CN111922482A - 一种半球壳焊接工艺及焊接*** - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种半球壳焊接工艺方法及焊接***。针对传统半球壳焊接工艺复杂、焊缝不美观以及焊接强度较差的缺陷，本发明提供了一种半球壳焊接工艺，通过旋弧加热两个半球壳的接壤面，再通过顶锻的方式将其焊接成为空心球体。经本发明验证，该方法制备的空心球体，焊缝美观、无损且合格率高，焊接速度快，该方法极大的提高了空心球体的焊接质量及焊接效率。另外，本发明还提供了一种半球壳焊接***，所述焊接***包括焊接主机、液压***及电磁控制***。通过对夹具和顶正装置的改善，能够显著提高装置顶正效率，降低工艺难度，应用于工业空心球结构焊接具有重要的推广意义。

Description

一种半球壳焊接工艺及焊接***

技术领域

本发明属于半球壳体焊接技术领域，具体涉及一种基于旋弧加热的半球壳 体焊接工艺及半球壳专用焊接***。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而 不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员 所公知的现有技术。

现在市场上常见的半球形壳体大部分采用埋弧焊或者氩弧焊，将壳体的上下 两瓣固定在可以旋转的特制夹具上，固定好之后将壳体对中，再将埋弧焊机或者 亚氩弧焊机固定好位置，通过转动壳体进行焊接。采用上述焊接方法，焊缝不均 匀、焊缝容易出现裂纹等缺陷、每焊一个都需要再次调节壳体的位置和对中，焊 接完毕之后还需要对焊缝进行修整打磨，焊接效率低并且焊接件强度不足，容易 在使用过程中出现开裂的情况。

旋弧焊(roating arc welding)，是指在两个接头端面之间形成电弧，该电弧 在磁场的作用下高速旋转，使接头端面被加热使临近区域达到足够的塑性状态, 再通过顶锻实现连接的一种高效率焊接方法。旋弧焊具有加热均匀，无转动运动 部件，焊接质量高，精度高和节能等优点，电源功率仅为其他压焊方式的5-10％， 焊接过程中没有大量火花喷溅，使劳动条件能够得到良好的改善，具有良好的经 济意义。目前，旋弧焊主要应用于管件的焊接，在其他构件的焊接方面应用较少。

发明内容

针对背景技术中记载的内容，本发明的目的在于一种焊接效率更高、焊接 件强度更好的半球壳焊接方法。本发明针对传统的旋弧焊接方式进行了改进，同 时改进了现有的半球壳对中夹持方法，无需重复对中，提高焊接效率。

基于上述技术目的，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种半球壳焊接工艺，所述焊接工艺包括以下步骤： 将两个被焊半球壳体对接固定并保持同轴，通过旋弧加热的方式对两半球壳的接 壤端面进行加热，再通过顶锻将两个半球壳体焊接成为空心球。

本发明提供旋弧加热方式对焊接面进行加热，凡是导电材质的半球壳体可以 在电流和磁场的作用下自行进行圆周运动，无需在焊接过程中不断调整焊接角度 和位置，简化了焊接工艺。并且经验证，该方案制备的空心球不仅焊接强度良好， 焊接效果美观，减少了后期打磨的工作，可以有效的提高焊接效率。

本发明第二方面，提供一种半球壳焊接***，所述半球壳焊接***包括焊接 主机、液压***及电磁控制***；

所述焊接主机包括焊接电源、床身、夹具、顶锻机构、电磁组件、导向机构 及落料装置，用于固定及焊接所述半球壳；所述液压***用于为焊接主机提供所 需动力；所述电磁控制***用于控制所述半球壳焊接所需旋弧的磁场。

为了满足旋弧焊接的工艺特点，本发明还针对焊接***进行了改良，主要改 进方面包括改善夹具及对正***，使得半球壳焊接的对正方式简化，焊接后两半 球壳体同轴度良好。

