厚捆帶雙工位自動點焊機在多卷打捆機上的應用

張少壯，惠春明，郭延軍，丁俊，葛俊禮，張志明，龍鵠

厚捆帶雙工位自動點焊機在多卷打捆機上的應用

張少壯1，惠春明2，郭延軍1，丁俊3，葛俊禮4，張志明1，龍鵠1

(1．中國重型機械研究院股份公司燕大分公司河北秦皇島066004; 2．唐山國豐鋼鐵有限公司河北唐山063300; 3．哈爾濱工業大學機電工程學院黑龍江哈爾濱150001; 4．河北港口集團港口機械有限公司河北秦皇島066000)

本文針對熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機打捆速度高、時間短等要求，設計并開發出一種新型雙工位自動點焊機，應用于熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機上，實現了厚捆帶(3 mm×40 mm)雙工位點焊快速焊接，應用效果表明:自動點焊焊接質量好，抗拉強度大;焊接速度快、時間短;滿足熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機的生產使用要求，并對帶鋼基體無損傷，清潔環保無污染。雙工位點焊機已成功應用于熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機。

窄帶鋼;打捆機;點焊機

0 前言

目前國內熱軋窄帶鋼生產企業包裝方式現狀是采用人工打捆、手工焊接、噴涂鋼號、天車吊運的傳統落后的包裝方式;捆扎不緊、不規整，運輸過程中易出現松卷、散卷，嚴重影響包裝質量，不利于日益激烈的市場競爭和企業的長遠發展［1］。開發自動打捆設備［2］，將自動焊接裝置應用在熱軋窄帶鋼鋼卷的包裝上［3，4］，不僅可以提高捆扎質量，而且可減輕工人勞動強度。選擇合適的焊接方式，使之與自動打捆機相匹配，適應高溫、震動環境，實現快速焊接提高捆扎質量，成為研究的關鍵［5－7］。

對各種焊接方法進行分析，選擇合理的焊接方式，進行實驗研究，設計了雙工位自動點焊機，應用在熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機上取得了良好的效果。

1 需解決的主要問題

為某軋鋼廠設計制造的自動打捆機的捆扎方式是;用材質為Q235或Q215，規格為(2.5～3)mm×40 mm的二級品鋼卷剪切裁條，對三卷溫度約為650℃的鋼卷沿軸向打捆，打捆過程為:將捆帶沿鋼卷軸向自動穿帶、拉緊、切斷、折彎、焊接，如圖1所示。

圖1 自動打捆機Fig.1Automatic bander

這種規格的捆帶比標準捆帶(0.9×32 mm)厚，打捆強度高、成本低，但是，由于捆帶厚，必須采用焊接方法，替代傳統的卡扣方式。焊接作為打捆過程的關鍵環節，其焊接速度、焊接質量直接影響到自動打捆機的捆扎節奏和捆扎質量。結合打捆工藝的特殊要求，選擇合適的焊接方法，應用在打捆機上需解決以下主要問題:

(1)焊接前折彎時，兩個帶頭相搭接對齊，才能焊接，此時的焊縫位置是不固定的，若采用傳統二氧化碳保護焊的方式，必須準確尋找焊縫。由于咨詢了國內的焊接研究所、機器人自動化公司、松下焊接技術公司等焊接技術研究單位，在這種條件下都無法解決自動找焊縫的難題。因此，需要自行設計全自動焊接裝置，可控制焊槍實現三維運動、自動找到焊縫，打火焊接;但經調試運行發現尋找焊縫時間長、焊接速度慢。

(2)根據實際需求，打捆機的捆扎節奏必須大幅度縮短。焊接方面的改進是實現這個目標的最有效的方法。

(3)現場工作環境溫度約650℃對焊接裝置的耐高溫性提出更高要求。

(4)自動打捆機留給焊接裝置的空間非常有限，同時還需確保對鋼卷無任何傷害。

2 自動點焊實驗研究

為了有效解決上述問題，首先對各種焊接方法進行了對比研究，認為電阻焊(點焊)具有適應高溫、震動環境，焊接速度快的特點，并且對焊接位置的準確度要求不太嚴格，可以嘗試將傳統的電阻焊改造后用于打捆機上。另外由于高溫條件對常規焊接設備會有很大影響。因此必須設計一套裝置與焊接設備共同使用，既能阻止高溫的炙烤，又能發揮快速、穩定的焊接功能。為此，本文設計的試驗裝置如圖2所示，進行點焊實驗研究。

