變電站接地扁鋼自動焊接機的設(shè)計

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多面廣，目前一般采用直流焊接機，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強度大等缺陷，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強度，焊接過程的自動化是接地焊接施工發(fā)展的必然趨勢。

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)用于深窄溝的自動焊接設(shè)備。為了降低電焊工人手工焊接的勞動強度，本文設(shè)計了一種可在深窄溝運用的自動焊接機。

1 扁鋼定位夾緊機構(gòu)

如圖2為定位夾緊機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)，定位夾緊機構(gòu)安裝在焊接臺面上，焊接臺采用經(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，使兩個扁鋼夾緊。機構(gòu)通過定位擋塊和定位塊及螺旋夾緊夾具實現(xiàn)扁鋼的定位夾緊。

圖2 總體定位夾緊機構(gòu)

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

圖3 焊接起點

底部移動機構(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)場運動；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)機構(gòu)

利用三軸滑臺配合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)四個自由度，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，通過控制三軸滑塊運動，使焊槍對準(zhǔn)第一起始焊接點（通過定位夾緊機構(gòu)確定的坐標(biāo)），焊接開始，控制Z軸以一定速度移動，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，即為第二條焊縫的起點，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 第一條焊縫的自動焊接

圖5 第二條焊縫的自動焊接

待焊槍完成第二條焊縫焊接后，在第二條焊縫終點后，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重合，所以經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后，焊槍的焊點還是在原來的位置，如圖6所示。

圖6 焊槍旋轉(zhuǎn)調(diào)整

滑臺選擇標(biāo)準(zhǔn)型絲杠滑臺，通過步進(jìn)電機控制滑臺運動。為了確保自動焊接的穩(wěn)定性，三軸皆選擇相同寬度為130 mm的滑臺。XYZ三軸步進(jìn)電機選擇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，最大扭矩為2 N.m。

最終得到自動焊接機的總體結(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 自動焊接機總體結(jié)構(gòu)

3 焊接實驗

根據(jù)以上設(shè)計，制備得到扁鋼自動焊接樣機，如圖8所示。

圖8 扁鋼自動焊接樣機

運用自動焊接樣機進(jìn)行現(xiàn)場焊接實驗，如圖9所示，通過自動焊接機實現(xiàn)了扁鋼的自動焊接。

通過對比手工焊接及本文設(shè)計自動焊機焊接的扁鋼樣品進(jìn)行對比，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 焊縫對比

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

4 結(jié)論

通過本文的自動焊接機設(shè)計，電焊機、送絲機、專用工裝夾具集中裝于一個工作平臺上，通過設(shè)計使二塊扁鋼緊密地固定在支承平臺上，在控制系統(tǒng)的坐標(biāo)中，起焊點的坐標(biāo)通過定位夾具確定，實現(xiàn)程序自動地引導(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)，焊槍以手動或自動的方式通過機構(gòu)運動到起焊點，然后啟動焊接，完成最后一道焊縫的焊接。