以上一个或多个技术方案的有益效果是：

通过本发明使得球形壳体的焊接质量良好，焊后两半球壳的同轴度

焊缝均匀。焊后壳体满足6米跌落试验、打密封试验、夹卡试验要求。 6米跌落试验后的壳体进行气密性检测试验，在0.015MPa的大气压下保持30s， 密封不漏气。夹卡试验要求为壳体在0.5～0.6MPa的夹持力下无崩裂声与裂纹出 现。本发明提供的焊接方法焊缝无损、合格率高、焊接速度快、自动化程度高， 极大的提高了壳体的焊接质量、焊接效率和自动化水平。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明 的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1中所述半球壳焊接的尺寸图。

图2为实施例1所述半球壳焊接工作的原理图；

其中，1为磁场强度B，2为励磁线圈，301为半球壳工件1，302为半球壳 工件2，4为直流焊接电源。

图3为实施例2中所述焊接***结构示意图。

图4为实施例2中所述焊接***的3D结构示意图；

其中，5为除烟除尘***，6为焊接主机、7为液压***、8为电磁控制系 统。

图5为实施例2中所述焊接主机结构示意图；

其中，701为床身，701为第一支座，704为第一夹紧油缸，704为过度法 兰，705为绝缘套，706为锥套，707为第一弹性夹头，708为励磁组件，709为 导轨，710为导向套，711为动台，712为第二弹性夹头，713为第二锥套，714 为第二夹紧油缸，715为顶锻油缸，716为第二支座；701至708局部放大如图7 所示。

图6为实施例2中所述焊接***进行焊接的工艺流程图。

图7为实施例2中所述夹具结构示意图；

其中，701为第一支座，704为夹紧油缸，705为绝缘套，707为第一弹性 夹头，301为半球壳工件，717为连接拉杆，718为调节螺母，719为固定螺栓。

图8为实施例2中所述定位基准面结构示意图；

其中，810为定位基准面，811为中心孔，812为导轨安装孔，813为加厚支 座，814为顶紧螺栓。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普 通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限 制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出， 否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使 用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或 它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对现有技术中半球壳焊接技术存在的缺陷，为了 解决如上的技术问题，本发明提出了一种半球壳焊接工艺及***。

本发明第一方面，提供一种半球壳焊接工艺，所述焊接工艺包括以下步骤： 将两个被焊半球壳体对接固定并保持同轴，通过旋弧加热的方式对两半球壳的接 壤端面进行加热，再通过顶锻将两个半球壳体焊接成为空心球。

优选的，所述旋弧焊接过程中采用保护气。

进一步优选的，所述保护气为单元气体，或二元、三元混合气，所述单元气 体包括但不限于氩气、二氧化碳，所述二元混合气包括但不限于氩和氧、氩和二 氧化碳、氩和氦、氩和氢混合气；所述三元混合气为氦、氩、二氧化碳混合气。

在上述优选技术方案的一些实施方式中，所述保护气为二氧化碳。

优选的，所述被焊半球壳对接固定通过夹具在液压驱动下进行固定。

优选的，所述顶锻通过液压驱动实现；进一步优选的，所述顶锻力不小于 4000KG。

优选的，所述半球壳焊接工艺，还包括退火处理的步骤以消除焊接内应力。

优选的，所述旋弧加热的方式具体如下：向两被焊半球壳体通直流焊接电流， 接触引弧后，在两半球壳端面形成电弧；所述被焊接端面周围具有径向磁场，通 过磁场与电弧的共同作用产生洛伦兹力使电弧绕半球壳体端面圆周旋转。

进一步优选的，所述焊接电流调节范围为0-450A，额定负载持续率大于60％。

本发明第二方面，提供一种半球壳焊接***，所述半球壳焊接***包括焊接 主机、液压***及电磁控制***；

所述焊接主机包括焊接电源、床身、夹具、顶锻机构、电磁组件、导向机构 及落料装置，用于固定及焊接所述半球壳；所述液压***用于为焊接主机提供所 需动力；所述电磁控制***用于控制所述半球壳焊接所需磁场。

