杠杆式钢桶焊缝滚压机的研制

文/单东升

摘要：针对钢桶包装行业的钢桶桶身电阻焊搭接焊缝的缺陷，即焊缝处厚度超差、表面不平、应力不均等问题，采用杠杆原理，设计一种稳定双滚轮的传动方式，可对钢桶桶身焊缝进行滚压。滚压后的焊缝厚度不超差、表面平整、残余应力得到消除。从而提高了钢桶焊缝强度，保障了钢桶后续工序的卷边质量。

关键词：钢桶 焊缝 滚压

包装钢桶广泛应用于石油、化工、食品等行业的产品包装和运输中，目前国内外的钢桶基本生产工艺大致相同，桶身部件都是采用电阻焊原理进行焊接，对焊缝的技术要求也比较严格，不仅要求焊缝具有一定的强度、气密性，而且要求焊缝平整光滑、厚度均匀不超差、后加工工艺性好。

在实际生产中，焊缝强度和气密性都比较容易保证，但是焊缝成形后，往往厚度超差、内部存在残余应力，从而影响后道桶身翻边及卷封工序的质量难以保证。如图1所示，为桶身采用电阻焊加工后的焊缝处截面示意图。图1中（A）为全自动缝焊机焊接的焊缝，搭边较窄，厚度超差不大，（B）为半自动缝焊机焊接的焊缝，搭边较宽，厚度超差较大。

目前国内钢桶制造企业，对桶身焊缝机多数都已经进行了技术升级，搭边焊缝基本都能达到图1（A）的形状，只有少数企业还处于图1（B）的技术状态。我们本篇研究的基础，确定为能代表国内目前主流的全自动缝焊机的焊接技术，以图1（A）的焊缝为研究前提。

图1 桶身焊缝的截面示意图

如图1（A）所示的焊缝截面状况，对钢桶加工工艺及质量造成问题的主要有两种情况：
1、焊缝处残余应力可致后道桶身翻边工序质量问题，主要是焊缝翻边处裂纹，易产生焊缝翻边处渗漏。如图2所示，为焊缝翻边处破裂的实物图。翻边破裂后，致使卷边处破裂并产生卷边渗漏，如图3所示。

图2 焊缝翻边处破裂实物图

图3 桶身翻边裂纹造成卷边处渗漏

2、焊缝处厚度超差可致后道桶身与桶底、桶顶进行卷边装配时，焊缝处局部材料过剩，易产生卷边渗漏。正常的卷边如图4所示为卷边截面实物图。从图中可以看出，卷边内应严密无缝隙，才能实现严格的密封性。但在实际生产中，桶身焊缝处往往比桶身其它部位厚度大，如图1（A）所示。例如桶身厚度为1mm的钢桶，经过全自动缝焊机进行焊接后，焊接处的厚度一般都在1.5mm左右。实践证明，焊缝处厚度超过1.2mm时，焊缝处卷边形成的三角区渗漏率可达到50%以上。

图4 钢桶卷边截面实物图

所以，我们需要对焊缝进行滚压加工，其目的是：（1）将焊接残余应力进行消除，保证翻边不破裂；（2）将焊缝处碾薄，使厚度不超出单层钢板厚度的20%。

1 传统焊缝滚压机的工作原理
近十几年来，国内出现了两种不同的钢桶焊缝滚压机，这两种滚压机代表着国内钢桶焊缝滚压机的发展过程。

1.1 单辊轨道式滚压机

第一种是单辊轨道式滚压机。如图5所示为这种早期焊缝滚压机实物图。工作时，先将桶身套到轨道上，使焊缝向上置于轨道的上部外径直线上，然后操作滚轮和轨道的上部沿轨道做直线运动，并给焊缝上施加一定的加力。焊缝在滚轮和轨道之间受到碾压力，从而使焊缝被碾薄，并消除焊缝残余压力。

图5 单辊轨道式滚压机

该焊缝滚压机加工质量能达到钢桶生产的技术要求，但生产效率低（每只桶需要1分钟），基本属于手工操作、工人劳动强度大，不适用于大批量生产。

1.2 悬臂单辊式自动滚压机

第二种是悬臂单辊式自动滚压机。如图6所示为这种滚压机的实物图。

图6 悬臂单辊式自动滚压机

该焊缝滚压机与上一种滚压机原理基本相同，但是实现了全自动化，大大提高了生产效率，可达到每分钟3只桶的速度。也有一种是将下轨道改为滚轮的，称为悬臂双辊式滚压机。

1.3 传统钢桶焊缝滚压机的缺点

以上两种滚压机，都是采用的悬臂结构原理，这种结构原理，最大的缺点是效率低，因为桶身在工作过程中，需要送进去和取出来，不能实现连续生产，所以非工作时间较长；另一个缺点是不易与钢桶生产线联线，实现全线自动化。因为生产线上的钢桶都是做的直线输送运动，在滚压机上要实现送出流水线，滚压完后再送入流水线，不能和流水线上的其他工序一样实现连续生产和直线运动，所以从工作方式和工作效率两方而，影响了生产线自动化的水平。
这种结构还有一个缺点，就是悬臂工作使设备受力极不均衡，工作时间长后，悬臂极易变形，影响设备加工精度和设备寿命。

