刮板輸送機中部槽焊接工藝及自動焊接流水線設計研究

杜 奇

（國能神東煤炭集團有限責任公司 設備維修中心，鄂爾多斯 017000）

0 引言

面對國家“雙碳”要求，近年來煤炭行業貫徹新發展理念，踐行綠色低碳環保，著眼新的發展方向，堅定不移的走安全、高效、生態、智能的高質量發展路子，構建數字化、智能化新產業和業態。提出加快推進構建煤炭產業綠色、低碳體系，指明了煤炭清潔高效開采、低碳綠色利用、污染達標排放的的工作方向。

煤礦安全智能的高質量發展道路，首先需要安全、可靠、智能的煤礦自動化裝備來保證，而刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面最為重要的設備之一，它的主要作用有三個，一是把采煤機割下來的煤塊轉運至順槽轉載機；二是承載采煤機在其上行走，三是作為液壓支架拉架的支點。所以刮板輸送機的安全、可靠和智能化就顯得尤為重要。將直接影響神東作為央企擔當責任使命，安全保證煤炭供應的政治要求。

中部槽是刮板輸送機的最關鍵部件，每臺運輸機約有100節左右的中部槽，其重量占整機總重的80%左右,無論是結構形式還是功能占比都對整機的可靠運行起到至關重要的作用，其可靠性和耐磨性直接決定著綜采工作面設備的綜合性能和效益。因此，提高中部槽的焊接質量非常重要，那么如何提高中部槽的焊接質量？重點是研究槽幫與中板，槽幫與封底板的焊縫質量。因此，無論從安全可靠、成本節約的角度去考慮，開展高耐磨、高質量的中部槽設計制造迫在眉睫[4]。

國能神東煤炭集團是全國唯一一個2億噸煤炭生產基地，擁有各類刮板輸送機56套，公司在2021年工作會議上提出全面開啟二次創業的新征程，全力構建神東創新驅動、綠色發展的新格局。作為區域內重要的煤炭生產企業，謀劃轉型發展、可持續發展迫在眉睫。對于高質量的裝備要求更是時不可待，因此設計研究一條刮板輸送機中部槽智能焊接流水線首當其沖。以下重點闡述流水線的產能設計、生產規格、焊接工藝、裝備選型及流水線布局等。

1 產能設計

1.1 產能規劃

根據市場調研，結合神東煤炭公司及外部市場需求，預測最大需求約為1462節/年，為保障產能，合理投入，利用我公司現有車間，選用先進工藝、技術和裝備，初步規劃產能為每班6節中部槽，每個班8小時。也就是一年1500節左右的產能。所有的裝備配置、選型全部是基于這個產能設計以及各個工序的用時和節拍時間來確定的。圖1為中部槽三維圖。

圖1 中部槽三維模型圖

1.2 生產規格

設計的流水線適合生產的中部槽規格尺寸為：

1）長度：1500mm～2050mm；

2）內槽寬：800mm～1400mm；

3）最大尺寸（mm）：長2050×寬1400×高736；

4）最大重量：5700kg。

2 中部槽焊接工藝研究

2.1 所選用材質的牌號和性能研究

一節完整的中部槽是鏟板槽幫、擋板槽幫、中板和底板焊接而成的框架結構，具體如圖2所示。其中各部件材質為：槽幫、齒軌座均為ZG30MnSiMo；中、底板為hardox450；折彎彎板為Q460E。

圖2 中板焊接結構圖

2.1.1 中部槽槽幫

中部槽槽幫均屬鑄件，材料為ZG30MnSiMo，屬中碳低合金Mn-Si鑄鋼（C=0.25～0.35%），表1為ZG30MnSiMo的化學成分、熱處理狀態。表2為力學性能。

表1 ZG30MnSiMo化學成分

表2 力學性能表

由上表可知，ZG30MnSiMo屬于碳當量大于百分之0.4的高強耐磨鋼，其冷裂敏感系數大于百分之0.3，冷裂的傾向性和可能性很大，且中部槽強度高、剛性大，焊接時應力較為集中，焊接性較差[5]。

2.1.2 中部槽中板和底板材料

中部槽中底板全部選用hardox450，材料厚度40mm（中板）、30mm（底板）。Hardox450悍達耐磨鋼板是由瑞典SSAB公司生產制造的高韌性、具有良好彎曲性能的多用途耐磨鋼，被廣泛的應用于礦山機械產品中。

Hardox450鋼板具有高耐磨性，而其硬度及強度，化學成分也隨著厚度的增加而發生改變，如表3和表4所示。

表3 hardox450的力學性能

表4 hardox450的最大碳當量

由上表可知，Hardox450耐磨鋼板具有非常高的硬度、強度以及較高的碳當量，Hardox450焊接時有淬硬傾向，有產生氫致裂紋的可能性。因此焊接中需要重點關注如何防止冷裂紋和氫致裂紋[1]。