优选的，所述焊接电源为数字式逆变焊接电源。

优选的，所述床身为箱体结构，其上表面放置电磁组件、夹具、顶锻机构及 导向机构，床身上表面向内部延伸形成落料装置。

优选的，所述夹具包括第一支座、第二支座、夹具本体、绝缘套、弹性夹头、 夹紧油缸、过度法兰、紧固螺栓；

所述夹具本体穿过并垂直于第一支座，所述夹具本体与第一支座之间设置绝 缘套，所述紧固螺母穿过绝缘套将夹具本体固定于第一支座；第一支座的另一侧 通过过度法兰连接夹紧油缸；

所述夹具本体内部具有连接拉杆及弹性夹头，所述弹性夹头从夹具本体内部 向对面弹性夹头延伸，所述弹性夹头为四爪结构，并且弹性夹头的四爪内部构成 圆弧状，用于盛装半球壳。

优选的，所述导向机构包括导轨、导向套及动台；所述第一支座、第二支座 固定于床身上；所述导轨为柱状，一端固定于第一支座上，另一端套于导向套内 部，导向套的另一端固定于动台，所述动台通过导轨与导向套的相对移动在第一 支座与第二支座之间移动。

进一步优选的，所述第一支座与第二支座的中心部分具有中心孔，所述导轨 具有安装孔，所述中心孔与导轨安装孔通过镗床一起镗孔，保证中心高度一致， 从而实现良好的对正效果；更进一步的，所述夹具一侧具有定位基准面。

更进一步的，所述定位基准面通过加厚支座进行支撑，所述加厚支座通过顶 紧螺栓固定；所述定位基准面上具有中心孔及导轨安装孔，所述导轨安装孔对正 导轨，所述中心孔对正夹具本体。

优选的，所述顶锻机构包括顶锻油缸，所述顶锻油缸通过液压驱动。

优选的，所述电磁组件包括励磁线圈、铁心及支撑件。

优选的，所述落料装置设置于弹性夹头下方，具有一体成型的漏斗结构和导 轨，焊接完成后的空心球体在重力作用下下料至漏斗结构部分，经导轨运出床身。

优选的，所述液压***包括叠加阀组、油箱、油缸、油泵电机组和油液冷却 控温装置。

优选的，所述半球壳焊接***还包括除尘除烟***；所述除尘除烟***包括 烟囱及风机，所述烟囱设置于励磁组件上方，通过风机将焊接过程中产生的烟雾 抽出。

优选的，所述电磁控制***通过PLC可编程控制器实现对焊接主机的启停、 拉间隙、激磁、起弧、旋弧加热、消磁的控制及油缸的控制。

进一步优选的，所述电磁控制***还具有故障报警元件。

上述优选技术方案的一种实施方式中，所述半球壳焊接***焊接空心球的方 式如下：

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结 合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例中，提供一种半球壳体焊接工艺，两半球壳尺寸如图1所示，所述 图1中左图为上壳，直径为48mm,厚度为2.5mm,材料为Q235-A普通碳素钢；与之 相适应的下壳，直径为48mm厚度为2.5mm，材料为Q235-A普通碳素钢。

所述焊接工艺包括以下步骤：将两个被焊半球壳体对接通过液压驱动固定并 保持同轴，通过旋弧加热的方式对两半球壳的接壤端面进行一定时间的加热，焊 接原理如附图2所示，向两被焊半球壳体通直流焊接电流，接触引弧后，在两半 球壳端面形成电弧；所述被焊接端面周围具有径向磁场，通过磁场与电弧的共同 作用产生洛伦兹力使电弧绕半球壳体端面圆周旋转。

