圓形加工件自動焊接裝置在煤礦生產中的應用

陳 勇，張化乾

(河南能源集團 永煤公司順和煤礦，河南 永城 476600)

隨著礦井對各類圓形加工件的需求量不斷增大，使用手工電弧焊已不能滿足生產需要，焊接圓形加工件，受溫度、工藝、人員緊缺、勞動強度大等限制，對焊接方法提出了更高的要求，礦井迫切需要實現工件的自動焊接，用以提高生產效率、保證焊接質量、降低勞動強度和生產成本，本文自行研發、設計、制作圓形工件自動焊接裝置，用來焊接圓形工件風水管三通、鐵柱鞋、圓形接頭等，該自動焊接裝置具有焊接性能穩定、操作簡便、人為因素小、焊接速度快、焊接合格率高、外形美觀，能大幅度提高工作效率，降低操作技術難度，減輕焊工勞動強度等特點。根據相關要求及礦井實際情況，因地制宜、多種途徑、講求實效、重點突破的方針，遵循機電設備綜合利用與企業發展相結合，與企業生產經營相結合，經濟效益與企業效益相統一的原則，努力提高設備的綜合利用水平，促進企業經濟健康發展。

1 實施方案

1.1 工作原理

自動焊接裝置主要由CO2焊機、電氣控制、傳動系統、無線接地、旋轉圓盤、焊接調節支架等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 圓形加工工件自動焊接裝置Fig.1 Automatic welding device for circular workpieces

作業人員將被焊圓形加工件放置在自動焊接旋轉圓盤上，CO2焊槍對準焊接部位，保持5～10 mm距離。此時，按下無線遙控器啟動按鈕，焊機與驅動電動機同時帶電，焊接控制系統通電產生焊接火花，電動機帶動圓盤進行旋轉。圓形加工件在沿焊槍環繞運動1周后，限位開關動作，向電動機和焊機發出反轉信號，電動機反轉，圓形加工件進行第2遍焊接，完成第2周期焊接后，觸動限位開關，自動焊接完成，關閉電動機及CO2焊機電源，整個焊接過程56 s，焊接均勻、焊縫美觀、牢固。

1.2 電氣控制

1.2.1 主控的選擇

圓形加工件自動焊接過程，要求電動機經常運行在頻繁的啟動、停止、正反轉以及變負荷等多種方式，對電動機保護裝置要求靈敏、可靠。因漏電、電纜老化、環境潮濕等造成了電動機比過去更容易損壞，尤其是過載、短路、缺相等故障出現頻率增高，傳統的設備保護裝置以熱繼電器為主，但熱繼電器靈敏度低、穩定性差，保護不可靠。為了安全起見，本廠設計的自動焊接裝置安裝了以漏電斷路器為主控，緊急停止、無線遙控、電焊機防觸電保護器等，靈敏度和可靠性明顯提高、功能多、調試方便，保護動作后一目了然。既減少了電動機的損壞，又極大地方便了故障的判斷，對設備和人身安全起到了保護作用。

1.2.2 電動機的控制

按下無線遙控器啟動按鈕，無線接收器ND1線圈閉合，繼電器J2得電吸合并自保，繼電器J1線圈帶電吸合， J1開點閉合后給變頻器Mi1供電，變頻器工作，電動機開始正傳，通過三角帶將力矩傳遞到旋轉圓盤上，圓盤帶動圓形加工件同步旋轉，同時J2開點閉合后，電焊機啟動，開始焊接作業，焊接速度可通過變頻器進行調節，圓盤運行至1號限位器時，工件沿焊槍焊接一周，1號限位器動作，J1失電斷開，J3得電吸合，給變頻器Mi3供電，變頻器工作，電動機開始反轉，旋轉一周后，完成焊接作業，2號限位器動作，繼電器J3失電，電動機及電焊機停止工作，設備停電，取下圓形工件后，再次按下無線遙控器啟動按鈕，設備開始工作。電機控制原理如圖2所示。

圖2 電機控制原理Fig.2 Motor control principle

1.2.3 電焊機防觸電保護

電焊機防觸電保護器主控板各項保護特性提前設定，不可隨意調整和拆卸。防觸電保護器共有3根檢測線，其中B1必須通過耐溫檢測、保護電阻、保護手環與被保護的焊接人員相連，確保能夠實時檢測焊接人員的觸電情況，B3與焊接回流地線相連，確保試驗點的安全，B5與焊鉗線相連，用于配合檢測觸電情況。每天使用前進行漏電跳閘試驗，先將保護手環的導電橡膠緊貼試驗點(裝置右側圓形金屬)上，用手按下保護器開關，待運行燈正常閃爍后，按下一個漏電試驗按鈕，如果正常跳閘并亮起紅色指示燈，且綠色運行燈仍然正常閃爍，說明保護裝置正常，可以正常使用，否則嚴禁使用。圓形工件自動焊接裝置選用的電焊機防觸電保護器，無論空載和工作狀態，均能夠可靠地檢測電焊工的觸電情況，并能夠準確可靠切斷電源，從而確保職工的生命安全。漏電保護原理如圖3所示。

