周好斌，單 航，付新宇，劉嘉琪

（西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065）

1 鋼筋鋼帶結(jié)構(gòu)及其焊接現(xiàn)狀

鋼筋鋼帶又稱鋼筋梯子梁，是由兩根并列長梁和連接兩梁的若干短節(jié) （短鋼筋）焊接而成，相鄰短節(jié)之間構(gòu)成限位孔，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。鋼筋鋼帶由于其結(jié)構(gòu)簡單、 成本低廉，大量應(yīng)用于煤炭開采時的錨桿支護煤巷掘進過程[1-7]。目前，鋼筋鋼帶主要由手工電弧焊焊接而成，存在焊接接頭強度不高、 焊工勞動強度大、 環(huán)境差、產(chǎn)量低等問題。為了改善目前現(xiàn)狀，設(shè)計了一種自動焊焊機，該焊機結(jié)合鋼筋鋼帶成型結(jié)構(gòu)特點，采用目前較為成熟的電阻壓焊工藝進行焊接。分析了電阻壓焊過程中影響焊接接頭質(zhì)量的因素，即短節(jié)兩端焊接熱量不均、 焊件并聯(lián)分流以及焊接三相電流不平衡等。針對這些影響因素，設(shè)計了焊接專用工裝，并對焊接電源結(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)進行了設(shè)計，實現(xiàn)了鋼筋鋼帶的自動焊接。

圖1 鋼筋鋼帶結(jié)構(gòu)示意圖

2 鋼筋鋼帶焊接工藝及工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 焊接工藝分析

鋼筋鋼帶常規(guī)電阻壓焊過程是兩根電極直接擠壓兩根長梁外側(cè)，與長梁內(nèi)側(cè)夾緊的鋼筋短節(jié)形成焊接電流回路，單根短節(jié)焊接過程如圖2 所示。

圖2 單根短節(jié)焊接過程模擬示意圖

焊接過程中，整個焊接回路的電阻較小（約為幾百微歐），由于長梁與短節(jié)接觸部位的初始接觸面積相對較小，其接觸電阻相對于其他部位較大，由電流的熱效應(yīng)可知，該接觸面可產(chǎn)生大量電阻熱，從而使接觸面的金屬加熱至熔融狀態(tài)，同時在氣缸推動電極的擠壓力作用下，實現(xiàn)長梁與短節(jié)的焊接。在此回路中，鋼筋短節(jié)兩端的接觸面電阻等效于兩個串聯(lián)電阻。為保證短節(jié)兩端焊接接頭均有足夠的強度，則需兩端焊接熱量近似相等。但由于鋼筋短節(jié)兩端截面的加工精度不同，且與長梁間接觸緊密度、 平整度等存在較大差異，使兩端接觸面電阻相差較大，從而導(dǎo)致兩端焊接接頭質(zhì)量不同，嚴(yán)重的可導(dǎo)致其中一端虛焊。

長梁從一側(cè)通過自動輸送裝置到達焊接工位，短節(jié)上料裝置將短節(jié)放置在長梁內(nèi)側(cè)，焊接完成后，繼續(xù)輸送一定距離后焊接另一鋼筋短節(jié)。這時焊接當(dāng)前工位短節(jié)會與已焊接完成的短節(jié)形成并聯(lián)電路，使當(dāng)前焊接實際功率不足。由于損失了一部分能量，導(dǎo)致焊接接頭強度差，即所謂的焊接過程中電流分流問題。

2.2 焊接熱量平衡設(shè)計

為解決由于短節(jié)兩端接觸電阻不同導(dǎo)致的焊接熱量不均、 焊接接頭強度差的問題，可采用雙電源同時獨立供電模式進行焊接，雙電源供電焊接結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙電源供電焊接結(jié)構(gòu)示意圖

在初級回路中串聯(lián)一個雙向晶閘管組成單相調(diào)壓電路，用來控制回路通電時間及電流大小[8]。短節(jié)中間加一個電極構(gòu)成兩個焊接回路，使短節(jié)兩端各自有獨立電源供電。通過獨立供電的雙電源設(shè)計，避免了單一電源供電時，由接觸電阻差異導(dǎo)致的焊接熱量不均問題。

2.3 焊接工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)鋼筋鋼帶工件的自動化連續(xù)焊接，必須使伺服電機控制輸送的鋼筋長梁與震動盤控制輸送的短節(jié)到達焊接工位進行焊接。為此設(shè)計了鋼筋鋼帶的專用焊接工裝，該工裝包括短節(jié)夾緊氣缸、 推力氣缸、 電極、 底座、 限位裝置等，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。長梁和短節(jié)到達輸送焊接工位后，夾緊氣缸夾緊短節(jié)，推力氣缸推動電極夾緊長梁，同時實現(xiàn)長梁與短節(jié)的焊接。

