基于卡車儲氣罐環(huán)縫焊機的機械結構設計

張宣升 李兵 張朝國 陳囡囡

摘要：根據(jù)卡車儲氣罐的結構特點和常用的加工方式，有針對性地設計環(huán)縫焊機，包括其整體結構、焊槍頭的專用夾具、放置焊接工件的托架。對卡車儲氣罐環(huán)縫焊機進行焊接試驗，試驗測試表明：該環(huán)縫焊機在保證焊接質量的同時，焊接速度比人工焊接提高了2倍有余，保證了產品合格率，大幅度降低了生產成本。

關鍵詞：卡車儲氣罐；環(huán)形焊縫；環(huán)縫焊機；結構設計

中圖分類號：TP23 ?????????文獻標識碼：A ??????????文章編號：1672-4437（2023）04-0036-05

卡車儲氣罐用來儲存壓縮氣體，主要作用是向剎車系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓縮空氣，從而實現(xiàn)剎車系統(tǒng)的正常工作^[1]。儲存的空氣氣壓值一般在0.6-1.0MPa，對儲氣罐的進氣、出氣及排水孔圓形螺母焊接要求較高。因為卡車儲氣罐制造精度較低、價格便宜等原因，大部分廠家只是采用人工手動焊接的傳統(tǒng)方式對卡車儲氣罐焊縫進行焊接。人工手動焊接對工人技術水平要求較高，而且存在人工勞動強度大、產品質量不穩(wěn)定、生產效率低下、成本高、焊接環(huán)境惡劣等問題，在安全方面也存在很大的隱患^[2]。

隨著卡車銷量及安全性的提升，卡車儲氣罐的傳統(tǒng)生產模式已不能滿足實際生產需要。而焊接機器人大多體型龐大、結構復雜、采購成本和使用成本較高，中小型企業(yè)難以承受。為此，本研究設計一種操作簡單、價格便宜、焊接質量較高的環(huán)縫焊機，用來解決卡車儲氣罐傳統(tǒng)生產模式生產效率低下、焊接質量不穩(wěn)定等問題。

1 卡車儲氣罐的結構特點及加工過程

1.1 結構特點

卡車儲氣罐一般由筒體、封頭、法蘭、接管、密封元件和支座等零件和部件組成，如圖1所示。其中1為出氣孔圓形螺母，2為進氣孔圓形螺母，3為連接壓力表圓形螺母（規(guī)格同1），4為排水孔圓形螺母（規(guī)格同2）。材料為Q235B，壁厚2mm，經激光切割、沖壓成型、焊接等工藝加工而成。質量應符合TJ/T1178.2-2019《營運貨車安全技術條件 第2部分：牽引車輛與掛車》和QC/T200-2015《汽車和掛車氣壓制動裝置用儲氣筒性能要求及試驗方法》的相關要求。

1.2 加工過程

首先用激光切割機切割出560mm×942mm的矩形鋼板，并在對應的位置上切割出2個直徑22mm、2個直徑36mm的圓孔，然后通過壓力機壓成圓柱狀，用直縫焊機進行焊接，然后焊接進氣、出氣、排水孔圓形螺母，最后焊接兩端蓋。由于罐內壓強較高，進氣、出氣、排水孔圓形螺母焊接后要求在1MPa壓力下不得漏氣，焊縫應平整、均勻，無裂紋、焊穿、弧坑、脫焊、漏焊等缺陷，應連續(xù)光滑。本研究設計出可以代替人工焊接的環(huán)縫焊接專用的機械機構，專門焊接儲氣罐上進氣、出氣、排水孔圓形螺母。

2 環(huán)形焊縫及焊接

2.1?環(huán)形焊縫

環(huán)形焊縫是指焊接的起始焊接位置與結束焊接位置重合，沿著焊接接口環(huán)形一周形成的封閉圓環(huán)狀的焊縫，常見于筒體、管道焊接等。根據(jù)所在位置不同，可分為平盤類環(huán)形焊縫、管板類環(huán)形焊縫、筒體類環(huán)形焊縫。環(huán)形焊縫相比于直線類焊縫，不僅僅是焊縫形狀不同，在焊接過程中，焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣流流量、焊槍傾角、焊絲干伸長度等各種參數(shù)都在變化，因此焊接復雜程度較高，對焊接要求也高。