2.2 激光復合打底工藝的選擇與研究

2.2.1 激光復合打底工藝的選擇

中板和槽幫打底焊接為什么選用單機器人單絲激光復合打底工藝？因中板與槽幫這種異型鋼焊接（槽幫ZG30MnSiMo、中板hardox450）的關鍵是要解決焊透與變形的問題。采用傳統的MAG弧焊工藝，為了保證焊透，槽幫和中板需留3-4mm間隙，該間隙比較大，熔化的鐵水容易下淌，不易實現單面焊背面成型，而且焊接速度慢，更重要的是焊后變形大，為了防止變形，需要焊拉筋，有的在槽幫上焊直拉筋，有的在端頭焊U型拉筋，去掉拉筋后還需打磨，不僅浪費人力、時間，而且浪費材料，如圖3所示。

圖3

然而激光MAG復合焊接工藝，需要的裝配間隙較小，0～2mm即可，中板坡口比較小，一方面能節約焊材，另一方面激光復合焊接熱源能量集中、焊接熱影響區小、焊接變形小、并且在平焊的位置即可實現單面焊雙面成型，可完全實現中板焊縫全焊透，不用背面再清根。在無拉筋狀態下，保證變形控制在1.5mm的要求范圍內。

圖4 中板與槽幫激光-MAG復合焊接(單面焊雙面成形，無需焊切拉筋)

2.2.2 激光-電弧復合焊的研究

激光-電弧復合焊接技術具有有焊接變形小、速度高、殘余應力小、熱影響區窄等特點、是20世紀70年代逐漸發展成熟起來的一種優質、高效、新型的焊接技術。該技術耦合了單純激光焊接和埋弧焊接的優點，同時彌補了二者的缺陷，實現了1+1＞2的效應。

激光-電弧復合焊接技術是目前國內外焊接領域公認的21世紀最具有發展和應用前景的焊接新技術之一，特別是在對焊接質量、焊接變形、焊接效率要求較高的關鍵結構件的焊接制造中具有其他焊接技術無法企及的獨特技術優勢。在歐美等國家激光-電弧復合焊接技術自2000年便已在造船、汽車、工程機械、軌道交通、能源電力等制造業領域獲得了廣泛應用。在我國激光-電弧復合焊接技術也已基本成熟并在兵器、礦山機械、軌道交通、船舶、航天等領域獲得了成功應用[3]。

2.3 中部槽焊接工藝的梳理

對中部槽的焊接工藝、序進行全面梳理。從彎板、底板、中板和鏟幫的預熱開始梳理每道工序的用時，確定了中部槽焊接的節拍時間，繪制了中部槽焊接工藝流程圖，如圖5所示。

圖5 中部槽焊接工藝流程圖

3 中部槽智能焊接流水線的設計與創新點

3.1 中部槽制造場地和設備布局

整個中部槽制造占用了現有車間3聯跨其中的1跨半（北部一跨和中間半跨），其中圖6紅色圖框（左上半跨）是上智能焊接流水線之前的前序工序布置，包括原材料存放、中底板、彎板、擋煤板及電纜槽隔板下料、中板破口加工、彎板折彎、彎板孔自動切割機器人以及彎板軌座組對等。圖6黃色圖框（右上半跨）是中部槽智能焊接流水線，圖6橘色圖框（右下半跨）是中部槽焊接完下線后的機加工區域以及電纜槽焊接區域，主要是對中部槽兩個端面、中板的搭接面及啞鈴型窩進行機加工。

圖6 中部槽制造場地和設備布局圖

該布局完全按照精益化管理理念及工藝工序布局，從北大門進原材料，左邊下料、右邊焊接。真正實現了物流路線最短、浪費最少。

3.2 中部槽智能焊接流水線的設計

首先把中部槽散件（槽幫、中底板、彎板組件）全部存放在中轉區，通過覆蓋于中轉區、預熱區及自動組對區激光復合打底區的數控龍門式桁架機械手，吊運至可以存放4組中部槽的自動連續式預熱爐內進行預熱，然后通過數控龍門式桁架機械手調運至中板、槽幫自動組對設備進行組對、激光復合打底。打完底后通過數控龍門式桁架機械手吊至中轉臺，此時RGV車過來將打完底的中部槽運至四個任意一個工作站上面進行填充、蓋面、焊接。中板焊完后進行是底板與槽幫的組對、點焊。焊接完后進行滿焊。然后是彎板軌座組件和槽幫的組對、點焊和焊接。底板、彎板組件與槽幫組對、點焊利用流水線上的第二臺數控龍門式桁架機械手進行倒運。第二臺數控龍門式桁架機械手覆蓋于底板組對、點焊、彎板軌座組件與槽幫組對、點焊以及2臺保溫爐之間。最后時效完成后進行相控陣超聲波自動探傷，然后下線。以上就是整個自動焊接生產線的工藝路線和設備布局，具體如圖7所示。