圖2 自動點焊試驗裝置Fig.2Automatic spot-welding testing device

影響點焊工藝性能的因素有焊接電流，加載壓力和通電時間［8］。通過調整工藝參數進行試驗，選擇合適的焊接電流、加載壓力、和通電時間進行點焊，可以達到焊接時間短、焊接質量好的焊接效果。

為了驗證焊接質量，對點焊試件進行了拉伸實驗，分析點焊焊接質量是否能滿足打捆需求。

實驗采用12根長約100 mm，厚度約為2.5 mm、3 mm的鋼帶在搭接壓緊后進行兩點點焊(得到點焊試樣如圖3所示)，并對點焊試樣進行拉伸實驗(拉伸實驗裝置如圖4)。拉伸實驗結果表明，焊核的抗拉力在28.9 kN和38.4 kN之間，完全能滿足捆扎強度要求。

3 雙工位自動點焊機設計

圖3 點焊試件Fig.3Spot-welding specimen

圖4 拉伸點焊試件Fig.4Spot-welding specimen for tensile testing

在實驗基礎上，為滿足熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機在完成穿帶、緊帶、壓帶等動作后對焊接的需求，在充分考慮主體設備所留存的有限空間，焊接所需完成的動作和所需時間后設計了雙工位自動點焊機［9，10］。

3.1 自動點焊機設計

由于工藝要求的特殊性雙工位自動點焊機要滿足以下幾個要求:

(1)焊機設計必須符合傳統電阻焊設計原理。綜合工作環境情況，選用單相工頻交流焊機變壓器。因為要盡量后置以便避免鋼卷的高溫輻射，還要考慮電極臂長度對功率的影響，所以變壓器的功率適當加大，焊接回路的銅排需適當加大截面尺寸。

(2)為保證焊接強度，要在(2.5～3)mm× 40 mm捆帶上焊接兩點。

(3)因空間有限，結構設計要緊湊。在結構設計時必須考慮上下電極與設備間的絕緣問題，并為捆帶的正常疊壓留出空間，同時要能完成上電極的兩次壓緊、退出，上電極上下的換位、下電極在捆帶與鋼卷之間的旋進旋出。

雙工位自動點焊機由變壓器、機械框架、電極壓力加載機構、旋轉進給機構、液壓系統、水冷系統和焊接控制器、上電極、下電極等組成，其三維結構示意圖如圖5所示，旋轉進給機構如圖6所示。電極力加載采用液壓執行機構。捆帶后方電極為下電極，捆帶前方為上電極。當捆帶完成穿帶、緊帶和壓帶后，初始位置處于豎直位置的下電極被壓在捆帶后方。水平液壓缸帶動上電極前進，在上、下電極之間，施加壓力，使其接觸良好，電極通電使兩工件接觸表面受熱，局部熔化，形成熔核，斷電后保持壓力，使熔核在壓力下冷卻凝固形成焊點，完成第一點點焊。水平液壓缸后退，同時豎直液壓缸向上運動20 mm，此時凸輪槽為豎直段，下電極不發生旋轉，豎直液壓缸向上運動時帶動上電極運動，實現變換工位功能。位置確定后水平液壓缸帶動上電極前進完成第二點點焊。

圖5 雙工位自動點焊機Fig.5Double-position auto spot welder

圖6 點焊機旋轉進給機構Fig.6Rotating feed mechanism of spot-welder

然后橫向缸恢復至原位，豎直缸帶動上滑塊上行，此時曲柄運行至斜向導軌，曲柄帶動下電極旋轉90°，下電極旋轉，離開捆帶。此道焊接完成，當豎直缸壓下后，下一道焊接就可以開始。

點焊機旋轉進給機構主要由凸輪和曲柄構成。液壓缸控制帶有凸輪槽的滑塊上下運動。凸輪槽主要由兩部分構成，一是豎直段，用以工位更換;二是斜線段，用以通過曲柄帶動下電極旋轉。整個過程由PLC控制。