2.2 環(huán)形焊縫焊接方法

根據(jù)焊接工件的尺寸大小以及焊接工藝等需求，環(huán)形焊縫常見焊接方法有：手工焊條電弧焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊以及埋弧焊。各種焊接方法的比較見表1。

3 環(huán)縫焊機結構設計

3.1?總體結構設計

本環(huán)縫焊機結構模式為銑床式結構，通過調節(jié)氣動裝置、電機參數(shù)、焊接電流、送絲速度等實現(xiàn)環(huán)縫焊機的自動化控制，進而實現(xiàn)不同規(guī)格的圓形螺母焊接。環(huán)縫焊機主要由焊接系統(tǒng)、焊接運動調節(jié)系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)組成。床身尺寸長1600mm、寬800mm、高1995mm，焊機由運動調節(jié)系統(tǒng)帶動焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)自動焊接運動。運動調節(jié)系統(tǒng)包括氣動裝置和電動旋轉裝置。環(huán)縫焊機由機身、焊機、自動送絲機構、運動調節(jié)機構、焊接頭夾具、焊接機構等結構部件組成。主要技術參數(shù)見表2。

控制系統(tǒng)采用PLC控制，通過控制電機的轉速實現(xiàn)對焊槍頭運動的精準控制，對焊接過程全程監(jiān)測，隨時調整焊接電流參數(shù)、送絲速度，精確控制焊槍與焊接處的相對位置，從而實現(xiàn)對焊接質量的控制。

3.2 自動環(huán)縫焊接軌跡成形設計

現(xiàn)有環(huán)縫焊機種類繁多，大多數(shù)是焊槍固定，難以根據(jù)工件實際尺寸進行調節(jié)，一般都是工件轉動，實現(xiàn)環(huán)縫焊接。但是工件相對較大，要想驅動其轉動，還要對其進行穩(wěn)定夾持，機械部分較為麻煩，且不方便操作^[3]。因此，設計一種工件不動，焊槍旋轉的環(huán)縫焊機。

環(huán)縫焊機主要包括焊機本體、氣動裝置、電動裝置、焊槍夾具和電氣控制部分。焊接動作過程為：啟動—下槍—壓緊工件—旋轉焊接—提槍—停止。環(huán)縫焊機的結構簡圖如圖2所示。

開始焊接時氣缸6帶動焊接機構（電機箱8、固定柱11、夾具9、焊槍10）在導軌7上向下移動，固定柱11壓住圓形螺母，焊機通電，電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動固定柱11做圓周運動，固定柱11帶動夾具9及焊槍10繞圓形螺母進行焊接。固定柱11下方壓緊工件處采用圓錐頭的設計可以實現(xiàn)自定心的功能，保證焊槍頭和工件的距離穩(wěn)定在一定范圍。當焊槍旋轉364度后，焊機斷電，焊接機構向上移動并反向旋轉歸位，一次焊接結束。

3.3 夾具設計

儲氣罐上有4個不同規(guī)格的圓形螺母需要焊接，焊槍需要調整，又要保證調整后的精度，焊槍夾具需要專門設計，符合夾具設計的基本理論。如圖3所示，整個夾具通過軸套4固定在固定柱2上。通過螺紋6調整夾具上下位置，螺紋7調整焊槍水平位置。在焊接前，先把焊接機構移動至焊接位置，使固定柱下方圓錐頭1壓住圓形螺母，然后手動調整螺紋手柄6、7，使焊槍10與工件保持合適的距離，既保證焊接質量，又保證焊縫均勻。焊接同一規(guī)格型號圓形螺母時，只需調整一次，后面不需要再次調整。

控制系統(tǒng)采用PLC控制，通過控制電機的轉速實現(xiàn)對焊槍頭運動的精準控制，對焊接過程全程監(jiān)測，隨時調整焊接電流參數(shù)、送絲速度，精確控制焊槍與焊接處的相對位置，從而實現(xiàn)對焊接質量的控制。

3.4 電機及減速器參數(shù)

根據(jù)卡車儲氣罐的材料、結構特點及焊接要求，選擇NBC-270焊機。該焊機適合用于焊接較薄材料，可實現(xiàn)高精度的焊接效果。根據(jù)多次試驗，焊接速度為100-120mm/min時焊接效果最好，即圖3中焊接頭10旋轉速度為1-1.2r/min。選用80ECP175ALCH電機，設定轉速25r/min，配25：1蝸輪蝸桿減速機。蝸輪蝸桿減速機具有反向自鎖功能，同時增大輸出扭矩，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸既不在同一軸線，又不在同一平面，方便環(huán)縫焊機中固定柱帶動焊槍做圓周運動。

