基于卡車儲氣罐環縫焊機的機械結構設計

張宣升 李兵 張朝國 陳囡囡

摘要：根據卡車儲氣罐的結構特點和常用的加工方式，有針對性地設計環縫焊機，包括其整體結構、焊槍頭的專用夾具、放置焊接工件的托架。對卡車儲氣罐環縫焊機進行焊接試驗，試驗測試表明：該環縫焊機在保證焊接質量的同時，焊接速度比人工焊接提高了2倍有余，保證了產品合格率，大幅度降低了生產成本。

關鍵詞：卡車儲氣罐；環形焊縫；環縫焊機；結構設計

中圖分類號：TP23 ?????????文獻標識碼：A ??????????文章編號：1672-4437（2023）04-0036-05

卡車儲氣罐用來儲存壓縮氣體，主要作用是向剎車系統提供穩定的壓縮空氣，從而實現剎車系統的正常工作^[1]。儲存的空氣氣壓值一般在0.6-1.0MPa，對儲氣罐的進氣、出氣及排水孔圓形螺母焊接要求較高。因為卡車儲氣罐制造精度較低、價格便宜等原因，大部分廠家只是采用人工手動焊接的傳統方式對卡車儲氣罐焊縫進行焊接。人工手動焊接對工人技術水平要求較高，而且存在人工勞動強度大、產品質量不穩定、生產效率低下、成本高、焊接環境惡劣等問題，在安全方面也存在很大的隱患^[2]。

隨著卡車銷量及安全性的提升，卡車儲氣罐的傳統生產模式已不能滿足實際生產需要。而焊接機器人大多體型龐大、結構復雜、采購成本和使用成本較高，中小型企業難以承受。為此，本研究設計一種操作簡單、價格便宜、焊接質量較高的環縫焊機，用來解決卡車儲氣罐傳統生產模式生產效率低下、焊接質量不穩定等問題。

1 卡車儲氣罐的結構特點及加工過程

1.1 結構特點

卡車儲氣罐一般由筒體、封頭、法蘭、接管、密封元件和支座等零件和部件組成，如圖1所示。其中1為出氣孔圓形螺母，2為進氣孔圓形螺母，3為連接壓力表圓形螺母（規格同1），4為排水孔圓形螺母（規格同2）。材料為Q235B，壁厚2mm，經激光切割、沖壓成型、焊接等工藝加工而成。質量應符合TJ/T1178.2-2019《營運貨車安全技術條件 第2部分：牽引車輛與掛車》和QC/T200-2015《汽車和掛車氣壓制動裝置用儲氣筒性能要求及試驗方法》的相關要求。

1.2 加工過程

首先用激光切割機切割出560mm×942mm的矩形鋼板，并在對應的位置上切割出2個直徑22mm、2個直徑36mm的圓孔，然后通過壓力機壓成圓柱狀，用直縫焊機進行焊接，然后焊接進氣、出氣、排水孔圓形螺母，最后焊接兩端蓋。由于罐內壓強較高，進氣、出氣、排水孔圓形螺母焊接后要求在1MPa壓力下不得漏氣，焊縫應平整、均勻，無裂紋、焊穿、弧坑、脫焊、漏焊等缺陷，應連續光滑。本研究設計出可以代替人工焊接的環縫焊接專用的機械機構，專門焊接儲氣罐上進氣、出氣、排水孔圓形螺母。

2 環形焊縫及焊接

2.1?環形焊縫

環形焊縫是指焊接的起始焊接位置與結束焊接位置重合，沿著焊接接口環形一周形成的封閉圓環狀的焊縫，常見于筒體、管道焊接等。根據所在位置不同，可分為平盤類環形焊縫、管板類環形焊縫、筒體類環形焊縫。環形焊縫相比于直線類焊縫，不僅僅是焊縫形狀不同，在焊接過程中，焊接電流、焊接電壓、焊接速度、氣流流量、焊槍傾角、焊絲干伸長度等各種參數都在變化，因此焊接復雜程度較高，對焊接要求也高。

