輕量化小車軌道專用焊接線研究

張寶柱 王豐順 王 磊

（山起重型機械股份公司技術中心，青州 262515）

輕量化橋式起重機主梁采用全偏軌形式，軌道為方鋼，且直接焊接在主腹板處的上蓋板上，焊接工藝采用雙面連續焊或斷續焊，針對軌道焊接熱變問題形通過相關焊接工藝進行控制。國內部分外起重機生產廠家采用非對稱斷續焊，軌道端部連續焊方法進行焊接，并通過斷續焊減少焊接熱變形影響，但是斷續焊在每個焊段引弧、收弧部分熱變形也比較大。另一種焊接工藝為采用連續自動焊形式，將小車軌道與主梁進行連續，主梁上翼緣板的波浪變形比斷續焊更加劇烈，但可通過減小焊縫高度的方法控制焊接熱變形。

小車軌道專用焊接線主要由專用組立平臺、焊接系統和供電控裝置組成。專用組立平臺用于輸送并承擔主梁荷載作用，并對主梁、方鋼軌道進行找正，做好焊接前準備工作；焊接系統用于方鋼軌道焊接；供電控裝置用于焊接系統移動供電，同時對焊接系統的速度、焊接電壓以及電流進行控制，保證焊接質量。

1 研究的內容

2015年6～10月，山起重型機械股份公司技術中心課題組一行幾人赴河南長垣衛華集團、礦山集團、大連華銳起重機、上海科尼公司、江蘇靖江科尼摩睿公司以及蘇州法蘭泰克公司進行了工藝調研，與各廠家就輕量化起重機設計制造工藝技術進行了座談交流，編寫了《輕量化橋式起重機先進制造技術調研報告》（以下簡稱《報告》），報告內容主要包括：

（1）研究主梁焊接時，小車方鋼軌道與主梁上蓋板焊接的工藝方法；

（2）重點研究焊接變形控制技術；

（3）優化雙頭自動焊接電流、電壓、速度等工藝參數的技術；

（4）研究軌道焊接后蓋板變形的矯正工藝；（5）研究焊接過程中焊槍與方鋼之間的定位及導向。（6）設計制造專用組立平臺，方便組立工作，消除方鋼軌道的蓋板對主梁組立的影響。

2 研究的過程和方法

2.1 整體方案的確定

2.2.1 工件適用范圍：

工件最大焊接長度為35000mm；工件寬度為50mm～120mm；工件高度為30mm～100mm；工件焊接處高度≥3000mm；工件焊縫長度≥100mm；工件焊縫間隔距離≥100mm；工件鋼板厚度為6mm～24mm。

2.2.2 焊接方式的確定

因為焊接過程中，需要焊槍與工件進行相對運動，所以方鋼軌道的自動焊接有兩種方式可供選擇：第一，焊接裝置安裝在固定支架上，工件（方鋼軌道+主梁）固定在運行電動平車上；第二，工件（方鋼軌道+主梁）固定在平臺上，焊接裝置安裝在運行門架上。

前者因焊接裝置固定，焊接控制部分不需運動，故布置簡便。但工件質量較大，焊接運動需要消耗較大動力及軌道基礎，不利于運行時定位導向；后者焊接裝置質量較輕，運動需要消耗動力較小，軌道及基礎較小，且便于運行時定位導向。故本方案選擇第二種焊接方式，即工件固定、焊接裝置運動。

2.2.3 焊接型式的確定

傳統橋式起重機主梁采用中軌梁形式，鐵路鋼軌（或起重機專用鋼軌）采用軌道壓板固定，軌道壓板焊主梁上蓋板上，間距根據小隔板位置決定，約為500mm。在2011～2013國家支撐計劃“通用型橋式起重機輕量化設計技術及應用”課題研究中提出，方鋼軌道采用連續焊，可使軌道和箱型梁組成整體結構一起承受載荷，這樣可以提高主梁強度和剛度，較大幅度降低箱型梁斷面高度，減輕主梁重量。

實踐證明，兩種焊接型式對主梁拱度及腹板波浪有著不同的影響影響。連續焊比斷續焊會造成更大的主梁下撓及腹板水平彎曲，軌道焊完后需要矯正的概率及矯正工作量也會更大。以下是20t輕量化橋式起重機三種跨度的主梁，結構如圖1所示，主梁在兩種焊接形勢下的影響情況對比如表1示。

