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        鋼筋鋼帶自動焊生產(chǎn)線專用電阻焊焊機的設計

        2019-03-22 08:39:48周好斌付新宇劉嘉琪
        焊管 2019年2期
        關鍵詞:短節(jié)截面積焊機

        周好斌,單 航,付新宇,劉嘉琪

        (西安石油大學 材料科學與工程學院,西安710065)

        1 鋼筋鋼帶結(jié)構及其焊接現(xiàn)狀

        鋼筋鋼帶又稱鋼筋梯子梁,是由兩根并列長梁和連接兩梁的若干短節(jié) (短鋼筋)焊接而成,相鄰短節(jié)之間構成限位孔,結(jié)構如圖1 所示。鋼筋鋼帶由于其結(jié)構簡單、 成本低廉,大量應用于煤炭開采時的錨桿支護煤巷掘進過程[1-7]。目前,鋼筋鋼帶主要由手工電弧焊焊接而成,存在焊接接頭強度不高、 焊工勞動強度大、 環(huán)境差、產(chǎn)量低等問題。為了改善目前現(xiàn)狀,設計了一種自動焊焊機,該焊機結(jié)合鋼筋鋼帶成型結(jié)構特點,采用目前較為成熟的電阻壓焊工藝進行焊接。分析了電阻壓焊過程中影響焊接接頭質(zhì)量的因素,即短節(jié)兩端焊接熱量不均、 焊件并聯(lián)分流以及焊接三相電流不平衡等。針對這些影響因素,設計了焊接專用工裝,并對焊接電源結(jié)構及其主要參數(shù)進行了設計,實現(xiàn)了鋼筋鋼帶的自動焊接。

        圖1 鋼筋鋼帶結(jié)構示意圖

        2 鋼筋鋼帶焊接工藝及工裝結(jié)構設計

        2.1 焊接工藝分析

        鋼筋鋼帶常規(guī)電阻壓焊過程是兩根電極直接擠壓兩根長梁外側(cè),與長梁內(nèi)側(cè)夾緊的鋼筋短節(jié)形成焊接電流回路,單根短節(jié)焊接過程如圖2 所示。

        圖2 單根短節(jié)焊接過程模擬示意圖

        焊接過程中,整個焊接回路的電阻較?。s為幾百微歐),由于長梁與短節(jié)接觸部位的初始接觸面積相對較小,其接觸電阻相對于其他部位較大,由電流的熱效應可知,該接觸面可產(chǎn)生大量電阻熱,從而使接觸面的金屬加熱至熔融狀態(tài),同時在氣缸推動電極的擠壓力作用下,實現(xiàn)長梁與短節(jié)的焊接。在此回路中,鋼筋短節(jié)兩端的接觸面電阻等效于兩個串聯(lián)電阻。為保證短節(jié)兩端焊接接頭均有足夠的強度,則需兩端焊接熱量近似相等。但由于鋼筋短節(jié)兩端截面的加工精度不同,且與長梁間接觸緊密度、 平整度等存在較大差異,使兩端接觸面電阻相差較大,從而導致兩端焊接接頭質(zhì)量不同,嚴重的可導致其中一端虛焊。

        長梁從一側(cè)通過自動輸送裝置到達焊接工位,短節(jié)上料裝置將短節(jié)放置在長梁內(nèi)側(cè),焊接完成后,繼續(xù)輸送一定距離后焊接另一鋼筋短節(jié)。這時焊接當前工位短節(jié)會與已焊接完成的短節(jié)形成并聯(lián)電路,使當前焊接實際功率不足。由于損失了一部分能量,導致焊接接頭強度差,即所謂的焊接過程中電流分流問題。

        2.2 焊接熱量平衡設計

        為解決由于短節(jié)兩端接觸電阻不同導致的焊接熱量不均、 焊接接頭強度差的問題,可采用雙電源同時獨立供電模式進行焊接,雙電源供電焊接結(jié)構如圖3 所示。

        圖3 雙電源供電焊接結(jié)構示意圖

        在初級回路中串聯(lián)一個雙向晶閘管組成單相調(diào)壓電路,用來控制回路通電時間及電流大小[8]。短節(jié)中間加一個電極構成兩個焊接回路,使短節(jié)兩端各自有獨立電源供電。通過獨立供電的雙電源設計,避免了單一電源供電時,由接觸電阻差異導致的焊接熱量不均問題。

        2.3 焊接工裝結(jié)構設計

        為實現(xiàn)鋼筋鋼帶工件的自動化連續(xù)焊接,必須使伺服電機控制輸送的鋼筋長梁與震動盤控制輸送的短節(jié)到達焊接工位進行焊接。為此設計了鋼筋鋼帶的專用焊接工裝,該工裝包括短節(jié)夾緊氣缸、 推力氣缸、 電極、 底座、 限位裝置等,其結(jié)構如圖4 所示。長梁和短節(jié)到達輸送焊接工位后,夾緊氣缸夾緊短節(jié),推力氣缸推動電極夾緊長梁,同時實現(xiàn)長梁與短節(jié)的焊接。

