大型帶式輸送機滾筒焊接工藝分析及優化研究

王瑞森，詹 斌，劉宏福

（衡陽運輸機械有限公司，湖南衡陽 421002）

0 引言

對于大型帶式輸送機來說，滾筒是關鍵部件，其在正常運行或傳動過程中需要承受很大的張力和扭矩，因此在目前大型帶式輸送機的應用中，箱數的越來越多也對滾筒部件的質量也提出了更高的要求。然而，在目前大型帶式輸送機的應用中，存在著較多滾筒失效問題，主要表現在滾筒軸斷裂、脹套松動、殼體磨損、焊縫開裂等。鑒于焊接裂紋問題的可能性較大，焊接工藝是主要問題，需要對焊接工藝進行改進。

1 大型滾筒的焊接工藝分析

大型帶式輸送機中滾筒的輻板主要焊接結構有3 種（圖1）。

第一種主要代表板輻板與氣缸殼、輪轂之間的焊接結構形式。這種結構的焊縫位置會產生較大彎曲應力，將導致焊接表面產生較大的應力風險。輪轂或輻條板如果存在其他設計缺陷，在焊接過程中很容易導致金屬疲勞強度的降低等。也就是在焊接結構形式上存在設計缺陷。第二種則是為了解決滾筒焊接區易失效的問題，用輪轂和渦輪輻板代替傳統金屬板的端板結構，可以有效地減小該焊接結構下的焊接面積。而第三種則是在上述基礎上的繼續改進，將原殼體外獨立結構改進為與輪轂輻板集成的端板結構，不需要角焊，避免了角焊造成的許用疲勞應力范圍低的問題。通過輻板與輪轂之間的壓力配合消除了拉應力，降低了裂紋擴展的概率。

圖1c 的滾筒端板采用整體鑄造制造，但是由于尺寸限制，無法在滾筒內部焊接，只能采用單面焊接和雙面成型工藝焊接。另外，在上述焊接過程中，要保證接頭根部的貫通和焊縫背面的形成，避免燒壞問題，并在接頭背面設置焊墊。所用的焊接襯墊主要有永久襯墊和臨時襯墊2 種。

圖1 輻板焊接結構

圖2 所示的這種滾筒結構所用的襯墊為永久襯墊，該襯墊不僅可以避免燒穿問題而且便于組裝，可以用于單面焊后襯墊不能從背面拆除的情況。所用永久襯板的厚度應根據主板的厚度選擇，一般厚（3～10）mm、寬（20～50）mm。為了固定永久墊層，通常采用間歇式定位焊接，保證墊層板與底板邊緣緊密貼合，避免根部夾渣問題。另外，在連接不同厚度的緩沖板時，也可以采用坡口鎖緊的方法進行焊接。雖然永久襯板具有優勢，但是由于其連接和接頭連接為一體，因此也改變了接頭的應力分布，并顯示出應力集中問題在根部更為嚴重。此外，在板與母材之間的間隙中容易積聚污垢和腐蝕問題，使板與母材之間的連接和接頭處的應力集中。在滾筒的重要結構改造中，一般不采用這種焊接結構形式。

圖2 滾筒結構及焊縫設計

這些問題不僅存在于筒體焊接工藝中，而且針對目前常用的單面焊成形焊接工藝，焊接效果還容易受到電弧焊電源、電流、速度、電壓、焊接層數、電極類型以及電極直徑等工藝參數的干擾。而在影響焊接結構尺寸誤差和焊縫形狀不良的因素下，也容易出現結構疏松、夾渣、非金屬夾雜和熔合、未焊透、咬邊、裂紋和表面缺陷等問題。因此，大型帶式輸送機滾筒焊接時焊接質量難以控制，疲勞開裂是主要問題。

2 滾筒焊接工藝的優化與焊接機器人的應用

由于大型帶式輸送機的單面焊、滾筒采用成形焊接工藝會出現上述問題，所以需要采用錯邊的對焊結構設計方法來改進焊接工藝。氣體保護電弧焊是主要形式，在筒體內側形成焊根和填充層通過混合氣體保護電弧焊的方式，并通過自動埋弧焊等焊接工藝對覆蓋部位進行改進。根據某公司設計、制造和應用大型滾筒的經驗，對上述滾筒焊接工藝進行了改進。對于桶內端板和殼體的對接焊接工藝，墊片結構按AWS D1.1 標準要求焊接，根部焊接和根部清洗的焊接工藝由內部氣體保護形成。此種焊接工藝中的對接焊縫根部間隙為0～2 mm，U 形坡口角度為55°±5°，具體的焊接工藝參數見表1。

表1 焊接工藝參數

在采用上述焊接工藝在對滾筒內部進行焊根成型時，由于其中的滾筒直徑和端盤孔徑比較小，無法采用傳統的人工滾筒內部焊根的焊接方式，而需要通過焊接機器人的方式來進行改進。此焊接工藝中所采用的工件以及焊接條件見表2。

表2 焊接機器人焊接系統的適用工件及焊接條件

在上述焊接工藝中，所采用的焊接機器人系統中主要包括焊接機器人 KR5ARC（包括控制系統、示教盒等）、弧焊軟件包（含焊縫尋找）、系統聯線總成、單軸機器人C 形支撐HCS-3、機器人滾輪架、外部控制盒、Art sen PM500F全數字化焊接電源（含送絲機、機器人接口等）、溫控水箱、防碰撞及機器人槍夾、機器人單絲水冷焊槍、BRG2000 清槍站（含剪絲及噴硅油機構等）。所用的焊接機器人KR5ARC 的性能參數見表3、表4。滾筒內部根層的焊接如圖3 所示。

表3 焊接機器人KR5ARC 的性能參數

表4 焊接機器人KR5ARC 各軸的運行范圍及速度

圖3 焊接機器人內部根層焊接示意

3 結語

對大型帶式輸送機滾筒焊接結構以及傳統焊接工藝中存在的問題進行分析，提出了對滾筒焊接端板和筒體結構進行改進的思路，并在分析了焊接工藝后，提出采用AWS D1.1 標準確定焊接工藝。介紹了具體的工藝流程和技術，同時對焊接機器人系統的配置和參數進行了介紹。通過焊接技術在實際生產中的應用，驗證了鼓式焊接工藝提高的實用價值。