3.2 自動點焊機電控系統

熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機的點焊機上下電極與兩個液壓缸連接，并通過西門子PLC S7－300全程控制液壓缸與焊機控制器，實現對焊接工藝控制，焊接工藝流程如圖7所示。

圖7 點焊機自動控制工藝流程圖Fig.7Automatic control process flow of spot welder

4 雙工位自動點焊機在軋鋼廠打捆機上的應用

將設計研制的雙工位自動點焊機應用在某軋鋼廠自動打捆機上(見圖8)，通過焊機控制器控制焊接時間、焊接電流、焊接加壓時間，液壓系統控制焊接壓力，最終完美實現了熱軋窄帶鋼多卷自動打捆的焊接工藝。

雙工位自動點焊機應用在自動打捆機上進行打捆，大大縮短了打捆時間，焊接牢固，捆扎規整，并且對帶鋼基體無損傷;除此以外，點焊機結構緊湊、不需要焊條、焊絲等焊接材料，焊接成本低，易于操作和維護。從其應用效果來看，完全滿足了焊接質量及打捆速度要求。

圖8 打捆效果對比Fig.8Banding results comparison

5 結束語

將設計研制的雙工位自動點焊機應用在熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機上，取得了良好的效果:

(1)自動點焊機實現了厚捆帶的快速、穩定焊接，比標準捆帶強度高、成本低，滿足了厚捆帶打捆的要求。

(2)自動點焊機焊接速度快，有效縮短打捆時間，與自動打捆機捆扎節奏相匹配，并且對帶鋼基體無損傷，清潔環保無污染。

(3)自動點焊機在打捆機上的應用，解決了自動打捆焊接難題，替代了手工焊接，對降低工人勞動強度、改善勞動環境起到積極作用，帶來良好社會效益。

［1］李強．論熱軋窄帶鋼的生存與發展［J］．科技創新導報2011(11)．

［2］白明華，蘇毅，張少壯，等．熱軋窄帶鋼多卷自動打捆機［P］．CN201210052200.2．

［3］白明華，郭延軍，趙永和，等．三維全自動焊接機［P］．CN201210052199.3．

［4］白明華，張少壯，郭延軍，等．帶鋼打捆機用自動多工位點焊機［P］．CN201410354848.4．

［5］中國機械工程協會焊接學會．電阻焊理論與實踐［M］．北京:機械工業出版社，1994．

［6］唐新新，單平，羅震，等．點焊熔核尺寸及焊接電流逆過程設計［J］．焊接學報，2007(11)．

［7］張連新，吉方，藍河，等．電阻點焊機工藝參數標定技術研究［J］．焊接技術，2013(6)．

［8］王東，馮曉云．中頻逆變直流電阻焊優勢探討［J］．電焊機，2006(01)．

［9］傅延安，張國祥，繆顥．座式點焊機機械特性對高強鋼點焊工藝的影響［J］．寶鋼技術，2013(2)．

［10］成大先．機械設計手冊［M］．北京:化學工業出版社，2010．

Application of automatic double-position spot welder with thick belt in multi-coil bander

ZHANG Shao-zhuang1，HUI Chun-ming2，GUO Yan-jun1，DING Jun3，GE Jun-li4，ZHANG Zhi-ming1，LONG Hu1
(1．Yanshan University Branch，China National Heavy Machinery Research Institude Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066004，China;2．Tangshan Guofeng Iron and Steel Co.，Ltd.，Tangshan 063300，China; 3．Harbin Institute of Technology，Haerbin 150001，China;4．Hebei Port Group Port Machinery，Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066000，China)

In view of high speed banding，a new type of automatic double-position spot welder is designed for multi coil automatic bander in hot narrow strip rolling line，and realize fast double-position spot-welding the thick belt(3mm×40mm)．Results show that the welding is high quality，large tensile strength，fast speed，short time，and meet the production requirements with no damage to strip steel substrate and no pollution to the environment．The welder already applied in the multi coil automatic bander for hot narrow strip rolling．

narrow strip;bander;spot welder

TH122

A

1001－196X(2017)01－0012－04

2015－11－29;

2016－02－21

張少壯(1968－)，男，中國重型機械研究院股份公司燕大分公司工程師，主要從事冶金機械設計工作。