筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接焊劑墊機構(gòu)的改良與應用

董 勇

(太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

在日益激烈的市場競爭中，工藝改進和創(chuàng)新為企業(yè)生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品提供了強有力的保障。目前，太原鍋爐集團有限公司筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接時使用的焊劑填充架無法調(diào)節(jié)高度，導致難以控制焊劑槽與筒節(jié)之間的距離,焊劑槽與筒節(jié)之間距離過大，焊劑無法填滿坡口，影響焊接質(zhì)量；焊劑槽與筒節(jié)之間距離過小，焊劑槽兩側(cè)的鋼板又會劃傷筒節(jié)表面，影響產(chǎn)品質(zhì)量。總之，要使焊劑填滿坡口，需要很長的輔助時間，而且與操作工的經(jīng)驗息息相關。另外，由于筒節(jié)焊接時會隨著滾輪架轉(zhuǎn)動，與其接觸的焊劑很容易灑落到地上，難以清理。為此，針對筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接輔助工序時間長、焊劑浪費嚴重的問題，本文研究了一套焊劑填充裝置的改良方案，并進行了兩組試驗對比，以驗證改良后的焊劑墊機構(gòu)能否滿足焊接生產(chǎn)的需求。

1 筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接的工藝要求

筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接是鍋筒制造的關鍵工序，所以筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接采用質(zhì)量和效率更高的埋弧自動焊焊接方式。由于焊接的坡口形式為雙V型，導致從筒體內(nèi)側(cè)焊接打底時需要用焊劑填充坡口，以防坡口焊穿。通常，筒節(jié)的直徑為Φ1 500 mm～Φ1 720 mm，長度為2 000 mm，厚度為20 mm～60 mm，重量為1.5 t～5 t。兩個筒節(jié)放置在電動滾輪架上，調(diào)整筒節(jié)位置使兩個筒節(jié)的坡口對齊，并且保證坡口之間的距離在2 mm以內(nèi)，將焊劑填充架裝滿焊劑放置在對接處下方補充焊劑，確保填滿坡口，如圖1所示。輔助工序完畢后，焊機從筒體內(nèi)側(cè)開始焊接，焊接工作面始終處于筒節(jié)下方。根據(jù)焊接速度50 cm/min調(diào)整電動滾輪架的轉(zhuǎn)速，使其勻速轉(zhuǎn)動，筒節(jié)旋轉(zhuǎn)一周，完成第一道焊縫,以此類推，完成整道內(nèi)環(huán)縫焊接工序。

1-焊劑填充架；2-焊劑；3-筒節(jié)A；4-筒節(jié)B；5-電動滾輪架

2 焊劑墊機構(gòu)的改良設計及工作過程

2.1 焊劑墊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)筒節(jié)的形狀特征以及環(huán)縫焊接的工藝特點，焊劑槽采用柔軟度更好的非金屬材料代替原來的金屬材料是設計的核心思路。這種非金屬材料既要柔軟，可以與筒體貼合且不傷其表面，又要拉伸強度高，工作中不易損壞。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)原焊劑填充裝置中的傳動帶結(jié)構(gòu)形式符合設計要求，沿此設計思路，再考慮傳動帶與焊劑槽結(jié)構(gòu)的融合關系，最終確定傳動帶主要由平帶與三角帶組成。

焊劑墊機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，利用傳動帶的特性，將平帶套在兩個滾輪之間，通過移動滾輪的位置來調(diào)節(jié)平帶的松緊，即調(diào)節(jié)平帶與筒體的貼合程度；滾輪的移動是通過螺桿螺母傳動實現(xiàn)的；在平帶的兩側(cè)固定兩條三角帶，形成焊劑槽，防止焊劑灑落；機構(gòu)的下部設計了焊劑回收箱，便于回收灑落的焊劑。

1-機架；2-螺桿；3-手輪組件；4-螺桿螺母；5-螺栓M5×10；6-螺母M16；7-滑塊；8-滾輪組件；9-支撐管；10-傳動帶組件

通過測量得知，皮帶寬度達到140 mm即可覆蓋整個工作區(qū)域；滾輪間距在1 350 mm～1 600 mm范圍內(nèi)既可以滿足焊劑填充的要求，又不干涉筒節(jié)轉(zhuǎn)動；滾輪調(diào)節(jié)的行程為215 mm即可滿足平帶與筒體之間的調(diào)節(jié)。

2.2 焊劑墊機構(gòu)的工作過程

(1)圖3為焊劑墊機構(gòu)工作示意圖。將焊劑墊機構(gòu)擺放在焊接工作面下方，并在平帶上堆滿焊劑。

圖3 焊劑墊機構(gòu)工作示意圖

(2)逆時針轉(zhuǎn)動手輪，使左側(cè)的滾輪組件向左移動調(diào)節(jié)焊劑墊處于繃緊狀態(tài)，直到焊劑墊完全貼合筒體，坡口被焊劑填滿時停止轉(zhuǎn)動手輪。