加热完成后，通过液压装置施加顶锻力使两半球紧密连接成为一个空心球 体，所述顶锻力为4000KG。焊接完成后，通过退火处理的步骤以消除焊接内应 力。

实施例2

本实施例中，提供一种半球壳体焊接工艺焊接***，所述焊接***结构如附 图3所示，所述半球壳焊接***包括焊接主机6、液压***7、除烟除尘***5及电 磁控制***8；所述电磁控制***8通过控制台的人机操作界面进行焊接有关参数 设置。

所述焊接主机6包括焊接电源、床身、夹具、顶锻机构、电磁组件、导向机 构及落料装置，用于固定及焊接所述半球壳；所述液压***用于为焊接主机提供 所需动力；所述电磁控制***用于控制所述半球壳焊接所需磁场。

所述焊接电源为数字式逆变焊接电源。

所述床身为箱体结构，其上表面放置电磁组件、夹具、顶锻机构及导向机构， 床身上表面向内部延伸形成落料装置，所述落料装置具有锥形的斗部及轨道，所 述导轨部分伸出床身，焊接完成后的空心球在重力作用下落在斗部经轨道运出床 身。

所述夹具包括第一支座701、第二支座716、夹具本体、绝缘套705、第一弹 性夹头707及第二弹性夹头712、第一夹紧油缸704和第二夹紧油缸714、过度法兰 704、紧固螺栓719，如图7所示。所述夹具本体穿过并垂直于第一支座701，所述 夹具本体与第一支座701之间设置绝缘套705，所述紧固螺母719穿过绝缘套705 将夹具本体固定于第一支座701；第一支座701的另一侧通过过度法兰704连接第 一夹紧油缸704；

所述夹具本体内部具有连接拉杆及第一弹性夹头707，所述第一弹性夹头707 从夹具本体内部向对面第二弹性712夹头延伸，所述第一及第二弹性夹头为四爪 结构，其中弹性夹头前端为4爪结构，内部为圆弧面，外部为锥面，当夹紧油缸 活塞向右运动时，通过连接拉杆拉动弹性夹头，相对夹具本体向右运动，在锥面 的作用下，弹性夹头自动将半球壳工件对中夹紧。克服了之前靠人工测量、调 整的对中方式费时、精度不高的不足。所述导向机构包括导轨、导向套及动台。

所述第一支座701、第二支座716固定于床身701上；所述导轨709为柱状，一 端固定于第一支座701上，另一端套于导向套710内部，导向套710的另一端固定 于动台711，所述动台711通过导轨709与导向套710的相对移动在第一支座701与 第二支座716之间移动。

所述第二支座716上述设置第二夹紧油缸714。

所述动台711上设置第二弹性夹头712。依据被焊接件的尺寸，通过调节动台 与第一支座之间的距离以实现焊接件的夹持。为了进一步提高固定的精度，本实 施例所述焊接***还提供了相应的对正装置。所述第一支座701与第二支座716 的中心部分具有中心孔，所述导轨709具有安装孔，所述中心孔811与导轨安装孔 912通过镗床一起镗孔，保证中心高度一致，从而实现良好的对正效果；更进一 步的，所述夹具左侧具有定位基准面810，如图8所示。通过在加厚支座813左侧 加一个定位基准面810，右侧用顶紧螺栓814顶紧，从而达到对正的目的；顶紧螺 栓814支撑与加厚支座813一体，用粗的顶紧螺栓814固定，采用加厚支撑座钢板， 提高其强度，加厚底板厚度，提高其强度，长期在顶锻力作用下，不发生移位， 变形，保证良好对正；对正之后，通过同轴度检测机构，再进行微调，保证壳型 工件之间良好的同轴度与对中性。

