杠桿式鋼桶焊縫滾壓機(jī)的研制

單東升，景蔚然

(北方重工集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

杠桿式鋼桶焊縫滾壓機(jī)的研制

單東升，景蔚然

(北方重工集團(tuán)有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

針對(duì)鋼桶包裝行業(yè)的鋼桶桶身電阻焊搭接焊縫的缺陷，即焊縫處厚度超差、表面不平、應(yīng)力不均等問(wèn)題，采用杠桿原理，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定雙滾輪的傳動(dòng)方式，可對(duì)鋼桶桶身焊縫進(jìn)行滾壓。滾壓后的焊縫厚度不超差、表面平整、殘余應(yīng)力得到消除。從而提高了鋼桶焊縫強(qiáng)度，保障了鋼桶后續(xù)工序的卷邊質(zhì)量。

滾壓機(jī)；鋼桶；焊縫；杠桿式

包裝鋼桶廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品等行業(yè)的產(chǎn)品包裝和運(yùn)輸中，目前國(guó)內(nèi)外的鋼桶基本生產(chǎn)工藝大致相同，桶身部件均采用電阻焊原理進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫的技術(shù)要求也比較嚴(yán)格，不僅要求焊縫具有一定的強(qiáng)度、氣密性，而且要求焊縫平整光滑、厚度均勻不超差、后加工工藝性好。

在實(shí)際生產(chǎn)中，焊縫強(qiáng)度和氣密性都比較容易保證，但是焊縫成形后，往往厚度超差、內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，從而影響后道桶身翻邊及卷封工序的質(zhì)量難以保證。如圖1所示為桶身采用電阻焊加工后的焊縫處截面示意圖。圖1a為全自動(dòng)縫焊機(jī)焊接的焊縫，搭邊較窄，厚度超差不大，圖1b為半自動(dòng)縫焊機(jī)焊接的焊縫，搭邊較寬，厚度超差較大。

目前國(guó)內(nèi)鋼桶制造企業(yè)，對(duì)桶身焊縫機(jī)多數(shù)都已進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)，搭邊焊縫基本都能達(dá)到圖1a所示的形狀，只有少數(shù)企業(yè)還處于圖1b所示的技術(shù)狀態(tài)。我們本篇研究的基礎(chǔ)，確定為能代表國(guó)內(nèi)目前主流的全自動(dòng)縫焊機(jī)的焊接技術(shù)，以圖1a所示的焊縫為研究前提。

如圖1a所示的焊縫截面狀況，對(duì)鋼桶加工工藝及質(zhì)量的影響主要有兩種情況：

(1)焊縫處殘余應(yīng)力可致后道桶身翻邊工序質(zhì)量問(wèn)題，主要是焊縫翻邊處裂紋，易產(chǎn)生焊縫翻邊處滲漏。如圖2所示為焊縫翻邊處破裂實(shí)物圖。翻邊破裂后，致使卷邊處破裂并產(chǎn)生卷邊滲漏，如圖3所示。

圖1 桶身焊縫截面示意圖

圖2 焊縫翻邊處破裂實(shí)物圖

(2)焊縫處厚度超差可致后道桶身與桶底、桶頂進(jìn)行卷邊裝配時(shí)，焊縫處局部材料過(guò)剩，易產(chǎn)生卷邊滲漏。正常卷邊如圖4所示，為卷邊截面實(shí)物圖。由圖可見(jiàn)，卷邊內(nèi)應(yīng)嚴(yán)密無(wú)縫隙，才能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的密封性。但在實(shí)際生產(chǎn)中，桶身焊縫處往往比桶身其他部位厚度大。如桶身厚度為1mm的鋼桶，經(jīng)全自動(dòng)縫焊機(jī)焊接后，焊接處厚度一般在1.5mm左右。實(shí)踐證明，焊縫處厚度超過(guò)1.2mm時(shí)，焊縫處卷邊形成的三角區(qū)滲漏率可達(dá)50％以上。

圖3 桶身翻邊裂紋造成卷邊處滲漏

圖4 鋼桶卷邊截面實(shí)物圖

所以，需要對(duì)焊縫進(jìn)行滾壓加工，其目的是：①將焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行消除，保證翻邊不破裂；②將焊縫處碾薄，使厚度不超出單層鋼板厚度的20％。

1 傳統(tǒng)焊縫滾壓機(jī)

近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了兩種不同的鋼桶焊縫滾壓機(jī)，這兩種滾壓機(jī)代表著國(guó)內(nèi)鋼桶焊縫滾壓機(jī)的發(fā)展過(guò)程。

1.1 單輥軌道式滾壓機(jī)

第一種是單輥軌道式滾壓機(jī)。如圖5所示為這種早期焊縫滾壓機(jī)實(shí)物圖。工作時(shí)，先將桶身套到軌道上，使焊縫向上置于軌道的上部外徑直線上，然后操作滾輪和軌道的上部沿軌道做直線運(yùn)動(dòng)，并給焊縫上施加一定的壓力。焊縫在滾輪和軌道之間受到碾壓力，從而使焊縫被碾薄，并消除焊縫殘余壓力。

