孫立華 張寶慶

（①長春工業(yè)大學工程訓練中心，吉林長春130012;②長春理工大學機電工程學院，吉林長春130022）

不銹鋼焊縫廣泛存在于化工、制藥、食品行業(yè)等行業(yè)設備中，焊縫的處理方式及效果會導致外觀不美、殘余應力大、易腐蝕及容易殘留污染物等問題，影響工藝裝備制造水平、國內(nèi)外市場的產(chǎn)品價格及銷售量，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、碾壓方式及化學清洗處理等。傳統(tǒng)拋光打磨費時、費力，且不易改善內(nèi)部組織及降低殘余應力;化學清洗處理只能清潔外觀顏色，無法改變不規(guī)則形狀及消除殘余應力。而焊縫碾壓處理方式比打磨方式快20倍，沒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。

直線焊縫易導致板材翹曲、余高超差等問題，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。消除焊縫殘余應力與變形的有效方法有機械拉伸法、溫差拉伸法和焊縫滾壓法［2］。前兩種方法費時、費力且效果差，所以采用碾壓焊縫的方法是相關行業(yè)壓力容器必須的工序，焊縫碾壓機就屬于滾壓機的一種［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:在保持預加工的精度下，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力，提高耐疲勞強度和耐蝕性;可使工件表層金屬組織纖維化和細化。

鑒于目前市場上的焊縫處理機多為焊縫清理機，且價格較昂貴，雖有少量焊縫碾壓機，但多為專用機床，且碾壓焊縫的規(guī)格與種類受到限制，最大碾壓焊縫長度一般小于2 600 mm，最大碾壓厚度小于6 mm，鮮有簡單、高效，同時適用于直線與環(huán)形焊縫，板材厚度變化較寬的碾壓機。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床進行碾壓處理，但碾壓效果較差。為解決上述問題，設計開發(fā)一臺簡單實用的不銹鋼焊縫碾壓機是不銹鋼焊接制造行業(yè)的迫切需求。

1 機床工作原理及實施方式

1.1 碾壓機床工作原理

通過長度不同的手動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，導致組織變致密的同時，發(fā)生延展，焊縫區(qū)域周長變長，減小并釋放殘余內(nèi)應力，將導致彈性或者塑性塌陷變形的板體與桶體恢復到原來的狀態(tài)，從而提高表面硬度，消除焊接應力，平整外觀表面。

1.2 傳動形式分析及確定

滾壓機的滾輪工作形式一般有雙主動和單主動傳動形式［4］。前蘇聯(lián)多采用雙主動形式，而美國則多采用單主動形式，兩種傳動方式各有優(yōu)缺點，適用場合也不盡相同。雙主動傳動時，被碾壓工件工作穩(wěn)定可靠，工作部位滑動現(xiàn)象少。但其傳動系統(tǒng)復雜，需從減速機中引出2根主動軸。當要求縱向和橫向碾壓時，滾輪結構復雜、維護困難且不能適應多規(guī)格板材焊縫碾壓的規(guī)求，同時造價又高。單主動傳動結構簡單、緊湊，適用范圍較大。縱向和橫向（環(huán)向）都可以實現(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，是多用途滾壓機的一種合理的結構形式。其原理好如圖1所示。顯爾易見，此不銹鋼碾壓機床傳動形式必然選擇單主動傳動結構。

1.3 實施方式

如圖2，機架1上承載所有工作部件且通過膨脹螺栓13與地面14緊固連接，安裝在機架1上的主軸驅(qū)動電動機2通過變速箱3驅(qū)動錐齒輪組5實現(xiàn)換向，從而實現(xiàn)主動輥輪6旋轉(zhuǎn)并帶動罐體4作旋轉(zhuǎn)運動，通過手動搖柄12將力加載到主動直齒輪11，11帶動從動直齒輪10，從而驅(qū)動絲杠9旋轉(zhuǎn)，帶動螺母8將力傳遞給從動輥輪7，主動輥輪6與從動輥輪7共同作用將罐體上環(huán)形焊縫夾緊碾壓，針對不同焊縫，手動搖柄可提供不同的碾壓力。升降臺驅(qū)動電動機15驅(qū)動螺母絲杠副16，進而帶動伸縮機構17伸縮，實現(xiàn)剪刀叉升降臺18的升降，從而推動環(huán)形焊縫罐體與直線焊縫板體4的不同空間位置，實現(xiàn)對不同位置焊縫的碾壓。

2 關鍵部件設計

此機床屬強力旋壓設備，所以關鍵部件必須保證足夠的強度與剛度。

2.1 軋輥設計

采用合金鋼Cr12MoV，處理后材料硬度超過57 HRC的輥輪，可施加遠超過316L不銹鋼屈服極限520 MPa的壓應力，結構變形小于金屬塌陷變形。同時，主動輥輪向下傾斜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 立柱與基底設計

為了保證結構形變量，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計算，經(jīng)校核，立梁變形量小于0.5 mm。

2.3 電動機選擇

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

3 碾壓后焊縫性能變化

碾壓機的設計就是直接應用滾壓法去改善焊縫質(zhì)量，焊接應力及外觀形變是焊縫處理最受關注的兩個重要問題，也是評價焊縫碾壓機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，且金屬受碾壓流動趨勢明顯。

3.2 焊接殘余內(nèi)應力變化

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

小孔法的原理是在應力場中鉆小孔，應力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應力將重新調(diào)整;測得孔附近的彈性應變增量，就可以用彈性力學原理來推算出小孔處的殘余應力。小孔試驗法測得的數(shù)據(jù)根據(jù)操作人員水平雖有一定的誤差，但它所反映的應力分布及變化規(guī)律是十分準確與可信的。參考文獻［5］的測試、計算方法，在焊縫區(qū)域處建立直角坐標系（如圖4），測得的實驗結果如表1所示。

表1 小孔法測得的焊接殘余應力的值

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

4 結語

該機床的研制花費了近一年的時間，生產(chǎn)實踐證明，該碾壓機操作輕便、效果良好、生產(chǎn)效率高，既節(jié)省了原材料，又降低了勞動強度，符合環(huán)保理念［6］。同時，取代了傳統(tǒng)打磨工藝，有效地解決了焊縫外觀、殘余應力過大的問題，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。

該機床結構簡單、設計新穎、柔性較強，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，同時該機床功能齊全、效率高、性能先進且投資小，是相關行業(yè)頂級開發(fā)項目，達到了安全，環(huán)保、潔凈等通用技術條件，經(jīng)過適當?shù)匕b，可以成為現(xiàn)代化的半自動設備，推向市場，對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鋼桶焊縫自動滾壓機研制［J］.機械制造，2012，50（4）:85 －86.

［2］王者昌.關于焊接殘余應力消除原理的探討［J］.焊接學報，2000，21（2）:55－58

［3］胡寧靜，胡蓉蓉，胡道秋.滾壓工藝國內(nèi)外的發(fā)展動向［J］.湘潭大學自然科學學報，1994，16（2）:98 －130.

［4］吳狄，趙連壁.焊縫滾壓機設計［J］.閥門，1998（4）:38－40.

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

［6］李穗，傅曉峰.汽輪機轉(zhuǎn)子動葉圍帶滾壓機的設計與實踐［J］.機械工程師，2012（6）:183－184.