤系統(tǒng)。

風(fēng)管切割方式是等離子或激光切割系統(tǒng)，設(shè)備總功率是15kW，輸入電壓為380V。整機(jī)總質(zhì)量不大于3500kg，外形尺寸不大于6000mm×1200mm×1500mm（長(zhǎng)×寬×高）。

三、裝備特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

運(yùn)行穩(wěn)定性好，加工質(zhì)量好。根據(jù)鋼帶材料焊接性試驗(yàn)，確定了適合的焊接位置、氣體保護(hù)方式及不同管徑風(fēng)管加工的適合的焊接角度、螺旋線(xiàn)焊接速度、輸入電流等參數(shù)選擇范圍，焊縫斷面填充飽滿(mǎn)，顏色呈現(xiàn)金黃色。焊縫無(wú)損檢測(cè)等項(xiàng)目的抽檢試驗(yàn)表明，風(fēng)管的加工質(zhì)量滿(mǎn)足嚴(yán)密性技術(shù)要求。

機(jī)械化程度高，加工效率高。新型薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)將不銹鋼板材展平進(jìn)料、壓筋、卷圓、咬合、自動(dòng)焊接與轉(zhuǎn)料切割等多種加工設(shè)備的功能集成在一起，實(shí)現(xiàn)了圓形焊接風(fēng)管的全自動(dòng)化加工。系統(tǒng)采用了先進(jìn)的PLC工業(yè)控制器及數(shù)控等離子切割技術(shù)，工作穩(wěn)定，性能可靠，不僅加工效率提高8倍以上，風(fēng)管的焊接質(zhì)量也有明顯提升。

操作簡(jiǎn)便快捷，安全性能好。薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)將焊接、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度等多項(xiàng)功能參數(shù)設(shè)置于一個(gè)手動(dòng)觸控面板上，操作方便，控制便捷。設(shè)備采用了防潮、防塵、防高溫等技術(shù)措施，電氣元器件的設(shè)計(jì)和選用均按照國(guó)標(biāo)和CE認(rèn)證要求，并設(shè)有可靠的安全防護(hù)、保險(xiǎn)措施，電氣系統(tǒng)設(shè)置了漏電、接地和過(guò)壓保護(hù)功能。

四、結(jié)語(yǔ)

薄壁不銹鋼螺旋焊接風(fēng)管機(jī)在樣機(jī)研制過(guò)程中，先后突破了薄壁不銹鋼板材三維螺旋線(xiàn)精準(zhǔn)焊接、寬幅面鋼帶風(fēng)管成型、多管徑模具配套，以及等離子切割系統(tǒng)隨動(dòng)精準(zhǔn)控制等多項(xiàng)技術(shù)瓶頸問(wèn)題，申請(qǐng)并授權(quán)了4項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利。該裝備的成功研制和應(yīng)用，有效解決了對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)要求較高的通風(fēng)系統(tǒng)管道的機(jī)械化加工問(wèn)題，對(duì)于提高地下工程建設(shè)速度、質(zhì)量和效益，推進(jìn)地下工程建設(shè)具有重要意義。