2.2 環形焊縫焊接方法

根據焊接工件的尺寸大小以及焊接工藝等需求，環形焊縫常見焊接方法有：手工焊條電弧焊、氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊以及埋弧焊。各種焊接方法的比較見表1。

3 環縫焊機結構設計

3.1?總體結構設計

本環縫焊機結構模式為銑床式結構，通過調節氣動裝置、電機參數、焊接電流、送絲速度等實現環縫焊機的自動化控制，進而實現不同規格的圓形螺母焊接。環縫焊機主要由焊接系統、焊接運動調節系統、主傳動系統組成。床身尺寸長1600mm、寬800mm、高1995mm，焊機由運動調節系統帶動焊接系統，實現自動焊接運動。運動調節系統包括氣動裝置和電動旋轉裝置。環縫焊機由機身、焊機、自動送絲機構、運動調節機構、焊接頭夾具、焊接機構等結構部件組成。主要技術參數見表2。

控制系統采用PLC控制，通過控制電機的轉速實現對焊槍頭運動的精準控制，對焊接過程全程監測，隨時調整焊接電流參數、送絲速度，精確控制焊槍與焊接處的相對位置，從而實現對焊接質量的控制。

3.2 自動環縫焊接軌跡成形設計

現有環縫焊機種類繁多，大多數是焊槍固定，難以根據工件實際尺寸進行調節，一般都是工件轉動，實現環縫焊接。但是工件相對較大，要想驅動其轉動，還要對其進行穩定夾持，機械部分較為麻煩，且不方便操作^[3]。因此，設計一種工件不動，焊槍旋轉的環縫焊機。

環縫焊機主要包括焊機本體、氣動裝置、電動裝置、焊槍夾具和電氣控制部分。焊接動作過程為：啟動—下槍—壓緊工件—旋轉焊接—提槍—停止。環縫焊機的結構簡圖如圖2所示。

開始焊接時氣缸6帶動焊接機構（電機箱8、固定柱11、夾具9、焊槍10）在導軌7上向下移動，固定柱11壓住圓形螺母，焊機通電，電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動固定柱11做圓周運動，固定柱11帶動夾具9及焊槍10繞圓形螺母進行焊接。固定柱11下方壓緊工件處采用圓錐頭的設計可以實現自定心的功能，保證焊槍頭和工件的距離穩定在一定范圍。當焊槍旋轉364度后，焊機斷電，焊接機構向上移動并反向旋轉歸位，一次焊接結束。

3.3 夾具設計

儲氣罐上有4個不同規格的圓形螺母需要焊接，焊槍需要調整，又要保證調整后的精度，焊槍夾具需要專門設計，符合夾具設計的基本理論。如圖3所示，整個夾具通過軸套4固定在固定柱2上。通過螺紋6調整夾具上下位置，螺紋7調整焊槍水平位置。在焊接前，先把焊接機構移動至焊接位置，使固定柱下方圓錐頭1壓住圓形螺母，然后手動調整螺紋手柄6、7，使焊槍10與工件保持合適的距離，既保證焊接質量，又保證焊縫均勻。焊接同一規格型號圓形螺母時，只需調整一次，后面不需要再次調整。

控制系統采用PLC控制，通過控制電機的轉速實現對焊槍頭運動的精準控制，對焊接過程全程監測，隨時調整焊接電流參數、送絲速度，精確控制焊槍與焊接處的相對位置，從而實現對焊接質量的控制。

3.4 電機及減速器參數

根據卡車儲氣罐的材料、結構特點及焊接要求，選擇NBC-270焊機。該焊機適合用于焊接較薄材料，可實現高精度的焊接效果。根據多次試驗，焊接速度為100-120mm/min時焊接效果最好，即圖3中焊接頭10旋轉速度為1-1.2r/min。選用80ECP175ALCH電機，設定轉速25r/min，配25：1蝸輪蝸桿減速機。蝸輪蝸桿減速機具有反向自鎖功能，同時增大輸出扭矩，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸既不在同一軸線，又不在同一平面，方便環縫焊機中固定柱帶動焊槍做圓周運動。