圖7 中部槽智能焊接流水線布局圖

整個焊接流水線的裝配配置為：2臺龍門式絎架機械手、1臺4組連續式自動預熱爐、1套中板槽幫自動組對設備、1套激光復合焊接設備。3套雙機器人雙絲焊接工作站、1套雙機器人單絲焊接工作站、1臺掏焊轉機、1臺自動探傷設備、2臺保溫爐、3臺RVG物流搬運車和集控室。

3.3 中部槽智能焊接流水線創新點

3.3.1 采用先進的激光-MAG復合打底焊接工藝

傳統單脈沖MAG焊接，焊接熔池大、焊縫熔深淺。鈍邊不易焊透。為了把坡口鈍邊熔透，要留大間隙，焊接速度慢，焊后變形大。而單純激光焊接，焊接熔池小，但是焊縫熔深深，容易實現單面焊雙面成型。那么復合焊的熔深深而寬，激光復合焊接分別繼承了單獨激光焊和弧焊的優點，獲得“1+1＞2”的焊接效果。如圖8所示。

圖8 激光-電弧復合焊接技術原理圖

3.3.2 柔性程度高

槽幫與中板打底工藝能夠兼容激光-MAG復合打底、脈沖-MAG打底和傳統-MAG打底（弧焊）三種打底焊接工藝。首先選用激光復合打底，如果是激光系統或者焊接過程變形超差或者有別的其他問題，可迅速切換打底工藝，在打底區域配置了一臺脈沖焊機（單脈沖打底焊，無拉筋時不易保證全焊透與控制變形。也可以采用傳統-MAG打底（弧焊）。也就是首先用人工烤槍預熱，然后人工組對、點焊，再在4個任意1個工作站進行對稱立式打底。因此該設計不會因為某個裝備或者工藝故障，導致整個產線停產。

3.3.3 采用工作島式的布置方式而非一字型布局

焊接流水線配置了四個功能完全一樣的焊接工作站，均可實現中板兩條焊縫、底板外焊縫及彎板軌組件與槽幫的焊接。如果其中1個工作站出現故障，并行作業，可以在其他3個工作站進行焊接作業，不會影響整個生產線的運行，生產線故障率低。

3.3.4 物流設備智能、路線短

采用充電式RGV智能物流小車實現各位間物件的搬運。為了方便提醒周圍工作人員，RGV智能物流小車車體前方、后方均安裝激光安全檢測裝置、信號燈及聲音報警裝置。如果RGV車發生設備故障或者發現周圍有障礙物，此時RGV自動發出聲光報警并減速或停車，同時通過無線通訊系統發出信號給RGV監控系統，管理人員可根據報警的信息指揮現場人員排除故障或障礙物。同時RGV智能物流小車具備兩種充電功能，一種是預定位置通過電磁感應方式自動補電，另外一種是在RGV車存放區通過電源充電。當RGV車出現低電量充電預警時，RGV車會發出充電信號給集控系統，集控系統可調度RGV車自動到預定位置進行補電。

中部槽焊接完成下線后，RGV智能物流小車將焊接好的中部槽轉運至需要機加工的存放臺上。避免了再用叉車或者其他形式的物流車來回倒運。縮短了物流路線、提高了物流倒運效率。同時為了提供安全性，RGV智能車軌道過跨處設有自動對開門。正常自動門處于關閉狀態，此時人行（物流）通道暢通。當RGV過跨時，自動門打開將人行（物流）通道關閉，此時RGV通道暢，人行（物流）通道關閉。這樣可以徹底解決人員、物流的交叉運行的安全隱患。具體如圖9所示。

圖9 RGV智能物流路線圖

3.3.5 安全性高

5個焊接工作站（1臺雙機雙絲[2]、3臺雙機單絲和1臺掏焊專機）全部布置在一側，便于焊接煙塵集中凈化，同時避免了煙塵凈化長距離管道的吸力衰減問題。有人員參與的焊接引收弧板、底板、彎板組件組對布置在另一側。該設計實現了人線分離，保障了人員安全。如圖10所示，橘色圖框（上部分）為焊接工作站布置，藍色圖框（下部分）為人員參與的組對側布置。

圖10 流水線布置設計圖

4 結語

在煤礦安全、智能、高質量的發展指引下，煤機裝備的智能、安全、高效就顯得尤為重要，本文從中部槽制造的產能設計規劃、場地設備布局、工藝路線研究、裝備選型應用等方面研究設計了一條技術一流、工藝新型、裝備先進、安全可靠、智能物流的國內一流的中部槽自動化焊接流水線。重點對中部槽槽幫材質、中底板材質及焊接工藝進行了研究分析，特別闡述了激光復合打底工藝的特點和優點。對中部槽自動焊接流水線設計思路和創新點進行了詳細的論述。