(3)準備工作完畢后第一道焊縫開始焊接。

(4)筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接打底完成后，順時針轉(zhuǎn)動手輪使?jié)L輪組件向右移動，直到焊劑墊完全脫離筒體時停止轉(zhuǎn)動手輪。

(5)焊劑墊機構(gòu)輔助工序完成。

3 焊劑墊機構(gòu)核心結(jié)構(gòu)設計

3.1 傳動帶組件連接的設計

傳動帶組件主要是由平帶和三角帶構(gòu)成，由于各自的固有特性，要使兩者連接牢固存在較大難度，非金屬材料之間粘接方式不適用于現(xiàn)有的工作環(huán)境。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)利用鉚接的方法使其連接在一起能同時達到牢固和美觀的效果。傳動帶組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，平帶和三角帶每間隔100 mm都用鉆床鉆出Φ3.5 mm的通孔，再在三角帶通孔的基礎上銑出Φ8 mm的沉孔，通過Φ4 mm的鉚釘將平帶和三角帶鉚接，鉚釘?shù)奈膊肯鲁恋饺菐У某量變?nèi)，以避免三角帶與筒體接觸時劃傷筒體。

1-平帶；2-三角帶；3-扁圓頭鉚釘Φ4 mm

3.2 螺桿螺母規(guī)格設計

通過受力分析發(fā)現(xiàn)，由于平帶承受的拉力遠遠大于焊劑自身重力，故而只考慮平帶所受的拉力即可。平帶的寬度L=0.14 m，厚度H=0.004 m，則平帶的橫截面積S=LH=0.14×0.004=5.6×10-4m2。查詢手冊得知，平帶的拉伸強度P=100 MPa，取安全系數(shù)δ=0.7，計算出平帶承受的拉力F拉=δPS=39.2 kN。

經(jīng)作圖分析，平帶受力方向與螺桿的軸向夾角θ=20°，螺桿軸向載荷F=F拉cos20°=36.8 kN。

根據(jù)耐磨性條件，計算螺桿中徑d2：

(1)

其中：ψ為系數(shù)，一般為3.1～4.7，本設計取4.5；Pp為許用比壓，Pp=12 N·mm-2。

將數(shù)值代入式(1)計算得：d2≥20.9 mm。根據(jù)GB/T5796—1986選取螺紋中徑d2=21.5 mm、螺紋大徑d=24.5 mm、小徑d3=18.5 mm、螺距p=5 mm的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標記為Tr24×5-7H/7e。

4 筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接試驗

4.1 試驗方案

試驗選取2組筒節(jié)，每組4個，筒節(jié)材質(zhì)為Q245R，直徑為Φ1 720 mm，壁厚為60 mm，長度為2 000 mm。第1組(件1～件4)用改良前的焊劑填充架，第2組(件5～件8)用改良后的焊劑墊機構(gòu)，按照焊接工藝規(guī)程進行筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接，分別記錄焊劑填充架的焊前輔助調(diào)節(jié)時間、每個產(chǎn)品的焊接質(zhì)量、筒節(jié)表面是否存在劃痕、焊劑灑落和回收情況。

4.2 試驗結(jié)果

筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接試驗結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，兩組產(chǎn)品的焊接質(zhì)量并無較大差別(焊接質(zhì)量根據(jù)質(zhì)檢報告評定，特等：無缺陷；一等：有1處一般缺陷，但無嚴重缺陷)，但是焊前輔助調(diào)整的時間第2組均明顯少于第1組；由于改良后的機構(gòu)有回收箱體，灑落的焊劑第2組明顯少于第1組；第1組筒體表面有兩件存在劃痕，第2組筒體表面均沒有劃痕。

表1 筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接試驗結(jié)果

5 結(jié)論

本文改良設計了一套筒節(jié)內(nèi)環(huán)縫焊接焊劑墊機構(gòu)，通過產(chǎn)品試驗得出以下結(jié)論：

(1)改良后焊劑墊機構(gòu)能夠滿足焊接工藝要求，且沒有劃傷筒體表面。

(2)改良后焊劑墊機構(gòu)操作簡單，調(diào)節(jié)方便，節(jié)省了大量焊接輔助調(diào)整時間，效率提高了63%。

(3)改良后焊劑墊機構(gòu)可以大量回收焊劑，焊劑回收率提高了72%，高度契合節(jié)能降耗的理念。

(4)焊劑墊機構(gòu)的成功設計，為傳統(tǒng)焊劑填充裝置的結(jié)構(gòu)模式提供了改良的新方向。