4 使用效果及焊接接頭性能測試

4.1 焊接參數設置

該環縫焊機主要焊接直徑22、直徑36兩種型號圓形螺母，材料為Q235B，焊接參數見表3。

4.2 焊接效果

按照焊接工藝方案，對卡車儲氣罐圓形螺母焊接進行試驗驗證。經檢測，無未熔合焊縫，無可見氣孔，無黑煙現象，無未焊透、偏焊及漏焊等焊接缺陷，焊縫均勻飽滿且顏色白亮。焊接質量符合要求，效果良好。與人工焊接的效果對比見表4。

經專業檢測機構檢測，符合TJ/T1178.2-2019《營運貨車安全技術條件第2部分：牽引車輛與掛車》和QC/T200-2015《汽車和掛車氣壓制動裝置用儲氣筒性能要求及試驗方法》的相關要求。

4.3 焊接接頭性能測試

（1）接頭宏觀檢測。對加工出的卡車儲氣罐環形焊縫沿垂直焊接方向截取實驗金相試樣，經研磨、拋光用于金相分析。采用金相顯微鏡觀察接頭，結果表明焊縫金屬及熱影響區未發現氣孔、裂紋及未熔合等焊接缺陷，根部已焊透。依據《金屬材料焊接工藝規范及評定》（ISO 15614-12：2021）評價標準，判定接頭宏觀檢驗合格。

（2）接頭力學性能測試。依據《鋼制焊接常壓容器》（NB/T47003.1—2009）的焊接工藝評定要求，對直徑22、直徑36兩種型號圓形螺母分別截取2個試樣進行拉伸試驗。拉伸試驗結果見表5，結果表明符合標準評價要求。

（3）接頭彎曲試驗。按照《鋼制焊接常壓容器》（NB/T47003.1—2009）的焊接工藝，截取卡車儲氣罐上4個環形焊縫試樣進行彎曲試驗，結果見表6。試樣均未出現任何開裂，符合標準評價要求。

5 結論

第一，本研究設計的卡車儲氣罐環縫焊機，以手動調節焊槍夾具的位置控制焊槍頭的位置，可以實現不同尺寸的圓形螺母環縫焊接。

第二，本研究采用PLC控制環縫焊機整個工作過程，不需要自動弧壓跟蹤系統就可以實現對焊槍起弧高度和焊接過程中焊槍高度的動態控制調整。對焊接過程可以實現自動化控制。

第三，采用本研究設計的環縫焊機對卡車儲氣罐進行焊接，對環形焊縫接頭進行宏觀檢驗、力學性能測試、接頭彎曲試驗，結果表明卡車儲氣罐環縫焊機焊接的焊縫質量符合國家標準和企業要求。

第四，本研究設計的卡車儲氣罐環縫焊機焊接速度較人工焊接速度提高了2.5倍，減少了焊接準備時間，提高了生產效率，并且保證了焊接質量的穩定性，降低了生產成本，提高了焊接產品的合格率。

參考文獻：

[1]汪育，谷滿意，劉明，等.某型裝備特種底盤儲氣罐安全性能分析[J].兵工自動化，2018（10）：32-34，40.

[2]陳瑞，宋寧，王軍，等.探討自動焊接在機械加工中的應用[J].冶金與材料，2022（4）：129-131.

[3]譚江濤，李宗原.全自動立式環縫焊機壓緊機構的設計[J].現代制造技術與裝備，2019（7）：4-6.

收稿日期：2023-08-21

基金項目：安徽省高校自然科學重點科研項目 （2022AH052567）；阜陽職業技術學院校級人才優秀項目（2022rcjs0001）。

作者簡介：張宣升（1985―），男，安徽阜陽人，阜陽職業技術學院講師，主要研究方向：智能焊接、智能制造。