本裝置采用連續焊及斷續焊兩種焊接型式，其原因在斷續焊保證焊接質量及控制變形的基礎上，進一步研究優化連續焊的工藝方法，滿足設計需要。

2.2.4 門架結構

本裝置采用箱型梁連接左右兩側十字操作機立柱，支撐行走機構在兩根軌道上運動。通過雙側變頻調速電機以及精密雙級蝸輪蝸桿減速機驅動四個車輪同時轉動，同時雙側設有平衡輪組件，防止移動時偏擺。利用變頻器設置行走速度，實現設備正反向快速移動及焊接運動。

2.2.5 行走機構

選用優質的鋼材焊接成型，其結構整體剛性好，組成雙立柱十字操作機的行走機構。驅動輪選用高精度雙級蝸輪蝸桿減速機，外殼用優質鋁合金壓制而成，傳動速比扭矩大，散熱快，噪音小，經久耐用，可保證設備長期平穩可靠運行，同時利用高頻變頻調速電機實現快速返程功能。

表1 20t輕量化橋式起重機主梁不同焊接工藝影響對比

圖1 20t輕量化橋式起重機主梁

2.2.6 橫梁小車

安裝在左右立柱上，通過V型組合滾輪可以上下升降、左右伸縮時，并帶有傾斜度，保證在焊接狀態下依靠重力跟蹤工件側板。在非焊接狀態，橫梁小車用電控操作，在橫臂梁伸縮時候依靠離合器—齒輪齒條傳動勻速往返。在橫梁前端配置帶手動微調機構的埋弧焊機頭/CO2氣保焊自動焊槍調節機構，同時安裝水平、垂直自動跟蹤裝置，保證焊縫和工件在垂直、水平方向的的一致性，其中伸縮距離為0～1200mm；升降距離為0～2800mm；工件自動跟蹤垂直距離為0～250mm，水平距離為0～400mm。

2.2.7 左右輔助平臺

在右立柱的兩側離地高度2米處設置輔助平臺，水冷卻系統布置在平臺上。平臺由型鋼拼接而成，上面鋪花紋板，四周安裝護欄并設置人工梯，操作者可以在平臺上行走，方便操作工觀察。

2.2.7 電控系統

設備供電系統能在三相、380V±10%、50Hz±1%的網路電壓下能夠長期穩定運行，滿足設備安全運行要求。操作系統采用7寸彩屏智能化觸摸屏與主機通訊控制。焊接速度控制采用日本三菱高性能可編程器及高速編碼記數器，在工控領域一體機中它是檔次較高的超小型控制裝置。控制系統采用先進的雙變頻器主從閉環控制系統，保證了設備運行穩定。

其他電氣元件如繼電器、接觸器、存儲單元、信號采集及傳遞元件、各種行程開關和按鈕等均采用進口件，提升控制系統可靠性和使用壽命。另外本控制系統與焊接電源一體控制，實現專機動作與焊接過程無縫連接，更好地完成引弧及收弧作業，達到理想焊接質量。控制柜箱體采用烤漆工藝制作，外形美觀，使專機操作更加方便、快捷。

2.2.9 電纜拖鏈系統

在行走大車的一側安裝電纜拖鏈滑行軌道，焊接機所有移動電纜必須通過拖鏈內置移動，從而保證設備安全運行，減少線纜的磨損。

2.2.10 水冷卻系統及主要技術參數

專用一體化水冷焊槍為600A；水箱容量為180kg；循環水壓≥2kg。其他技術參數如表2所示，該焊接機設計圖如圖2所示。

表2 項目技術參數

圖2 自動焊接機設計圖

2.2 方案論證

小車軌道焊接裝置方案確定后，山起重型機械股份公司技術中心于2016年6月組織召開了專家論證會，與會專家在肯定此方案可行性的同時，提出以下意見：

第一，要實現焊槍與工件間的準確定位，導向比較關鍵，軌道是導向的基礎，所以要對軌道直線度的校正及軌道安裝誤差要提出明確的要求；第二，為保證焊接質量，焊槍應有可靠的伸縮功能；第三，需要進一步研究方鋼軌道連續焊對主梁變形的影響及矯正措施。

3 總結

本文研究方案可實現對輕量化橋式起重機方鋼軌道的自動焊接、連續焊機及斷續焊，可滿足不同噸位、跨度及材質的主梁生產需要。運行機構的導向、定位、焊槍伸縮可保證焊接質量要求，可達到提高焊接質量與工作效率、減少人工焊接工作量與勞動強度的要求，滿足自動化生產作業的要求。