圖5 單輥軌道式滾壓機(jī)

該焊縫滾壓機(jī)加工質(zhì)量能達(dá)到鋼桶生產(chǎn)的技術(shù)要求，但生產(chǎn)效率低(每只桶需要1分鐘)，基本屬于手工操作、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適用于大批量生產(chǎn)。

1.2 懸臂單輥式自動(dòng)滾壓機(jī)

第二種是懸臂單輥式自動(dòng)滾壓機(jī)。如圖6所示為其實(shí)物圖。

該焊縫滾壓機(jī)與上一種滾壓機(jī)原理基本相同，但是實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率，可達(dá)到每分鐘3只桶的速度。也有一種是將下軌道改為滾輪的，稱為懸臂雙輥式滾壓機(jī)。

圖6 懸臂單輥式自動(dòng)滾壓機(jī)

1.3 傳統(tǒng)滾壓機(jī)的缺點(diǎn)

上述兩種滾壓機(jī)，均采用懸臂結(jié)構(gòu)原理，其最大缺點(diǎn)是效率低，因?yàn)橥吧碓诠ぷ鬟^(guò)程中需送進(jìn)和取出，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，非工作時(shí)間較長(zhǎng)；另一個(gè)缺點(diǎn)是不易與鋼桶生產(chǎn)線聯(lián)線實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化。因生產(chǎn)線上的鋼桶均作直線輸送運(yùn)動(dòng)，在滾壓機(jī)上要實(shí)現(xiàn)送出流水線，滾壓完后再送入流水線，不能和流水線上的其他工序一樣實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，所以從工作方式和工作效率兩方面，影響了生產(chǎn)線自動(dòng)化水平。

這種結(jié)構(gòu)還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是懸臂工作使設(shè)備受力極不均衡，懸臂極易變形，影響設(shè)備加工精度和設(shè)備壽命。

2 杠桿式雙輥焊縫滾壓機(jī)

2.1 工作原理

鑒于懸臂式焊縫滾壓機(jī)的缺點(diǎn)，通過(guò)多次實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種杠桿式焊縫滾壓機(jī)。該滾壓機(jī)采用杠桿原理，將懸臂滾壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了徹底顛覆，改原來(lái)的桶身同一端進(jìn)出為一端進(jìn)另一端出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水線生產(chǎn)，與鋼桶生產(chǎn)線聯(lián)線合拍，大大提高了生產(chǎn)效率。如圖7所示為杠桿式雙輥焊縫滾壓機(jī)原理圖。

圖7 杠桿式雙輥焊縫滾壓機(jī)原理圖

2.2 工作過(guò)程

如圖7所示，工作時(shí)，利用輸送機(jī)構(gòu)，桶身從設(shè)備A端送入，從B端送出。工作過(guò)程如下：

(1)B端油缸下壓，A端油缸上抬，B端杠桿施壓點(diǎn)，以杠桿支承軸為中心，將上輥支承梁B端壓下，此時(shí)上輥支承梁會(huì)以B端上、下壓輥為支點(diǎn)中心，使A端杠桿施壓點(diǎn)翹起。

(2)A端杠桿施壓點(diǎn)翹起后，A端杠桿施壓點(diǎn)脫離上輥支承梁，桶身由輸送機(jī)構(gòu)送入上輥支承梁。桶身焊縫進(jìn)入上下壓輥之間實(shí)施碾壓，并由上下壓輥的滾動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向B端移動(dòng)。

(3)當(dāng)桶身向B端移動(dòng)接近B端杠桿施壓點(diǎn)時(shí)，B端油缸抬起，A端油缸下壓，使桶身可以從上輥支承梁中送出。

(4)當(dāng)桶身A端送出通過(guò)B端杠桿施壓點(diǎn)后，B端油缸再次下壓，開始下一個(gè)工作循環(huán)。

2.3 滾壓方式

如圖7所示，滾壓工作是由兩組上、下壓輥進(jìn)行的。在設(shè)計(jì)中，為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以把下壓輥設(shè)計(jì)成主動(dòng)輥，上壓輥設(shè)計(jì)成從動(dòng)輥。也可以把上下輥都設(shè)計(jì)成主動(dòng)輥。如圖8所示，為兩種不同的滾壓方式示意圖。兩種滾壓方式各有利弊。

(1)采用如圖8a所示雙主動(dòng)方式時(shí)，下壓輥的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)較易實(shí)現(xiàn)，但上壓輥的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)都需安裝在上輥支承梁上，動(dòng)力電也需通過(guò)杠桿施壓點(diǎn)進(jìn)行傳遞，設(shè)計(jì)和制造都會(huì)比較麻煩，機(jī)器的復(fù)雜程度也增加不少。但雙主動(dòng)滾壓方式送力均勻，加工質(zhì)量好。

(2)采用如圖8b所示單主動(dòng)方式時(shí)，下輥輪采用主動(dòng)，上輥輪采用被動(dòng)，這樣上輥支承梁的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，不僅省去了復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置，而且也不需要引入動(dòng)力電源，使機(jī)器從設(shè)計(jì)到制造簡(jiǎn)單了很多。但單主動(dòng)滾動(dòng)方式送力上下不均勻，加工質(zhì)量也沒(méi)有雙主動(dòng)的好。