3 電阻焊供電模式設(shè)計

3.1 焊接電流分流設(shè)計

基于鋼筋鋼帶工件結(jié)構(gòu)的特點，距離較小的相鄰短節(jié)之間構(gòu)成限位孔。由于相鄰限位孔間的距離相對較長，分流作用不顯著，故并聯(lián)分流作用主要存在于構(gòu)成限位孔的兩根短節(jié)之間。這種并聯(lián)焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程中會引起分流，但同時這種結(jié)構(gòu)又可以實現(xiàn)高效焊接。故設(shè)計采取同時焊接兩根鋼筋短節(jié)，即6 個電極同時夾緊兩根短節(jié)分別形成4 個焊接回路，且兩短節(jié)的接觸電阻相互構(gòu)成并聯(lián)電路。雙根短節(jié)同時焊接結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用該焊接方式，不僅可以解決并聯(lián)電路分流導(dǎo)致的焊接功率不足問題，同時也提高了焊接效率及能量利用率。

圖5 雙根短節(jié)同時焊接結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 焊接三相電流平衡設(shè)計

采用工頻三相交流電源同時焊接兩根鋼筋短節(jié)，焊接時只利用了三相電中A、 B 兩相之間的電壓，而C 相未使用。由于焊機焊接所需功率較大，此種焊接方法存在三相電流不平衡問題，會產(chǎn)生供電波形失真、 電涌、 尖波等現(xiàn)象，這對電網(wǎng)沖擊及設(shè)備損害極大，而且會影響焊接接頭的質(zhì)量[9]。結(jié)合鋼筋鋼帶結(jié)構(gòu)的特點，相鄰兩根短節(jié)構(gòu)成限位孔，每一個限位孔需要一相電壓。因此，為解決焊接電源三相電流不平衡問題，采取同時焊接3 段的方法，即同時焊接6 根鋼筋短節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 6 根短節(jié)同時焊接結(jié)構(gòu)示意圖

同時焊接6 根鋼筋短節(jié)，鋼筋鋼帶限位孔的特殊結(jié)構(gòu)恰好可以滿足這種焊接方法，每組構(gòu)成限位孔的短節(jié)利用三相電壓中的一相，3 組限位孔就可利用三相電壓。此種焊接設(shè)計不僅解決了焊接電源三相電流不平衡的問題，且提高了焊接效率。

3.3 鋼筋鋼帶專用焊機變壓器設(shè)計

鋼筋鋼帶專用焊機采用固定式焊機，設(shè)計的焊機主要用于低碳熱軋鋼筋的焊接。整套設(shè)備同時焊接6 根鋼筋短節(jié)，需要設(shè)計6 個相同變壓器，以其中一個變壓器為例，做如下設(shè)計。

3.3.1 焊機功率設(shè)計

設(shè)計的焊機主要用于焊接直徑10～16 mm 圓棒狀經(jīng)校直后的低碳熱軋鋼筋，低碳鋼電阻焊焊機額定容量[10]取0.3～0.5 kVA/mm2。不同截面積所需焊機功率范圍見表1。

表1 不同截面積對應(yīng)的焊機功率范圍

基于鋼帶焊接結(jié)構(gòu)的特殊性，焊接部位位于圓棒狀鋼筋短節(jié)與長梁相貫面處，最終所需焊接截面大小約等于圓棒截面積。短節(jié)兩端接頭同時焊接，單臺變壓器需要提供兩個截面焊接所需功率。對比表1 中數(shù)據(jù)，所選焊機容量應(yīng)符合焊接需求且經(jīng)濟綠色、 節(jié)約資源，綜合分析設(shè)計單臺變壓器容量為200 kVA。

3.3.2 焊機變壓器鐵心設(shè)計

焊接原始參數(shù)：網(wǎng)壓電壓U1=380 V、 頻率f=50 Hz、 負(fù)載持續(xù)率εN=10%、 變壓器額定實載功率200 kVA、 強制水冷等。

變壓器次級繞組為兩組一匝的線圈。每組線圈的次級額定空載電壓U2N=6.34 V。變壓器鐵心凈截面積計算公式[9]為

式中：SFe——變壓器鐵心凈截面積，cm2；

U2N——次級額定空載電壓，V；

f——電源頻率，Hz；

N2——次級繞組匝數(shù)；

BM——最大磁通，T。

鐵心材料選用D310－0.35 硅鋼片，查表[11]選取BM=1.70 T。代入式 （1）計算得鐵芯截面積SFe=168 cm2，取鐵芯柱截面寬a=9 cm，則厚度b=18.7 cm。毛厚為b′，取疊片系數(shù)[11]KC=0.9，計算得到毛厚b′=20.8 cm。

