摘要：長筒型薄壁件廣泛應(yīng)用于機械行業(yè)中的各類儲存罐體的筒壁，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由于截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力特點以及較長的焊道所導致的焊接專機難以控制焊縫質(zhì)量、內(nèi)表面焊接困難等問題，設(shè)計了一種長筒專用焊接專機。通過集成新型壓梁結(jié)構(gòu)與新型鎖臂機結(jié)構(gòu)，抵消鋼板在棍彎、夾固時產(chǎn)生的彈性形變，保障長筒縱縫的焊接精度。同時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，該專機滿足能夠滿足長筒薄壁件焊接需求。

關(guān)鍵詞：焊接專機;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、操作培訓難度高、配合設(shè)備復雜等難題，給企業(yè)造成較大負擔[2]。特別是在儲風罐、風缸等產(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)。

近年來隨著焊接機器人技術(shù)的不斷發(fā)展[3-4]，工程師們在拼接焊接專機的設(shè)計上進行了不同程度的設(shè)計和改進。茅洪菊等人[5]設(shè)計了一種焊接變位機構(gòu)，在拼裝焊接過程中將兩個工件進行同步或單獨旋轉(zhuǎn)切換工位，解決了兩工件在焊接中需要兩個變位機位置配合的難題。賈華東等人[6]改進了拼接焊工藝，提出適用于焊接專機的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化，設(shè)計了一種基于單面焊雙面成型的大型拼板焊接專機，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)力特點以及較長的焊道，導致焊接專機難以保持筒體縱縫貼合度。特別在應(yīng)用于儲風罐、風缸等精度、密封性要求較高的筒壁時，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設(shè)計方案。該焊接專機集成了新型壓梁結(jié)構(gòu)與新型鎖臂機結(jié)構(gòu)，可以抵消鋼板在棍彎、夾固時產(chǎn)生的彈性形變，保障長筒縱縫的焊接質(zhì)量。同時采用單面焊接雙面成型技術(shù)，在提高焊接質(zhì)量的同時使焊接效率提升1倍。最終高質(zhì)量、高效率、低成本、自動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總體結(jié)構(gòu)

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

1.1 鎖臂機

鎖臂機以風缸為動力驅(qū)動鉤門旋轉(zhuǎn)開閉，同時驅(qū)動鉤門上下移動，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的彈性形變，增強兩者剛度，保障焊縫與軌道梁平行，支撐軸體因長時間焊接產(chǎn)生塑性變形。

1.2 壓梁組成

兩個壓梁組成對稱布置，它們一端與機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，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軌、滾珠絲桿和伺服電機，焊接車在滾珠絲桿驅(qū)動下沿直線導軌水平移動。焊接車上裝載有焊縫對中移動激光指示器及垂向直線導軌，升降構(gòu)架由風缸驅(qū)動，沿垂向直線導軌快速升降。升降構(gòu)架上安裝有微調(diào)電動滑塊，微調(diào)焊槍橫向和垂向與焊縫距離。微調(diào)電動滑塊上裝有擺動器，設(shè)定焊槍擺動焊接。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，它能將焊接時產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)降溫。

1.5 機床身

機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)平安裝和運輸。箱床體內(nèi)部安放有氣動控制系統(tǒng)用來控制壓緊和鎖臂機等氣動機構(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（簡稱“背保”）。

2 焊接專機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 背保

單面焊雙面成型核心技術(shù)在于背部氣體保護、焊道成型控制及快速散熱。目前，雙面焊機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。其缺點是：（1）焊接時背面無保護氣體;（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。而某雙面成型焊機則采用半圓成型槽內(nèi)鉆孔通保護氣，該方式解決了焊道背面的保護氣體問題，但同時也帶來鐵水涌入通氣孔的問題。當焊接鐵水下垂較大時，焊道背面出現(xiàn)焊瘤，嚴重時會粘連到孔內(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)流動使得熱交換率最大，可快速降低焊接熱量，達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，每段溝槽獨立供應(yīng)保護氣體，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，縱縫組對時兩側(cè)的夾固點相距越近，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、施壓等動作基本采用風缸為輸出動力。由于大力量風缸體積較大，導致壓梁殼體寬度和高度大，使兩側(cè)夾固點相距較遠，焊槍桿長，焊接抖動大，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)，黃銅手指以多點施壓筒體，壓力分布均勻、貼合度高無死點。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

在短筒焊接時支撐軸體變形微小可忽略，但在長筒焊接時變形較大，需進行研究。目前常見的鎖緊機構(gòu)有氣動和手動兩種方式。兩種方式均存在一定的問題。氣動方式：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調(diào)節(jié)功能，不能適應(yīng)不同厚度的筒體夾固。氣動方式結(jié)構(gòu)如圖5所示。手動方式：手動翻轉(zhuǎn)鉤門，手動旋轉(zhuǎn)絲桿帶動滑體及鉤門鎖臂。人工操作費時、費力、效率低、拉力不統(tǒng)一。手動結(jié)構(gòu)如圖6所示。

文中以單個風缸為動力，驅(qū)動齒條齒輪帶動鉤門旋轉(zhuǎn)開閉?；谱卜旁诨蹆?nèi)可上下移動，滑移座上穿有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與齒輪及鉤門固定連接。當齒條被向下推動時，滑移座跟隨下落直至底部被阻擋住，此時齒輪才轉(zhuǎn)動，鉤門旋轉(zhuǎn)打開。當齒條被向上拉動時，齒輪轉(zhuǎn)動、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，此時齒輪跟隨齒條上移，同時帶動滑移座和鉤門上移，鎖緊支撐軸體軸頭處。鎖臂機結(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、氣動元件、行程開關(guān)、儲存單元等，配備有示教編程功能的觸摸屏式人機交互界面，數(shù)字化程序控制，可以預置記憶8組以上參數(shù)。電動十字型微調(diào)節(jié)控制搖桿（上、下、左、右4個方向），在自動焊接過程中可以實時點動微調(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)分為手動和自動控制，可根據(jù)需要進行切換。專機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 長筒縱縫焊接試驗過程

將筒體通過輸送裝置傳送至專機內(nèi)，下落到支撐軸體上。通過傳感信號鎖臂機自動閉合，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構(gòu)下落，焊接小車水平勻速移動焊接，同時微調(diào)電動滑塊實時跟蹤焊縫，焊槍端安裝有擺動器控制焊槍擺幅。完成焊接后，焊槍通過垂向快速升降機構(gòu)上升復原，焊接小車回移到焊接原點，準備下一次焊接?，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、鎖臂機等關(guān)鍵部件重新設(shè)計，使得長筒縱縫焊接專機具有低投入、高質(zhì)量、高效率等優(yōu)勢，優(yōu)于昂貴復雜操作的機器人焊接。實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]。該焊接專機應(yīng)用于中國中車某公司在新西蘭IBB150L儲風缸、澳大利亞力拓160L儲風缸以及國鐵快運等車輛的制動儲風缸生產(chǎn)中，效果良好。

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