杠桿式鋼桶焊縫滾壓機的研制

單東升，景蔚然

(北方重工集團有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141)

杠桿式鋼桶焊縫滾壓機的研制

單東升，景蔚然

(北方重工集團有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141)

針對鋼桶包裝行業的鋼桶桶身電阻焊搭接焊縫的缺陷，即焊縫處厚度超差、表面不平、應力不均等問題，采用杠桿原理，設計一種穩定雙滾輪的傳動方式，可對鋼桶桶身焊縫進行滾壓。滾壓后的焊縫厚度不超差、表面平整、殘余應力得到消除。從而提高了鋼桶焊縫強度，保障了鋼桶后續工序的卷邊質量。

滾壓機；鋼桶；焊縫；杠桿式

包裝鋼桶廣泛應用于石油、化工、食品等行業的產品包裝和運輸中，目前國內外的鋼桶基本生產工藝大致相同，桶身部件均采用電阻焊原理進行焊接，對焊縫的技術要求也比較嚴格，不僅要求焊縫具有一定的強度、氣密性，而且要求焊縫平整光滑、厚度均勻不超差、后加工工藝性好。

在實際生產中，焊縫強度和氣密性都比較容易保證，但是焊縫成形后，往往厚度超差、內部存在殘余應力，從而影響后道桶身翻邊及卷封工序的質量難以保證。如圖1所示為桶身采用電阻焊加工后的焊縫處截面示意圖。圖1a為全自動縫焊機焊接的焊縫，搭邊較窄，厚度超差不大，圖1b為半自動縫焊機焊接的焊縫，搭邊較寬，厚度超差較大。

目前國內鋼桶制造企業，對桶身焊縫機多數都已進行了技術升級，搭邊焊縫基本都能達到圖1a所示的形狀，只有少數企業還處于圖1b所示的技術狀態。我們本篇研究的基礎，確定為能代表國內目前主流的全自動縫焊機的焊接技術，以圖1a所示的焊縫為研究前提。

如圖1a所示的焊縫截面狀況，對鋼桶加工工藝及質量的影響主要有兩種情況：

(1)焊縫處殘余應力可致后道桶身翻邊工序質量問題，主要是焊縫翻邊處裂紋，易產生焊縫翻邊處滲漏。如圖2所示為焊縫翻邊處破裂實物圖。翻邊破裂后，致使卷邊處破裂并產生卷邊滲漏，如圖3所示。

圖1 桶身焊縫截面示意圖

圖2 焊縫翻邊處破裂實物圖

(2)焊縫處厚度超差可致后道桶身與桶底、桶頂進行卷邊裝配時，焊縫處局部材料過剩，易產生卷邊滲漏。正常卷邊如圖4所示，為卷邊截面實物圖。由圖可見，卷邊內應嚴密無縫隙，才能實現嚴格的密封性。但在實際生產中，桶身焊縫處往往比桶身其他部位厚度大。如桶身厚度為1mm的鋼桶，經全自動縫焊機焊接后，焊接處厚度一般在1.5mm左右。實踐證明，焊縫處厚度超過1.2mm時，焊縫處卷邊形成的三角區滲漏率可達50％以上。

圖3 桶身翻邊裂紋造成卷邊處滲漏

圖4 鋼桶卷邊截面實物圖

所以，需要對焊縫進行滾壓加工，其目的是：①將焊接殘余應力進行消除，保證翻邊不破裂；②將焊縫處碾薄，使厚度不超出單層鋼板厚度的20％。

1 傳統焊縫滾壓機

近十幾年來，國內出現了兩種不同的鋼桶焊縫滾壓機，這兩種滾壓機代表著國內鋼桶焊縫滾壓機的發展過程。

1.1 單輥軌道式滾壓機

第一種是單輥軌道式滾壓機。如圖5所示為這種早期焊縫滾壓機實物圖。工作時，先將桶身套到軌道上，使焊縫向上置于軌道的上部外徑直線上，然后操作滾輪和軌道的上部沿軌道做直線運動，并給焊縫上施加一定的壓力。焊縫在滾輪和軌道之間受到碾壓力，從而使焊縫被碾薄，并消除焊縫殘余壓力。

圖5 單輥軌道式滾壓機

該焊縫滾壓機加工質量能達到鋼桶生產的技術要求，但生產效率低(每只桶需要1分鐘)，基本屬于手工操作、工人勞動強度大，不適用于大批量生產。

1.2 懸臂單輥式自動滾壓機

第二種是懸臂單輥式自動滾壓機。如圖6所示為其實物圖。

該焊縫滾壓機與上一種滾壓機原理基本相同，但是實現了全自動化，大大提高了生產效率，可達到每分鐘3只桶的速度。也有一種是將下軌道改為滾輪的，稱為懸臂雙輥式滾壓機。

圖6 懸臂單輥式自動滾壓機

1.3 傳統滾壓機的缺點

上述兩種滾壓機，均采用懸臂結構原理，其最大缺點是效率低，因為桶身在工作過程中需送進和取出，不能實現連續生產，非工作時間較長；另一個缺點是不易與鋼桶生產線聯線實現全線自動化。因生產線上的鋼桶均作直線輸送運動，在滾壓機上要實現送出流水線，滾壓完后再送入流水線，不能和流水線上的其他工序一樣實現連續生產和直線運動，所以從工作方式和工作效率兩方面，影響了生產線自動化水平。