4 使用效果及焊接接頭性能測試

4.1 焊接參數(shù)設置

該環(huán)縫焊機主要焊接直徑22、直徑36兩種型號圓形螺母，材料為Q235B，焊接參數(shù)見表3。

4.2 焊接效果

按照焊接工藝方案，對卡車儲氣罐圓形螺母焊接進行試驗驗證。經檢測，無未熔合焊縫，無可見氣孔，無黑煙現(xiàn)象，無未焊透、偏焊及漏焊等焊接缺陷，焊縫均勻飽滿且顏色白亮。焊接質量符合要求，效果良好。與人工焊接的效果對比見表4。

經專業(yè)檢測機構檢測，符合TJ/T1178.2-2019《營運貨車安全技術條件第2部分：牽引車輛與掛車》和QC/T200-2015《汽車和掛車氣壓制動裝置用儲氣筒性能要求及試驗方法》的相關要求。

4.3 焊接接頭性能測試

（1）接頭宏觀檢測。對加工出的卡車儲氣罐環(huán)形焊縫沿垂直焊接方向截取實驗金相試樣，經研磨、拋光用于金相分析。采用金相顯微鏡觀察接頭，結果表明焊縫金屬及熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋及未熔合等焊接缺陷，根部已焊透。依據(jù)《金屬材料焊接工藝規(guī)范及評定》（ISO 15614-12：2021）評價標準，判定接頭宏觀檢驗合格。

（2）接頭力學性能測試。依據(jù)《鋼制焊接常壓容器》（NB/T47003.1—2009）的焊接工藝評定要求，對直徑22、直徑36兩種型號圓形螺母分別截取2個試樣進行拉伸試驗。拉伸試驗結果見表5，結果表明符合標準評價要求。

（3）接頭彎曲試驗。按照《鋼制焊接常壓容器》（NB/T47003.1—2009）的焊接工藝，截取卡車儲氣罐上4個環(huán)形焊縫試樣進行彎曲試驗，結果見表6。試樣均未出現(xiàn)任何開裂，符合標準評價要求。

5 結論

第一，本研究設計的卡車儲氣罐環(huán)縫焊機，以手動調節(jié)焊槍夾具的位置控制焊槍頭的位置，可以實現(xiàn)不同尺寸的圓形螺母環(huán)縫焊接。

第二，本研究采用PLC控制環(huán)縫焊機整個工作過程，不需要自動弧壓跟蹤系統(tǒng)就可以實現(xiàn)對焊槍起弧高度和焊接過程中焊槍高度的動態(tài)控制調整。對焊接過程可以實現(xiàn)自動化控制。

第三，采用本研究設計的環(huán)縫焊機對卡車儲氣罐進行焊接，對環(huán)形焊縫接頭進行宏觀檢驗、力學性能測試、接頭彎曲試驗，結果表明卡車儲氣罐環(huán)縫焊機焊接的焊縫質量符合國家標準和企業(yè)要求。

第四，本研究設計的卡車儲氣罐環(huán)縫焊機焊接速度較人工焊接速度提高了2.5倍，減少了焊接準備時間，提高了生產效率，并且保證了焊接質量的穩(wěn)定性，降低了生產成本，提高了焊接產品的合格率。

參考文獻：

[1]汪育，谷滿意，劉明，等.某型裝備特種底盤儲氣罐安全性能分析[J].兵工自動化，2018（10）：32-34，40.

[2]陳瑞，宋寧，王軍，等.探討自動焊接在機械加工中的應用[J].冶金與材料，2022（4）：129-131.

[3]譚江濤，李宗原.全自動立式環(huán)縫焊機壓緊機構的設計[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2019（7）：4-6.

收稿日期：2023-08-21

基金項目：安徽省高校自然科學重點科研項目 （2022AH052567）；阜陽職業(yè)技術學院校級人才優(yōu)秀項目（2022rcjs0001）。

作者簡介：張宣升（1985―），男，安徽阜陽人，阜陽職業(yè)技術學院講師，主要研究方向：智能焊接、智能制造。