圖3 漏電保護原理Fig.3 Leakage protection principle

1.3 傳動系統

1.3.1 傳動系統的選擇

自動焊接裝置是不間斷地做連續旋轉運動，需要電動機將力從一個傳動輪傳遞到另一個旋轉圓盤上面。因此傳動系統要求具有收縮性小、抗變形、速度快、傳動平穩等特點。一般機電設備的軸與軸之間轉動常使用膠帶傳動、鏈傳動、齒輪齒條傳動等方式，在傳動過程中必須能將動力傳動所具有的優勢發揮得淋漓盡致，對比以上3種傳動方式，選擇了不需外購、加工方便、成本低，自身即可加工完成的三角帶傳動。三角帶傳動是用來將電動機的動力直接轉化為旋轉運動的執行元件，其具有傳動效率高，定位準確等特點。

1.3.2 動力驅動

主要作為圓形加工件自動焊接裝置的動力驅動，電動機功率為0.2 kW，由SS-20C變頻器配合使用，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值不超過額定電流，結合三角帶傳動特點，具有傳動驅動平穩、可靠，減少了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備的使用壽命，節省了設備的維護費用。

1.4 旋轉圓盤的制作

旋轉圓盤采用直徑為400 mm、厚度為16 mm鋼板制作，主要用作承載加工件及配合回流接地。圓盤表面銑有150 mm×5 mm×2 mm長形槽，增加工件與圓盤的摩擦阻力。旋轉圓盤適用于100～500 mm的圓形加工件。

1.5 焊接調節支架

焊接支架主要用于焊把的夾持及焊接角度調整，整體結構要求輕便、緊湊，便于安裝、拆除。焊接支架主要有底座、支柱、可升降調節套管、懸臂管、工件夾持端、緊固螺栓等組成。豎桿長度為0.6 m，橫桿長度為0.5 m，焊鉗采用萬能V型加持器，該裝置為自行設計、制作，在圓形加工件自動焊接中起著十分重要的作用。

2 首創關鍵技術

無線遙控及電焊回流地線無線接地技術，首次使用在煤炭生產中，開創了煤炭行業加工工件的自動焊接技術，積極響應全省煤礦“一優三減”(優化系統、減水平、減頭面、減人員)及“四化”(機械化、自動化、信息化、智能化)建設，真正做到了多上設備、少上人，無人則安的安全理念。

2.1 無線遙控

無線遙控設施的使用，一方面用于啟動電動機運轉，另一方面外接CO2焊機啟動開關，實現一鍵雙控控制，做到了動力驅動與自動焊接的同步。單人單手即可完成操作，中間無須人員進行輔助作業。

2.2 無線接地

傳統焊接作業需要將焊機回流地線與工件連接在一起，而采取自動焊接機裝置后，必須解決焊接工件接地問題，人員不用手動搭接回流地線，才能做到自動化焊接。為此，技術人員將回流地線與銅套焊接一體，放入尼龍棒內，尼龍棒底座安裝有伸縮彈簧，彈簧向外頂住銅棒里端，銅棒外端頂住旋轉圓盤邊緣處，依靠摩擦接觸傳遞回流接地電源，實現了無線接地的良好效果。

3 創新促進職工成長

順和煤礦機修廠始建于2000年，設有鉚焊、修理、五小3個生產班組，共有職工100余人，其中高級技師5人，技師8人，高級工程師1人，工程師3人，技能人員中百分之80%以上為青年職工，在當前經濟形勢下，機修廠全體干部職工不斷解放思想，更新觀念，以安全管理為主線，努力科技創新，提高廣大青年員工的業務技術水平。培養一批高技能的青年技術人才，引導廣大青年員工秉承“勤奮學習、刻苦鉆研、勇于創新、精益求精”的工作作風，立足本職崗位，提高職業技能，爭創一流業績，努力成為合格的維修、加工技術人才。圓形加工件自動焊接裝置的研發成功，進一步推動機修廠發展進入到依靠科技進步和提高職工素質的軌道，從而使機修廠的工作與青年員工成長緊密結合，實現青年員工的成長與企業發展的有機統一。

4 實施效果

(1)開源節流、減人增效。圓形加工件自動焊接裝置是一種新型礦山科技，廣泛用于煤礦風水管三通、鐵柱鞋、圓形接頭等，使用自動焊接裝置焊絲為不間斷送進的裸焊絲，無需更換焊條。生產效率比手工電弧焊提高3倍以上。每個人工費用按照300元計算，每天使用自動焊接裝置節省人工2個，費用為600元，每月節約人工費用15 600元，每年可為礦井節約人工費用187 200元。

(2)提高焊接質量。焊接參數如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接手臂伸長度等對焊接結果起關鍵作用。采用自動焊接裝置焊接時對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人為因素影響較小，焊接質量更加穩定。

(3)改善職工勞動環境。采用自動焊接裝置，本廠職工只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺傷人等作業風險，職工不再使用笨重的手工焊鉗，使職工從強大的體力勞動中解脫出來，遠離作業點、有利于職工身體健康。

5 結語

研究開發的圓形加工件自動焊接裝置，是將自動控制與焊接技術為一體化的機電設備，根據全省煤礦“一優三減”及“四化”建設要求，自動焊接裝置會逐漸代替人工焊接。該研究在煤炭行業內屬于新產品，能夠有效應對煤炭行業人員流失及環境對人體產生的危害。