圖8 滾壓方式示意圖

我們研究的樣機(jī)是采用雙主動(dòng)滾動(dòng)方式設(shè)計(jì)。在實(shí)際中，可以根據(jù)使用者的不同要求，選擇單主動(dòng)或雙主動(dòng)設(shè)計(jì)，其兩種不同滾壓方式的機(jī)器制造成本差別很大。

3 杠桿式焊縫滾壓機(jī)應(yīng)用效果

3.1 滾壓后焊縫表面的變化

滾壓后，焊縫表面平整光滑，也沒(méi)有了滾壓前的邊棱。手摸焊縫表面，光滑而無(wú)割手飛刺。鋼桶表面噴涂油漆并烘干后，外表已看不到焊縫的痕跡。肉眼在離鋼桶1m遠(yuǎn)處，看不到焊縫所在位置。

3.2 滾壓后焊縫厚度的變化

用1mm厚的鋼板，采用全自動(dòng)縫焊機(jī)進(jìn)行搭邊焊接，桶身縫焊后，再進(jìn)行焊縫滾壓，滾壓后的焊縫處測(cè)量厚度為1.1mm～1.2mm，完全能夠滿足后道卷邊加工的工藝要求。

3.3 滾壓后焊縫殘余內(nèi)應(yīng)力的變化

測(cè)量縫焊殘余應(yīng)力的方法有破壞性和無(wú)損測(cè)試兩種，我們采用破壞性測(cè)試方法——小孔法進(jìn)行檢測(cè)。

小孔法的原理是在應(yīng)力場(chǎng)中鉆小孔，應(yīng)力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應(yīng)力將重新調(diào)整；測(cè)得孔附近的彈性應(yīng)變?cè)隽?，就可以用彈性力學(xué)原理來(lái)推算出小孔處的殘余應(yīng)力。

在桶身中部的焊縫中間點(diǎn)打孔進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)到滾壓前，沿焊縫方向縱向應(yīng)力為406MPa，垂直焊縫的橫向應(yīng)力為254MPa；焊縫滾壓后，縱向應(yīng)力為183MPa，橫向應(yīng)力為141MPa。從測(cè)試結(jié)果看，桶身焊縫在滾壓前后的變化很明顯，說(shuō)明焊縫滾壓對(duì)消除及改善內(nèi)應(yīng)力的效果是顯著的。

4 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)器研制成功后，其優(yōu)勢(shì)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到證明。該滾壓機(jī)操作簡(jiǎn)便，加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，既節(jié)省勞力，又降低勞動(dòng)強(qiáng)度，符合環(huán)保理念。同時(shí)，取代了傳統(tǒng)的手工打磨及懸臂式滾壓機(jī)，有效解決了鋼桶焊縫外觀不平整、厚度超差、殘余應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題，性能穩(wěn)定，經(jīng)技術(shù)檢測(cè)后，焊縫內(nèi)部組織及質(zhì)量也有所改善。

該機(jī)器結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)新穎、生產(chǎn)效率可達(dá)到每分鐘10只桶，比傳統(tǒng)滾壓機(jī)的生產(chǎn)速度提高3～10倍，可以實(shí)現(xiàn)與鋼桶生產(chǎn)線完美匹配，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。

[1] 楊文亮，辛巧娟.金屬包裝容器--鋼桶制造技術(shù)[M].北京：印刷工業(yè)出版社，2007.

[2] 孫立華，張寶慶.一種新型焊縫碾壓機(jī)的研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2013，(3).

[3] 盧鮮亮，李居陸，陸 楠.200L鋼桶焊縫滾壓機(jī)研制[J].機(jī)械制造，2012，(4).

[4] 王者昌.關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討[J].焊接學(xué)報(bào)，2000，(2).

[5] 胡寧?kù)o，故蓉蓉，胡道秋.滾壓工藝國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)向[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，1994，(2).

[6] 吳 狄，趙連壁.焊縫滾壓機(jī)設(shè)計(jì)[J].閥門，1998，(4).

[7] 趙海燕，陳岳軍，史耀武，等.焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力的測(cè)試[J].焊管，1997，(4).

Development of lever-type roller press for welding seam of steel drum

SHAN Dongsheng,JING Weiran
(Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd.，Shenyang 110141,Liaoning China)

The defects of resistance weldinglap seam for steel drum body in the steel drum package industry,such as out-of-tolerance welding seam thickness and uneven surface&stress,have been introduced.The lever principle has been adopted to design a stable double roller transmission mode,which can roll press the welding seam of the steel drum body.After rolling,the welding seam thickness within tolerance,flat surface and residual stress has been obtained.Thus in this way,the strength of steel drum welding seam has been improved.The curling quality of the steel drum in the follow-up step has been ensured.

Steel drum;Welding seam;Rolling

TG386.3

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.009

1672-0121(2017)05-0031-03

2017-06-27；

2017-07-24

單東升(1964-)，男，高級(jí)工程師，從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究。E-mail：13805407320@163.com