        3 電阻焊供電模式設計

        3.1 焊接電流分流設計

        基于鋼筋鋼帶工件結(jié)構的特點,距離較小的相鄰短節(jié)之間構成限位孔。由于相鄰限位孔間的距離相對較長,分流作用不顯著,故并聯(lián)分流作用主要存在于構成限位孔的兩根短節(jié)之間。這種并聯(lián)焊接結(jié)構在焊接過程中會引起分流,但同時這種結(jié)構又可以實現(xiàn)高效焊接。故設計采取同時焊接兩根鋼筋短節(jié),即6 個電極同時夾緊兩根短節(jié)分別形成4 個焊接回路,且兩短節(jié)的接觸電阻相互構成并聯(lián)電路。雙根短節(jié)同時焊接結(jié)構如圖5所示。采用該焊接方式,不僅可以解決并聯(lián)電路分流導致的焊接功率不足問題,同時也提高了焊接效率及能量利用率。

        圖5 雙根短節(jié)同時焊接結(jié)構示意圖

        3.2 焊接三相電流平衡設計

        采用工頻三相交流電源同時焊接兩根鋼筋短節(jié),焊接時只利用了三相電中A、 B 兩相之間的電壓,而C 相未使用。由于焊機焊接所需功率較大,此種焊接方法存在三相電流不平衡問題,會產(chǎn)生供電波形失真、 電涌、 尖波等現(xiàn)象,這對電網(wǎng)沖擊及設備損害極大,而且會影響焊接接頭的質(zhì)量[9]。結(jié)合鋼筋鋼帶結(jié)構的特點,相鄰兩根短節(jié)構成限位孔,每一個限位孔需要一相電壓。因此,為解決焊接電源三相電流不平衡問題,采取同時焊接3 段的方法,即同時焊接6 根鋼筋短節(jié),結(jié)構如圖6 所示。

        圖6 6 根短節(jié)同時焊接結(jié)構示意圖

        同時焊接6 根鋼筋短節(jié),鋼筋鋼帶限位孔的特殊結(jié)構恰好可以滿足這種焊接方法,每組構成限位孔的短節(jié)利用三相電壓中的一相,3 組限位孔就可利用三相電壓。此種焊接設計不僅解決了焊接電源三相電流不平衡的問題,且提高了焊接效率。

        3.3 鋼筋鋼帶專用焊機變壓器設計

        鋼筋鋼帶專用焊機采用固定式焊機,設計的焊機主要用于低碳熱軋鋼筋的焊接。整套設備同時焊接6 根鋼筋短節(jié),需要設計6 個相同變壓器,以其中一個變壓器為例,做如下設計。

        3.3.1 焊機功率設計

        設計的焊機主要用于焊接直徑10~16 mm 圓棒狀經(jīng)校直后的低碳熱軋鋼筋,低碳鋼電阻焊焊機額定容量[10]取0.3~0.5 kVA/mm2。不同截面積所需焊機功率范圍見表1。

        表1 不同截面積對應的焊機功率范圍

        基于鋼帶焊接結(jié)構的特殊性,焊接部位位于圓棒狀鋼筋短節(jié)與長梁相貫面處,最終所需焊接截面大小約等于圓棒截面積。短節(jié)兩端接頭同時焊接,單臺變壓器需要提供兩個截面焊接所需功率。對比表1 中數(shù)據(jù),所選焊機容量應符合焊接需求且經(jīng)濟綠色、 節(jié)約資源,綜合分析設計單臺變壓器容量為200 kVA。

        3.3.2 焊機變壓器鐵心設計

        焊接原始參數(shù):網(wǎng)壓電壓U1=380 V、 頻率f=50 Hz、 負載持續(xù)率εN=10%、 變壓器額定實載功率200 kVA、 強制水冷等。

        變壓器次級繞組為兩組一匝的線圈。每組線圈的次級額定空載電壓U2N=6.34 V。變壓器鐵心凈截面積計算公式[9]為

        式中:SFe——變壓器鐵心凈截面積,cm2;

        U2N——次級額定空載電壓,V;

        f——電源頻率,Hz;

        N2——次級繞組匝數(shù);

        BM——最大磁通,T。

        鐵心材料選用D310-0.35 硅鋼片,查表[11]選取BM=1.70 T。代入式 (1)計算得鐵芯截面積SFe=168 cm2,取鐵芯柱截面寬a=9 cm,則厚度b=18.7 cm。毛厚為b′,取疊片系數(shù)[11]KC=0.9,計算得到毛厚b′=20.8 cm。

