變電站接地扁鋼自動(dòng)焊接機(jī)的設(shè)計(jì)

朱建春，張高超，曹杰勇，王冠華

（江西省送變電工程有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

變電站工程接地焊接施工點(diǎn)多面廣，目前一般采用直流焊接機(jī)，手工焊接的方法。由于焊接作業(yè)環(huán)境惡劣，手工焊接存在人為因素和焊接人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷，影響焊縫質(zhì)量，而接地裝置焊接質(zhì)量直接關(guān)系到接地電阻值的穩(wěn)定，關(guān)系到變電站的安全運(yùn)行。為提高焊接質(zhì)量和焊接工作效率，降低焊接人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接過程的自動(dòng)化是接地焊接施工發(fā)展的必然趨勢(shì)。

根據(jù)變電站的接地要求，接地扁鋼需埋于寬約80 cm的掩埋溝中，如圖1所示，空間狹窄，目前尚未有應(yīng)用于深窄溝的自動(dòng)焊接設(shè)備。為了降低電焊工人手工焊接的勞動(dòng)強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)了一種可在深窄溝運(yùn)用的自動(dòng)焊接機(jī)。

1 扁鋼定位夾緊機(jī)構(gòu)

如圖2為定位夾緊機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)，定位夾緊機(jī)構(gòu)安裝在焊接臺(tái)面上，焊接臺(tái)采用經(jīng)QPQ處理后的結(jié)構(gòu)鋼材料，可防焊渣及鐵水。

定位夾緊的具體工作過程分為三步：

首先，將第一塊待焊扁鋼放入到底座上，靠在定位塊3上，通過磁性銷的磁力吸附在定位塊3上，扁鋼端面靠在定位塊2上，從而確定第一條焊縫的位置；

之后放入第二塊扁鋼，通過定位塊1對(duì)第二塊扁鋼端面定位，確定第三條焊縫的位置；

最后將螺旋夾具旋緊，使兩個(gè)扁鋼夾緊。機(jī)構(gòu)通過定位擋塊和定位塊及螺旋夾緊夾具實(shí)現(xiàn)扁鋼的定位夾緊。

圖2 總體定位夾緊機(jī)構(gòu)

通過以上機(jī)構(gòu)定位夾緊后，焊接的第一個(gè)起始點(diǎn)坐標(biāo)即已經(jīng)確定，如圖3所示，所以焊接時(shí)，滑臺(tái)控制焊槍到達(dá)焊接起點(diǎn)。

圖3 焊接起點(diǎn)

底部移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)采用900 mm×500 mm×20 mm鋁合金材料作為底板。底板滾輪采用寬幅滾輪，便于在松軟工地現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)；直徑為150 mm，在不平整的掩埋溝中具有良好的通過能力；滾輪上設(shè)有鎖緊裝置，使其可固定在指定位置。

2 焊槍位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

利用三軸滑臺(tái)配合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度，以此來保證焊槍姿態(tài)及空間位置的可達(dá)性，具體過程示意如下。

在焊接開始時(shí)，通過控制三軸滑塊運(yùn)動(dòng)，使焊槍對(duì)準(zhǔn)第一起始焊接點(diǎn)（通過定位夾緊機(jī)構(gòu)確定的坐標(biāo)），焊接開始，控制Z軸以一定速度移動(dòng)，使焊槍焊接第一條焊縫，如圖4所示。

在完成第一條焊縫的焊接后，焊槍到達(dá)第一條焊縫的終點(diǎn)，即為第二條焊縫的起點(diǎn)，控制焊槍在X軸行走進(jìn)行第二條焊縫的焊接，如圖5所示。

圖4 第一條焊縫的自動(dòng)焊接

圖5 第二條焊縫的自動(dòng)焊接

待焊槍完成第二條焊縫焊接后，在第二條焊縫終點(diǎn)后，控制焊槍上的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180度，由于旋轉(zhuǎn)軸中心和焊槍的焊接點(diǎn)重合，所以經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后，焊槍的焊點(diǎn)還是在原來的位置，如圖6所示。

圖6 焊槍旋轉(zhuǎn)調(diào)整

滑臺(tái)選擇標(biāo)準(zhǔn)型絲杠滑臺(tái)，通過步進(jìn)電機(jī)控制滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)。為了確保自動(dòng)焊接的穩(wěn)定性，三軸皆選擇相同寬度為130 mm的滑臺(tái)。XYZ三軸步進(jìn)電機(jī)選擇86HS2100-5型，最大扭矩為4.4 N.m；旋轉(zhuǎn)軸選擇57BYGHM280-3004A型步進(jìn)電機(jī)，最大扭矩為2 N.m。

最終得到自動(dòng)焊接機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，總體尺寸為618 mm×900 mm×1 052mm，可以放入到掩埋溝中進(jìn)行焊接作業(yè)。

圖7 自動(dòng)焊接機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3 焊接實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，制備得到扁鋼自動(dòng)焊接樣機(jī)，如圖8所示。

圖8 扁鋼自動(dòng)焊接樣機(jī)

運(yùn)用自動(dòng)焊接樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接實(shí)驗(yàn)，如圖9所示，通過自動(dòng)焊接機(jī)實(shí)現(xiàn)了扁鋼的自動(dòng)焊接。

通過對(duì)比手工焊接及本文設(shè)計(jì)自動(dòng)焊機(jī)焊接的扁鋼樣品進(jìn)行對(duì)比，如圖10（a）所示，由于手工焊接的質(zhì)量很大程度上受到人為因素影響，焊縫不可避免存在焊縫偏離，夾渣、砂眼等缺陷，并且由于焊接不均勻使焊接扁鋼上存在應(yīng)力集中而發(fā)生變形；而采用自動(dòng)焊接的焊縫均勻，表面光滑，未見明顯缺陷，如圖10（b）所示。

圖10 焊縫對(duì)比

采用手工焊接兩塊扁鋼時(shí)，操作人員需手動(dòng)夾緊兩扁鋼進(jìn)行焊接，三條焊縫焊接的時(shí)間需要9min；自動(dòng)焊接的焊接速率為1.5 mm/s，采用機(jī)械裝夾，完成扁鋼三條焊縫焊接所需時(shí)間約為5 min，提高了焊接的效率。

4 結(jié)論

通過本文的自動(dòng)焊接機(jī)設(shè)計(jì)，電焊機(jī)、送絲機(jī)、專用工裝夾具集中裝于一個(gè)工作平臺(tái)上，通過設(shè)計(jì)使二塊扁鋼緊密地固定在支承平臺(tái)上，在控制系統(tǒng)的坐標(biāo)中，起焊點(diǎn)的坐標(biāo)通過定位夾具確定，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)地引導(dǎo)焊槍到達(dá)起焊位置；焊接過程首先完成從下到上的直立焊縫焊接，然后連續(xù)地焊接水平部位的焊縫；最后一條豎直焊縫在另一平面，與第二條焊縫不連續(xù)，焊槍以手動(dòng)或自動(dòng)的方式通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到起焊點(diǎn)，然后啟動(dòng)焊接，完成最后一道焊縫的焊接。