2 杠杆式双辊焊缝滚压机的工作原理

2.1 工作原理

由于上述已有悬臂式焊缝滚动机的缺点，我们通过多次实践，设计了一种杠杆式焊缝滚压机。这种滚压机，采用杠杆的原理，将悬臂滚压机的结构进行了彻底的颠覆，改原来的桶身同一端进出，为一端进另一端出，实现自动化流水线生产，与钢桶生产线联线合拍，大大地提高了生产效率。

如图7为杠杆式双辊焊缝滚压机的原理图。

图7 杠杆式双辊焊缝滚压机原理图

2.2 工作过程

如图7所示，工作时，利用输送机构，桶身将从设备的A端送入，从B端送出。工作过程如下：

1、B端油缸下压，A端油缸上抬，B端杠杆施压点，以杠杆支承轴为中心，将上辊支承梁B端压下，此时上辊支承梁会以B端上、下压辊为支点中心，使A端杠杆施压点翘起。

2、A端杠杆施压点翘起后，A端杠杆施压点脱离上辊支承梁，桶身由输送机构送入上辊支承梁。桶身焊缝进入上下压辊之间实施碾压，并由上下压辊的滚动力驱动向B端移动。

3、当桶身向B端移动接近B端杠杆施压点时，B端油缸抬起，A端油缸下压，使桶身可以从上辊支承梁中送出。

4、当桶身A端送出通过B端杠杆施压点后，B端油缸再次下压，开始下一个工作循环。

2.3 滚压方式

如图7所示，滚压工作是由两组上、下压辊进行的。在设计中，为了结构简单，可以把下压辊设计成主动辊，上压辊设计成从动辊。也可以把上下辊都设计成主动辊。如图8所示，为两种不同的滚压方式示意图。两种滚压方式各有利弊。

图8 滚压方式示意图

1、采用如图8（A）的双主动方式时，下压辊的驱动及传动较易实现，但上压辊的驱动和传动系统都须安装在上辊支承梁上，动力电也须通过杠杆施压点进行传递，设计和制造都会比较麻烦。机器的复杂程度也增加了不少。但双主动滚压方式送力均匀，加工质量好。

2、采用如图8（B）的单主动方式时，下辊轮采用主动，上辊轮采用被动，这样上辊支承梁的设计是相当的简单，不仅省去了复杂的驱动和传动装置，而且也不须要引入动力电源，这使机器从设计到制造上简单了很多。但单主动滚动方式送力上下不均匀，加工质量也没有双主动的好。

我们研究的样机是采用双主动的滚动方式设计的。在实际中，可以根据使用者的不同要求，选择单主动或双主动设计，其两种不动的滚压方式的机器制造成本差别很大。

3 杠杆式焊缝滚压机的应用效果

3.1 滚压后焊缝表面的变化

滚压后，焊缝表面平整光滑，也没有了滚压前的边愣。用手模其表面，光滑没有割手飞剌。钢桶表面喷涂油漆并烘干后，外表已看不到焊缝的痕迹。肉眼在离钢桶1米远处，看不到焊缝所在位置。

3.2 滚压后焊缝厚度的变化

用1mm厚的钢板，采用全自动缝焊机进行搭边焊接，桶身缝焊后，再进行焊缝滚压，滚压后的焊缝处测量厚度为1.1～1.2mm，完全能够满足后道卷边加工的工艺要求。

3.3 滚压后焊缝残余内应力的变化

测量缝焊残余应力的方法有破坏性和无损测试两种方法，我们采用破坏性的测试方法——小孔法进行检测。

小孔法的原理是在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新调整；测得孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残余应力。

在桶身中部的焊缝中间点打孔进行测试，检测到滚压前，沿焊缝方向纵向应力为406MPa，垂直焊缝的横向应力为254MPa；焊缝滚压后，纵向应力为183MPa，横向应力为141MPa。从测试结果看，桶身焊缝在滚压前后的变化很明显，说明焊缝滚压对消除及改善内应力的效果是显著的。

4 结语

该机器的研制成功，其优势在生产实践中得到了证明。该滚压机操作简便，加工质量好，生产效率高，既节省了劳动力，又降低了劳动强度，符合环保理念。同时，取代了传统的手工打磨及悬臂式滚压机，有效解决了钢桶焊缝外观不平整、厚度超差、残余应力过大的问题，性能稳定，经技术检测后，焊缝内部组织及质量也有所改善。

该机器结构原理简单、设计新颖、生产效率可达到每分钟10只桶，比传统滚压机的生产速度提高了3～10倍，可以实现与钢桶生产线完美匹配，实现全自动化生产。

参考文献

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