        3.3.3 焊機變壓器結(jié)構設計

        由于變壓器容量為200 kVA,次級調(diào)節(jié)分為八級調(diào)節(jié)為宜,額定級定為倒數(shù)第二級,使變壓器有一定的后備容量。取U2N/U2min=1.75,其中U2min為次級最低電壓值,則U2min為3.62 V。由于次級是兩組一匝的繞組,以其中一匝線圈為例,若使電壓按幾何級數(shù)隨級別提高,其比率為q,則

        其中U2(1)為次級第一級電壓,求得q=1.10,計算出變壓器各級電壓U2。由各級的變壓比算出初級繞組的匝數(shù),取整數(shù)值,再反過來修正各級電壓,各參數(shù)值計算結(jié)果見表2。

        表2 變壓器設計參數(shù)

        變壓器一次繞組按抽頭形式設計8 級調(diào)節(jié)級數(shù),即8 個檔位調(diào)節(jié),級數(shù)調(diào)節(jié)原理如圖7 所示。

        各檔位之間匝數(shù)為表2 中對應檔位初級繞組匝數(shù)的差值,其中第8 檔為基礎匝數(shù)54 匝。標號越大的檔位其初級繞組匝數(shù)越小,焊接電壓越大,可焊接圓棒直徑越大。

        圖7 變壓器級數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖

        3.3.4 初、 次級繞組導線截面積設計

        初級繞組線圈為帶有絕緣層的扁平銅線,初級繞組截面積[11]為

        式中:k——變壓比;

        j1——初級繞組許用電流密度,A/mm2。

        1.03 ~1.07 為考慮變壓器的損耗和磁化電流的 系數(shù),取j1=5 A/mm2,代入得S1=36.7 mm2,取寬為14.1 mm,厚度為4.7 mm。有時為了節(jié)省銅料,在低于額定級才接入的繞組,其截面積可選的小一些。同理,取j2=5 A/mm2,次級繞組截面積S2=1 012 mm2,可選用相同截面積的銅箔疊片進行軟連接。

        4 焊接工藝試驗結(jié)果

        在鋼筋鋼帶自動焊生產(chǎn)線的送料、 調(diào)直、 儲料、 控制、 剪切、 出料等設備的協(xié)同下,設計的焊機電源及其焊接工裝結(jié)構實現(xiàn)了鋼筋鋼帶焊接過程的自動化。設置一定焊接參數(shù),得到焊接產(chǎn)品,并通過對焊接產(chǎn)品進行破壞性試驗檢測其強度。

        4.1 工藝試驗條件

        試驗采用直徑為10 mm 的Q235b 熱軋鋼筋,在MTS 靜態(tài)液壓萬能試驗機進行拉伸試驗,拉伸速率6 mm/min。采用兩種不同焊接參數(shù)進行焊接,具體參數(shù)設置見表3。

        表3 焊接電源及壓力參數(shù)設置

        4.2 試驗結(jié)果與分析

        每組在相同試驗條件下分別有3 個焊接試樣,在萬能拉伸機下對試樣的焊接接頭做破壞性試驗,測量試樣的拉伸斷裂荷重,來衡量產(chǎn)品的可靠性,試樣拉伸斷裂荷重檢測結(jié)果見表4。

        表4 試樣拉伸斷裂荷重檢測結(jié)果

        試驗結(jié)果表明,本研究電阻焊機采用不同焊接參數(shù)所焊接的試樣,其拉伸斷裂荷重遠大于手工電弧焊所焊接的產(chǎn)品強度。鋼筋直徑相同時,手工電弧焊接焊縫拉伸斷裂荷重約為16 kN,而采用電阻壓焊自動焊接方法焊接產(chǎn)品的焊縫拉伸斷裂荷重均大于20 kN,滿足實際使用要求,且焊接效率有了較大提高。直徑10 mm 鋼筋焊縫拉伸斷裂荷重約為30 kN,電阻壓焊產(chǎn)品的焊點拉伸斷面面積約為直徑截面的65%~85%。理論計算的焊點拉伸斷裂荷重與實際測量值相符。因此所設計的焊機參數(shù)及焊接工裝結(jié)構是合理可行的。

        5 結(jié)束語

        完成了鋼筋鋼帶專用焊接工裝及焊機電源的結(jié)構設計以及其自動焊生產(chǎn)線的成套設計,提高了鋼筋鋼帶的生產(chǎn)效率及焊接接頭質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本。焊接工藝試驗結(jié)果表明,焊接產(chǎn)品相比手工電弧焊,其拉伸斷裂荷重有較大提升,滿足實際使用要求,該設計結(jié)構和參數(shù)合理可行。該設計不僅解決了當前焊接的實際問題,對特殊工件焊接接頭的工裝設計提供了參考和借鑒,同時對設計其他專用焊機有一定的參考價值。

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