薄壁不銹鋼螺旋焊接風管成型機的研制

張先鋒 趙彥磊 陶海東 謝文正 齊冠恒

（1.中國人民解放軍96608部隊，河南 洛陽 471003；2.江陰事百諾機械有限公司，江蘇 江陰 214431）

一般的通風系統所用風管的加工量大且質量要求高，隨著螺旋風管機和共板法蘭風管機的引進，圓形和方形咬口風管都實現了自動化加工，較大地提升了通風系統施工的質量效率。由于地下工程中可能涉毒及密閉段等特殊區域，對于通風管道的耐久性和嚴密性要求都較高（嚴密性要求必須達到國家E級標準），通風管道大量采用厚度為0.6mm～1.2mm的薄壁不銹鋼板材加工，對焊接技術和質量要求都很高。當前，地下工程風管主要采用不銹鋼圓形風管形式，采用寬度為1250mm的不銹鋼板材，按照周長下料，進行卷圓處理，利用直縫自動焊接設備焊接直縫，各節對接后再用空壓式脈沖縫焊設備焊接環縫。這種制作工藝和方法存在3個主要問題：一是工序復雜，自動化程度低；二是需要的加工機械和操作手較多；三是焊接強度和密封性能差。

目前，國內尚沒有與薄壁不銹鋼螺旋焊接風管類似的加工設備。為滿足地下工程施工需求，加速推進特殊區域通風系統施工的機械化進程，相關人員研制了一種不銹鋼板材圓形風管自動加工、連接部位連續焊接及定長切割等多種裝備功能于一體的螺旋風管加工專用裝備——薄壁不銹鋼螺旋焊接風管機。

一、薄壁不銹鋼螺旋焊接風管機的結構和功能

薄壁不銹鋼螺旋焊接風管機可將寬幅不銹鋼帶經過滾壓、壓筋、翻邊、咬合，模具組卷圓成型，然后通過焊接的方式對咬合縫隙進行全焊接再處理。待風管達到設定的長度時，數控全自動等離子切割系統自動啟動同步切割。

（一）不銹鋼螺旋焊接風管機的主要結構

不銹鋼螺旋焊接風管機主要由風管成型部件、管徑控制模板部件、數控自動跟蹤焊接機構、數控等離子切割部件、放料架和出料架等部件構成，總體結構設計如圖1所示。

圖1 不銹鋼螺旋焊接風管機總體結構設計圖

（二）不銹鋼螺旋焊接風管機軋輥和成型機構設計

不銹鋼螺旋焊接風管機軋輥和壓筋咬口成型機構是風管成型的主要部件之一。為了使用方便，適應不同板寬加工需求，設計成兩組直徑風管成型模具，直徑為600mm以下的風管采用303mm寬度的鋼板和模具，直徑為600mm以上的風管采用606mm寬度的鋼板和模具。風管加工時，只需要選用對應風管直徑的模具，在基座上安裝對應的風管配套軋輥成型機構，然后通過鎖緊調節裝置和固定松緊度，可實現不同規格風管加工模式的快捷轉換。

（三）不銹鋼螺旋焊接風管機數控自動跟蹤系統設計

不銹鋼螺旋焊接風管機使用的自動跟蹤系統采用成熟技術，主要用于對咬口咬合進行精準地焊縫跟蹤，確保焊接位置的準確性、穩定性和持續性。

焊接跟蹤系統主要由傳感器、控制系統和執行機構三部分組成。電子傳感器接觸螺旋風管待焊咬口部位，實時采集焊接部位和傳感器間高度、橫向位移變化信號，通過控制器的放大、轉換，轉化為軌跡曲線，控制步進電機，驅動滑塊精確地執行位置跟蹤動作，實現焊槍的實時精準定位。

（四）不銹鋼螺旋焊接風管機等離子切割系統設計

系統配備長度檢測光電開關、起點光電開關和切割到位開關，當螺旋風管加工長度達到預先設定的尺寸或經人工干預控制時，啟動切割程序，等離子點火，風管邊加工邊切割。等離子割槍由步進電機帶動，隨著風管加工伸出方向直線精準移動，螺旋風管完成一周切割后，等離子電弧停止，切割系統自動退回到原始起點的光電位置。

（五）不銹鋼螺旋焊接風管機放料架設計

根據加工螺旋焊接風管的放料需求，放料架設計額定載荷為5t，由壓料機構、料架主體、調整底座等結構組成。料架主體可由電機驅動繞中心軸旋轉，啟閉通過設置于鋼板弧垂位置下方的位置傳感器控制，自動匹配鋼帶的進料或加工速度。

（六）不銹鋼螺旋焊接風管機出料架設計

出料架的作用是承托風管，使風管出向平直，發揮穩定風管生產過程和出料導向的作用。由托架、托輥和調整底座等部分組成。出料架是承接加工完成的螺旋風管成品，它的位置應與風管軸線平行，水平面一致。根據風管直徑大小，調節兩托輥的張開角度，使托輥與螺旋風管的外壁接觸良好。

二、主要技術參數

加工板材厚度范圍為0.6mm～1.2mm；加工風管直徑范圍為Φ250mm～Φ1400mm。加工風管板材選用304材質不銹鋼卷板（寬度為303mm和606mm）。風管直徑偏差不大于1mm；板材進料速度為0m/min～5m/min；最大焊接速度不小于600mm/min。

焊接方式為氣體保護焊（982混合氣體或氬氣），焊接系統焊機選用松下YD-350GL4，焊接跟蹤系統為YHB-10傳感控制器跟蹤系統。

風管切割方式是等離子或激光切割系統，設備總功率是15kW，輸入電壓為380V。整機總質量不大于3500kg，外形尺寸不大于6000mm×1200mm×1500mm（長×寬×高）。

三、裝備特點和技術優勢

運行穩定性好，加工質量好。根據鋼帶材料焊接性試驗，確定了適合的焊接位置、氣體保護方式及不同管徑風管加工的適合的焊接角度、螺旋線焊接速度、輸入電流等參數選擇范圍，焊縫斷面填充飽滿，顏色呈現金黃色。焊縫無損檢測等項目的抽檢試驗表明，風管的加工質量滿足嚴密性技術要求。

機械化程度高，加工效率高。新型薄壁不銹鋼螺旋焊接風管機將不銹鋼板材展平進料、壓筋、卷圓、咬合、自動焊接與轉料切割等多種加工設備的功能集成在一起，實現了圓形焊接風管的全自動化加工。系統采用了先進的PLC工業控制器及數控等離子切割技術，工作穩定，性能可靠，不僅加工效率提高8倍以上，風管的焊接質量也有明顯提升。

操作簡便快捷，安全性能好。薄壁不銹鋼螺旋焊接風管機將焊接、步進電機運行速度等多項功能參數設置于一個手動觸控面板上，操作方便，控制便捷。設備采用了防潮、防塵、防高溫等技術措施，電氣元器件的設計和選用均按照國標和CE認證要求，并設有可靠的安全防護、保險措施，電氣系統設置了漏電、接地和過壓保護功能。

四、結語

薄壁不銹鋼螺旋焊接風管機在樣機研制過程中，先后突破了薄壁不銹鋼板材三維螺旋線精準焊接、寬幅面鋼帶風管成型、多管徑模具配套，以及等離子切割系統隨動精準控制等多項技術瓶頸問題，申請并授權了4項國家專利。該裝備的成功研制和應用，有效解決了對通風系統要求較高的通風系統管道的機械化加工問題，對于提高地下工程建設速度、質量和效益，推進地下工程建設具有重要意義。