這種結構還有一個缺點，就是懸臂工作使設備受力極不均衡，懸臂極易變形，影響設備加工精度和設備壽命。

2 杠桿式雙輥焊縫滾壓機

2.1 工作原理

鑒于懸臂式焊縫滾壓機的缺點，通過多次實踐，設計了一種杠桿式焊縫滾壓機。該滾壓機采用杠桿原理，將懸臂滾壓機結構進行了徹底顛覆，改原來的桶身同一端進出為一端進另一端出，實現自動化流水線生產，與鋼桶生產線聯線合拍，大大提高了生產效率。如圖7所示為杠桿式雙輥焊縫滾壓機原理圖。

圖7 杠桿式雙輥焊縫滾壓機原理圖

2.2 工作過程

如圖7所示，工作時，利用輸送機構，桶身從設備A端送入，從B端送出。工作過程如下：

(1)B端油缸下壓，A端油缸上抬，B端杠桿施壓點，以杠桿支承軸為中心，將上輥支承梁B端壓下，此時上輥支承梁會以B端上、下壓輥為支點中心，使A端杠桿施壓點翹起。

(2)A端杠桿施壓點翹起后，A端杠桿施壓點脫離上輥支承梁，桶身由輸送機構送入上輥支承梁。桶身焊縫進入上下壓輥之間實施碾壓，并由上下壓輥的滾動力驅動向B端移動。

(3)當桶身向B端移動接近B端杠桿施壓點時，B端油缸抬起，A端油缸下壓，使桶身可以從上輥支承梁中送出。

(4)當桶身A端送出通過B端杠桿施壓點后，B端油缸再次下壓，開始下一個工作循環。

2.3 滾壓方式

如圖7所示，滾壓工作是由兩組上、下壓輥進行的。在設計中，為了結構簡單，可以把下壓輥設計成主動輥，上壓輥設計成從動輥。也可以把上下輥都設計成主動輥。如圖8所示，為兩種不同的滾壓方式示意圖。兩種滾壓方式各有利弊。

(1)采用如圖8a所示雙主動方式時，下壓輥的驅動及傳動較易實現，但上壓輥的驅動和傳動系統都需安裝在上輥支承梁上，動力電也需通過杠桿施壓點進行傳遞，設計和制造都會比較麻煩，機器的復雜程度也增加不少。但雙主動滾壓方式送力均勻，加工質量好。

(2)采用如圖8b所示單主動方式時，下輥輪采用主動，上輥輪采用被動，這樣上輥支承梁的設計相當簡單，不僅省去了復雜的驅動和傳動裝置，而且也不需要引入動力電源，使機器從設計到制造簡單了很多。但單主動滾動方式送力上下不均勻，加工質量也沒有雙主動的好。

圖8 滾壓方式示意圖

我們研究的樣機是采用雙主動滾動方式設計。在實際中，可以根據使用者的不同要求，選擇單主動或雙主動設計，其兩種不同滾壓方式的機器制造成本差別很大。

3 杠桿式焊縫滾壓機應用效果

3.1 滾壓后焊縫表面的變化

滾壓后，焊縫表面平整光滑，也沒有了滾壓前的邊棱。手摸焊縫表面，光滑而無割手飛刺。鋼桶表面噴涂油漆并烘干后，外表已看不到焊縫的痕跡。肉眼在離鋼桶1m遠處，看不到焊縫所在位置。

3.2 滾壓后焊縫厚度的變化

用1mm厚的鋼板，采用全自動縫焊機進行搭邊焊接，桶身縫焊后，再進行焊縫滾壓，滾壓后的焊縫處測量厚度為1.1mm～1.2mm，完全能夠滿足后道卷邊加工的工藝要求。

3.3 滾壓后焊縫殘余內應力的變化

測量縫焊殘余應力的方法有破壞性和無損測試兩種，我們采用破壞性測試方法——小孔法進行檢測。

小孔法的原理是在應力場中鉆小孔，應力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應力將重新調整；測得孔附近的彈性應變增量，就可以用彈性力學原理來推算出小孔處的殘余應力。

在桶身中部的焊縫中間點打孔進行測試，檢測到滾壓前，沿焊縫方向縱向應力為406MPa，垂直焊縫的橫向應力為254MPa；焊縫滾壓后，縱向應力為183MPa，橫向應力為141MPa。從測試結果看，桶身焊縫在滾壓前后的變化很明顯，說明焊縫滾壓對消除及改善內應力的效果是顯著的。

4 結語

該機器研制成功后，其優勢在生產實踐中得到證明。該滾壓機操作簡便，加工質量好，生產效率高，既節省勞力，又降低勞動強度，符合環保理念。同時，取代了傳統的手工打磨及懸臂式滾壓機，有效解決了鋼桶焊縫外觀不平整、厚度超差、殘余應力過大等問題，性能穩定，經技術檢測后，焊縫內部組織及質量也有所改善。

該機器結構原理簡單、設計新穎、生產效率可達到每分鐘10只桶，比傳統滾壓機的生產速度提高3～10倍，可以實現與鋼桶生產線完美匹配，實現全自動化生產。

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Development of lever-type roller press for welding seam of steel drum

SHAN Dongsheng,JING Weiran
(Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd.，Shenyang 110141,Liaoning China)

The defects of resistance weldinglap seam for steel drum body in the steel drum package industry,such as out-of-tolerance welding seam thickness and uneven surface&stress,have been introduced.The lever principle has been adopted to design a stable double roller transmission mode,which can roll press the welding seam of the steel drum body.After rolling,the welding seam thickness within tolerance,flat surface and residual stress has been obtained.Thus in this way,the strength of steel drum welding seam has been improved.The curling quality of the steel drum in the follow-up step has been ensured.

Steel drum;Welding seam;Rolling

TG386.3

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.009

1672-0121(2017)05-0031-03

2017-06-27；

2017-07-24

單東升(1964-)，男，高級工程師，從事機械產品設計研究。E-mail：13805407320@163.com