3.3.3 焊機變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于變壓器容量為200 kVA，次級調(diào)節(jié)分為八級調(diào)節(jié)為宜，額定級定為倒數(shù)第二級，使變壓器有一定的后備容量。取U2N/U2min=1.75，其中U2min為次級最低電壓值，則U2min為3.62 V。由于次級是兩組一匝的繞組，以其中一匝線圈為例，若使電壓按幾何級數(shù)隨級別提高，其比率為q，則

其中U2（1）為次級第一級電壓，求得q=1.10，計算出變壓器各級電壓U2。由各級的變壓比算出初級繞組的匝數(shù)，取整數(shù)值，再反過來修正各級電壓，各參數(shù)值計算結(jié)果見表2。

表2 變壓器設(shè)計參數(shù)

變壓器一次繞組按抽頭形式設(shè)計8 級調(diào)節(jié)級數(shù)，即8 個檔位調(diào)節(jié)，級數(shù)調(diào)節(jié)原理如圖7 所示。

各檔位之間匝數(shù)為表2 中對應(yīng)檔位初級繞組匝數(shù)的差值，其中第8 檔為基礎(chǔ)匝數(shù)54 匝。標(biāo)號越大的檔位其初級繞組匝數(shù)越小，焊接電壓越大，可焊接圓棒直徑越大。

圖7 變壓器級數(shù)調(diào)節(jié)器原理圖

3.3.4 初、 次級繞組導(dǎo)線截面積設(shè)計

初級繞組線圈為帶有絕緣層的扁平銅線，初級繞組截面積[11]為

式中：k——變壓比；

j1——初級繞組許用電流密度，A/mm2。

1.03 ～1.07 為考慮變壓器的損耗和磁化電流的 系數(shù)，取j1=5 A/mm2，代入得S1=36.7 mm2，取寬為14.1 mm，厚度為4.7 mm。有時為了節(jié)省銅料，在低于額定級才接入的繞組，其截面積可選的小一些。同理，取j2=5 A/mm2，次級繞組截面積S2=1 012 mm2，可選用相同截面積的銅箔疊片進行軟連接。

4 焊接工藝試驗結(jié)果

在鋼筋鋼帶自動焊生產(chǎn)線的送料、 調(diào)直、 儲料、 控制、 剪切、 出料等設(shè)備的協(xié)同下，設(shè)計的焊機電源及其焊接工裝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了鋼筋鋼帶焊接過程的自動化。設(shè)置一定焊接參數(shù)，得到焊接產(chǎn)品，并通過對焊接產(chǎn)品進行破壞性試驗檢測其強度。

4.1 工藝試驗條件

試驗采用直徑為10 mm 的Q235b 熱軋鋼筋，在MTS 靜態(tài)液壓萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率6 mm/min。采用兩種不同焊接參數(shù)進行焊接，具體參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 焊接電源及壓力參數(shù)設(shè)置

4.2 試驗結(jié)果與分析

每組在相同試驗條件下分別有3 個焊接試樣，在萬能拉伸機下對試樣的焊接接頭做破壞性試驗，測量試樣的拉伸斷裂荷重，來衡量產(chǎn)品的可靠性，試樣拉伸斷裂荷重檢測結(jié)果見表4。

表4 試樣拉伸斷裂荷重檢測結(jié)果

試驗結(jié)果表明，本研究電阻焊機采用不同焊接參數(shù)所焊接的試樣，其拉伸斷裂荷重遠(yuǎn)大于手工電弧焊所焊接的產(chǎn)品強度。鋼筋直徑相同時，手工電弧焊接焊縫拉伸斷裂荷重約為16 kN，而采用電阻壓焊自動焊接方法焊接產(chǎn)品的焊縫拉伸斷裂荷重均大于20 kN，滿足實際使用要求，且焊接效率有了較大提高。直徑10 mm 鋼筋焊縫拉伸斷裂荷重約為30 kN，電阻壓焊產(chǎn)品的焊點拉伸斷面面積約為直徑截面的65%～85%。理論計算的焊點拉伸斷裂荷重與實際測量值相符。因此所設(shè)計的焊機參數(shù)及焊接工裝結(jié)構(gòu)是合理可行的。

5 結(jié)束語

完成了鋼筋鋼帶專用焊接工裝及焊機電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及其自動焊生產(chǎn)線的成套設(shè)計，提高了鋼筋鋼帶的生產(chǎn)效率及焊接接頭質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。焊接工藝試驗結(jié)果表明，焊接產(chǎn)品相比手工電弧焊，其拉伸斷裂荷重有較大提升，滿足實際使用要求，該設(shè)計結(jié)構(gòu)和參數(shù)合理可行。該設(shè)計不僅解決了當(dāng)前焊接的實際問題，對特殊工件焊接接頭的工裝設(shè)計提供了參考和借鑒，同時對設(shè)計其他專用焊機有一定的參考價值。