厚捆带双工位自动点焊机在多卷打捆机上的应用

张少壮，惠春明，郭延军，丁俊，葛俊礼，张志明，龙鹄

厚捆带双工位自动点焊机在多卷打捆机上的应用

张少壮1，惠春明2，郭延军1，丁俊3，葛俊礼4，张志明1，龙鹄1

(1．中国重型机械研究院股份公司燕大分公司河北秦皇岛066004; 2．唐山国丰钢铁有限公司河北唐山063300; 3．哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001; 4．河北港口集团港口机械有限公司河北秦皇岛066000)

本文针对热轧窄带钢多卷自动打捆机打捆速度高、时间短等要求，设计并开发出一种新型双工位自动点焊机，应用于热轧窄带钢多卷自动打捆机上，实现了厚捆带(3 mm×40 mm)双工位点焊快速焊接，应用效果表明:自动点焊焊接质量好，抗拉强度大;焊接速度快、时间短;满足热轧窄带钢多卷自动打捆机的生产使用要求，并对带钢基体无损伤，清洁环保无污染。双工位点焊机已成功应用于热轧窄带钢多卷自动打捆机。

窄带钢;打捆机;点焊机

0 前言

目前国内热轧窄带钢生产企业包装方式现状是采用人工打捆、手工焊接、喷涂钢号、天车吊运的传统落后的包装方式;捆扎不紧、不规整，运输过程中易出现松卷、散卷，严重影响包装质量，不利于日益激烈的市场竞争和企业的长远发展［1］。开发自动打捆设备［2］，将自动焊接装置应用在热轧窄带钢钢卷的包装上［3，4］，不仅可以提高捆扎质量，而且可减轻工人劳动强度。选择合适的焊接方式，使之与自动打捆机相匹配，适应高温、震动环境，实现快速焊接提高捆扎质量，成为研究的关键［5－7］。

对各种焊接方法进行分析，选择合理的焊接方式，进行实验研究，设计了双工位自动点焊机，应用在热轧窄带钢多卷自动打捆机上取得了良好的效果。

1 需解决的主要问题

为某轧钢厂设计制造的自动打捆机的捆扎方式是;用材质为Q235或Q215，规格为(2.5～3)mm×40 mm的二级品钢卷剪切裁条，对三卷温度约为650℃的钢卷沿轴向打捆，打捆过程为:将捆带沿钢卷轴向自动穿带、拉紧、切断、折弯、焊接，如图1所示。

图1 自动打捆机Fig.1Automatic bander

这种规格的捆带比标准捆带(0.9×32 mm)厚，打捆强度高、成本低，但是，由于捆带厚，必须采用焊接方法，替代传统的卡扣方式。焊接作为打捆过程的关键环节，其焊接速度、焊接质量直接影响到自动打捆机的捆扎节奏和捆扎质量。结合打捆工艺的特殊要求，选择合适的焊接方法，应用在打捆机上需解决以下主要问题:

(1)焊接前折弯时，两个带头相搭接对齐，才能焊接，此时的焊缝位置是不固定的，若采用传统二氧化碳保护焊的方式，必须准确寻找焊缝。由于咨询了国内的焊接研究所、机器人自动化公司、松下焊接技术公司等焊接技术研究单位，在这种条件下都无法解决自动找焊缝的难题。因此，需要自行设计全自动焊接装置，可控制焊枪实现三维运动、自动找到焊缝，打火焊接;但经调试运行发现寻找焊缝时间长、焊接速度慢。

(2)根据实际需求，打捆机的捆扎节奏必须大幅度缩短。焊接方面的改进是实现这个目标的最有效的方法。

(3)现场工作环境温度约650℃对焊接装置的耐高温性提出更高要求。

(4)自动打捆机留给焊接装置的空间非常有限，同时还需确保对钢卷无任何伤害。

2 自动点焊实验研究

为了有效解决上述问题，首先对各种焊接方法进行了对比研究，认为电阻焊(点焊)具有适应高温、震动环境，焊接速度快的特点，并且对焊接位置的准确度要求不太严格，可以尝试将传统的电阻焊改造后用于打捆机上。另外由于高温条件对常规焊接设备会有很大影响。因此必须设计一套装置与焊接设备共同使用，既能阻止高温的炙烤，又能发挥快速、稳定的焊接功能。为此，本文设计的试验装置如图2所示，进行点焊实验研究。