所述同轴度检测机构检测方法包括步骤：

同轴度的检测采用同轴度检测样件与检测装置配合检测的方式：用车床精车 2个外形与标准工件一致的工件作为检验用模拟工件，分别称为检验模拟工件1， 检验模拟工件2；将检验模拟工件1放到左侧弹性夹头，检验模拟工件2放到右弹 性夹头，让焊机在手动模式下，执行顶正、夹紧、顶锻油缸复位动作。将带V型 磁座的移动滑台固定在焊机导向圆柱上，调节千分表支杆，使千分表触头接触检 验模拟工件2顶母线，千分表调零。然后手动推动移动滑台，使千分表到达检验 模拟工件1，记下千分表读数；同样方法，测量检验模拟工件1、2水平母线两端 的读数；根据读数就得到左端弹性夹头相对右端弹性夹头的对中情况，即主机同 轴度误差情况。

所述顶锻机构包括顶端油缸715，所述顶锻油缸通过液压驱动。所述液压系 统包括叠加阀组、油箱、油缸、油泵电机组和油液冷却控温装置。

所述励磁组件708包括励磁线圈、铁心及支撑件。

所述除尘除烟***8包括烟囱及风机，所述烟囱设置于励磁组件708上方，通 过风机将焊接过程中产生的烟雾抽出。

所述电磁控制***8通过PLC可编程控制器实现对焊接主机的启停、拉间隙、 激磁、起弧、旋弧加热、消磁的控制及油缸的控制。还具有故障报警元件。

本实施例中所述焊接***的焊接工艺流程如附图6所示，动作过程为：人工 上料(2个半球形壳体工件)→送料顶正→2个半球形壳体工件分别夹紧→开焊机 →拉间隙→激磁→起弧→电弧旋转加热→停焊机→顶锻压紧→消磁→左侧夹头 松开→顶锻油缸复位→右侧夹头松开、顶料、落料→拉间隙油缸复位→转下一工 作循环。

其中，控制***8实现对焊接过程参数的设定，焊接电流、顶锻力、顶锻时 间、激磁电流、拉弧间隙、燃弧时间等焊接过程参数可以实时显示、存储。该系 统具有故障报警功能，当***出现功能性错误时，***停止工作，在控制面板上 会提示故障位置，便于维修处理。

所述焊接参数设定触摸屏界面包括：

主界面:一个简化的旋弧焊主机图形；焊机工作状态指示(如:顶正、拉弧、 旋弧、顶锻)；夹具状态指示(夹紧、松开)；拉弧间隙显示；工作统计数据显示(加工 件数、加工总数、加工时间、清零)；当有故障时在主界面上弹出故障报警信息。 手动、自动切换按钮；自动模式下的启动、停止按钮；参数设置界面：焊接电流； 旋弧励磁电流、电压；拉弧间隙设置与拉弧油缸调节量；燃弧加热时间；PLC输 入输出点功能配置；手动调试界面：对运动部件的手动操作(用于调试和维修)。 有：左、右夹具夹紧、松开；顶正；拉弧；顶锻；顶锻油缸复位；焊接电流接通、 断开；励磁线圈通电、断电；故障诊断界面：各输入点状态显示。故障即时报警 界面：在运行过程中的故障弹出报警界面，提示故障部位、原因，指导检修。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半球壳焊接工艺，其特征在于，所述焊接工艺包括以下步骤：将两个被焊半球壳体对接固定并保持同轴，通过旋弧加热的方式对两半球壳的接壤端面进行加热，再通过顶锻将两个半球壳体焊接成为空心球。

2.如权利要求1所述半球壳焊接工艺，其特征在于，所述旋弧焊接过程中采用保护气；

优选的，所述保护气为单元气体，或二元、三元混合气，所述单元气体包括但不限于氩气、二氧化碳，所述二元混合气包括但不限于氩和氧、氩和二氧化碳、氩和氦、氩和氢混合气；所述三元混合气为氦、氩、二氧化碳混合气；