图2 自动点焊试验装置Fig.2Automatic spot-welding testing device

影响点焊工艺性能的因素有焊接电流，加载压力和通电时间［8］。通过调整工艺参数进行试验，选择合适的焊接电流、加载压力、和通电时间进行点焊，可以达到焊接时间短、焊接质量好的焊接效果。

为了验证焊接质量，对点焊试件进行了拉伸实验，分析点焊焊接质量是否能满足打捆需求。

实验采用12根长约100 mm，厚度约为2.5 mm、3 mm的钢带在搭接压紧后进行两点点焊(得到点焊试样如图3所示)，并对点焊试样进行拉伸实验(拉伸实验装置如图4)。拉伸实验结果表明，焊核的抗拉力在28.9 kN和38.4 kN之间，完全能满足捆扎强度要求。

3 双工位自动点焊机设计

图3 点焊试件Fig.3Spot-welding specimen

图4 拉伸点焊试件Fig.4Spot-welding specimen for tensile testing

在实验基础上，为满足热轧窄带钢多卷自动打捆机在完成穿带、紧带、压带等动作后对焊接的需求，在充分考虑主体设备所留存的有限空间，焊接所需完成的动作和所需时间后设计了双工位自动点焊机［9，10］。

3.1 自动点焊机设计

由于工艺要求的特殊性双工位自动点焊机要满足以下几个要求:

(1)焊机设计必须符合传统电阻焊设计原理。综合工作环境情况，选用单相工频交流焊机变压器。因为要尽量后置以便避免钢卷的高温辐射，还要考虑电极臂长度对功率的影响，所以变压器的功率适当加大，焊接回路的铜排需适当加大截面尺寸。

(2)为保证焊接强度，要在(2.5～3)mm× 40 mm捆带上焊接两点。

(3)因空间有限，结构设计要紧凑。在结构设计时必须考虑上下电极与设备间的绝缘问题，并为捆带的正常叠压留出空间，同时要能完成上电极的两次压紧、退出，上电极上下的换位、下电极在捆带与钢卷之间的旋进旋出。

双工位自动点焊机由变压器、机械框架、电极压力加载机构、旋转进给机构、液压系统、水冷系统和焊接控制器、上电极、下电极等组成，其三维结构示意图如图5所示，旋转进给机构如图6所示。电极力加载采用液压执行机构。捆带后方电极为下电极，捆带前方为上电极。当捆带完成穿带、紧带和压带后，初始位置处于竖直位置的下电极被压在捆带后方。水平液压缸带动上电极前进，在上、下电极之间，施加压力，使其接触良好，电极通电使两工件接触表面受热，局部熔化，形成熔核，断电后保持压力，使熔核在压力下冷却凝固形成焊点，完成第一点点焊。水平液压缸后退，同时竖直液压缸向上运动20 mm，此时凸轮槽为竖直段，下电极不发生旋转，竖直液压缸向上运动时带动上电极运动，实现变换工位功能。位置确定后水平液压缸带动上电极前进完成第二点点焊。

图5 双工位自动点焊机Fig.5Double-position auto spot welder

图6 点焊机旋转进给机构Fig.6Rotating feed mechanism of spot-welder

然后横向缸恢复至原位，竖直缸带动上滑块上行，此时曲柄运行至斜向导轨，曲柄带动下电极旋转90°，下电极旋转，离开捆带。此道焊接完成，当竖直缸压下后，下一道焊接就可以开始。

点焊机旋转进给机构主要由凸轮和曲柄构成。液压缸控制带有凸轮槽的滑块上下运动。凸轮槽主要由两部分构成，一是竖直段，用以工位更换;二是斜线段，用以通过曲柄带动下电极旋转。整个过程由PLC控制。

3.2 自动点焊机电控系统

热轧窄带钢多卷自动打捆机的点焊机上下电极与两个液压缸连接，并通过西门子PLC S7－300全程控制液压缸与焊机控制器，实现对焊接工艺控制，焊接工艺流程如图7所示。

图7 点焊机自动控制工艺流程图Fig.7Automatic control process flow of spot welder

4 双工位自动点焊机在轧钢厂打捆机上的应用

将设计研制的双工位自动点焊机应用在某轧钢厂自动打捆机上(见图8)，通过焊机控制器控制焊接时间、焊接电流、焊接加压时间，液压系统控制焊接压力，最终完美实现了热轧窄带钢多卷自动打捆的焊接工艺。

双工位自动点焊机应用在自动打捆机上进行打捆，大大缩短了打捆时间，焊接牢固，捆扎规整，并且对带钢基体无损伤;除此以外，点焊机结构紧凑、不需要焊条、焊丝等焊接材料，焊接成本低，易于操作和维护。从其应用效果来看，完全满足了焊接质量及打捆速度要求。

图8 打捆效果对比Fig.8Banding results comparison

5 结束语

将设计研制的双工位自动点焊机应用在热轧窄带钢多卷自动打捆机上，取得了良好的效果:

(1)自动点焊机实现了厚捆带的快速、稳定焊接，比标准捆带强度高、成本低，满足了厚捆带打捆的要求。

(2)自动点焊机焊接速度快，有效缩短打捆时间，与自动打捆机捆扎节奏相匹配，并且对带钢基体无损伤，清洁环保无污染。

(3)自动点焊机在打捆机上的应用，解决了自动打捆焊接难题，替代了手工焊接，对降低工人劳动强度、改善劳动环境起到积极作用，带来良好社会效益。

［1］李强．论热轧窄带钢的生存与发展［J］．科技创新导报2011(11)．

［2］白明华，苏毅，张少壮，等．热轧窄带钢多卷自动打捆机［P］．CN201210052200.2．

［3］白明华，郭延军，赵永和，等．三维全自动焊接机［P］．CN201210052199.3．

［4］白明华，张少壮，郭延军，等．带钢打捆机用自动多工位点焊机［P］．CN201410354848.4．

［5］中国机械工程协会焊接学会．电阻焊理论与实践［M］．北京:机械工业出版社，1994．

［6］唐新新，单平，罗震，等．点焊熔核尺寸及焊接电流逆过程设计［J］．焊接学报，2007(11)．

［7］张连新，吉方，蓝河，等．电阻点焊机工艺参数标定技术研究［J］．焊接技术，2013(6)．

［8］王东，冯晓云．中频逆变直流电阻焊优势探讨［J］．电焊机，2006(01)．

［9］傅延安，张国祥，缪颢．座式点焊机机械特性对高强钢点焊工艺的影响［J］．宝钢技术，2013(2)．

［10］成大先．机械设计手册［M］．北京:化学工业出版社，2010．

Application of automatic double-position spot welder with thick belt in multi-coil bander

ZHANG Shao-zhuang1，HUI Chun-ming2，GUO Yan-jun1，DING Jun3，GE Jun-li4，ZHANG Zhi-ming1，LONG Hu1
(1．Yanshan University Branch，China National Heavy Machinery Research Institude Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066004，China;2．Tangshan Guofeng Iron and Steel Co.，Ltd.，Tangshan 063300，China; 3．Harbin Institute of Technology，Haerbin 150001，China;4．Hebei Port Group Port Machinery，Co.，Ltd.，Qinhuangdao 066000，China)

In view of high speed banding，a new type of automatic double-position spot welder is designed for multi coil automatic bander in hot narrow strip rolling line，and realize fast double-position spot-welding the thick belt(3mm×40mm)．Results show that the welding is high quality，large tensile strength，fast speed，short time，and meet the production requirements with no damage to strip steel substrate and no pollution to the environment．The welder already applied in the multi coil automatic bander for hot narrow strip rolling．

narrow strip;bander;spot welder

TH122

A

1001－196X(2017)01－0012－04

2015－11－29;

2016－02－21

张少壮(1968－)，男，中国重型机械研究院股份公司燕大分公司工程师，主要从事冶金机械设计工作。