进一步优选的，所述保护气为二氧化碳。

3.如权利要求1所述半球壳焊接工艺，其特征在于，所述被焊半球壳对接固定通过夹具在液压驱动下进行固定；

或所述顶锻通过液压驱动实现；优选的，所述顶锻力不小于4000KG；

或所述半球壳焊接工艺，还包括退火处理的步骤以消除焊接内应力。

4.如权利要求1所述半球壳焊接工艺，其特征在于，所述旋弧加热的方式具体如下：向两被焊半球壳体通直流焊接电流，接触引弧后，在两半球壳端面形成电弧；所述被焊接端面周围具有径向磁场，通过磁场与电弧的共同作用产生洛伦兹力使电弧绕半球壳体端面圆周旋转；

优选的，所述焊接电流调节范围为0-450A，额定负载持续率大于60％。

5.一种半球壳焊接***，其特征在于，所述半球壳焊接***包括焊接主机、液压***及电磁控制***；

所述焊接主机包括焊接电源、床身、夹具、顶锻机构、电磁组件、导向机构及落料装置，用于固定及焊接所述半球壳；所述液压***用于为焊接主机提供所需压力；所述电磁控制***用于控制所述半球壳焊接所需电流及磁场。

6.如权利要求1所述半球壳焊接***，其特征在于，所述焊接电源为数字式逆变焊接电源；

或所述床身为箱体结构，其上表面放置电磁组件、夹具、顶锻机构及导向机构，床身上表面向内部延伸形成落料装置；

优选的，所述夹具包括第一支座、第二支座、夹具本体、绝缘套、弹性夹头、油缸、油缸盖、过度法兰、紧固螺栓；

所述夹具本体穿过并垂直于第一支座，所述夹具本体与第一支座之间设置绝缘套，所述紧固螺母穿过绝缘套将夹具本体固定于第一支座；第一支座的另一侧通过过度法兰连接夹紧油缸；

所述夹具本体内部具有连接拉杆及弹性夹头，所述弹性夹头从夹具本体内部向对面弹性夹头延伸，所述弹性夹头为四爪结构，并且弹性夹头的四爪内部构成圆弧状，用于盛装半球壳。

7.如权利要求1所述半球壳焊接***，其特征在于，所述导向机构包括导轨、导向套及动台；所述第一支座、第二支座固定于床身上；所述导轨为柱状，一端固定于第一支座上，另一端套于导向套内部，导向套的另一端固定于动台，所述动台通过导轨与导向套的相对移动在第一支座与第二支座之间移动；

优选的，所述第一支座与第二支座的中心部分具有中心孔，所述导轨具有安装孔，所述中心孔与导轨安装孔通过镗床一起镗孔，保证中心高度一致，从而实现良好的对正效果；更进一步的，所述夹具左侧具有定位基准面；

所述定位基准面通过加厚支座进行支撑，所述加厚支座通过顶紧螺栓固定；所述定位基准面上具有中心孔及导轨安装孔，所述导轨安装孔对正导轨，所述中心孔对正夹具本体。

8.如权利要求1所述半球壳焊接***，其特征在于，所述顶锻机构包括顶端油缸，所述顶锻油缸通过液压驱动；

或所述电磁组件包括励磁线圈、铁心及支撑件；

或所述落料装置设置于磁头下方，具有一体成型的漏斗结构和导轨，焊接完成后的空心球体在重力作用下下料至漏斗结构部分，经导轨运出床身。

9.如权利要求1所述半球壳焊接***，其特征在于，所述液压***包括叠加阀组、油箱、油缸、油泵电机组和油液冷却控温装置；

或所述半球壳焊接***还包括除尘除烟***；所述除尘除烟***包括烟囱及风机，所述烟囱设置于励磁组件上方，通过风机将焊接过程中产生的烟雾抽出。

10.如权利要求1所述半球壳焊接***，其特征在于，所述电磁控制***通过PLC可编程控制器实现对焊接主机的启停、拉间隙、激磁、起弧、旋弧加热、消磁的控制及油缸的控制；

优选的，所述电磁控制***还具有故障报警元件。

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