一种大型支撑辊堆焊工作站及其操作方法与流程

本发明涉及大型支撑辊堆焊修复技术领域，尤其涉及一种大型支撑辊堆焊工作站及其操作方法。

背景技术：

随着现代化轧机向大型化、高速化、自动化方向发展，对支撑辊的要求也越来越高。在实际生产中支撑辊是各个生产线上的重要部件之一，每个大型轧钢厂每年都要消耗大量该类部件。为了降低生产成本，延长支撑辊的使用寿命，通常采用辊面堆焊的方式对支撑辊进行修复，使其可以重复利用。

就现有技术而言，大型支撑辊的堆焊修复工作难度较大，其主要难点在于支撑辊的在线加热问题，由于难以实现封闭式加热，暴露在空气中的加热方式使其很快散热，很难达到焊接温度，在标准温度以下的焊接使支撑辊表明应力变大，焊接过程中支撑辊容易出现裂痕，焊接成功率很低。

技术实现要素：

本发明提供了一种大型支撑辊堆焊工作站及其操作方法，具备可调节的支撑辊支撑及驱动系统，支撑辊在封闭罩体内加热及保温，多组焊接机构同时施焊并可自动回收焊剂，能够实现大型支撑辊的在线预热、焊接、保温和回火处理等连续工艺过程；操作方便、自动化程度高、温度控制精确，有利于提高支撑辊的堆焊质量，提高修复效率，填补了该项技术的空白。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种大型支撑辊堆焊工作站，包括辊支撑装置、辊驱动装置、在线加热系统、焊接系统和焊剂回收系统，支撑辊由辊支撑装置支撑定位，并可在辊驱动装置的驱动下转动；所述在线加热系统包括门式加热罩，门式加热罩覆盖在支撑辊外部形成封闭罩体，罩体内壁设有保温层和感应电加热装置，罩体内设热电偶，罩体顶部设焊枪入口；与焊枪入口对应位置的门式加热罩上部设焊接系统及红外扫描仪，其中焊接系统的焊枪可在垂直移动后伸入门式加热罩罩体内；门式加热罩底部设焊剂回收系统，焊剂回收系统包括振动筛、焊剂回收盒、焊剂自动回收机和焊剂储料罐，门式加热罩底部设可移动炉底挡板，可移动炉底挡板移动后使门式加热罩底部形成焊渣下落通道；振动筛置于焊渣下落通道的下方，振动筛筛网下方设焊剂回收盒，焊剂回收盒通过焊剂自动回收机连接焊剂储料罐。

所述辊支撑装置为防窜动滚轮架，采用液压或机械驱动。

所述辊驱动装置为主轴箱；主轴箱上设有伺服电机和大型回转轴承，大型回转轴承的内圈镶嵌大模数齿圈与伺服电机输出轴上的齿轮啮合传动，大型回转轴承的内圈通过可伸缩万向联轴器与重型四爪卡盘连接传动，重型四爪卡盘用于装卡支撑辊一侧辊颈。

所述主轴箱可垂直升降及沿支撑辊轴线方向移动；主轴箱外侧设有门形框架，主轴箱两侧设滑块与门形框架立柱上的导轨相配合，主轴箱顶部设丝母与门形框架横梁上的丝杠相配合，通过安装在门形框架顶部的升降电机驱动，主轴箱可实现垂直升降；主轴箱底部设走行机构，在走行电机的驱动下可沿支撑辊轴线方向移动；主轴箱底部设手动升降机，用于在主轴箱升起到位后锁紧固定。

所述门式加热罩由前部罩体、中部罩体、后部罩体、上挡板、下挡板和可移动炉底挡板共同组成封闭式结构，中部罩体两端分别与前部罩体及后部罩体可拆卸地连接组成主罩体；上挡板与下挡板沿水平中轴线剖分，组合后形成挡板；可移动炉底挡板为2块，沿罩体轴线对称设置，并可分别沿与罩体轴线垂直方向移动；门式加热罩的主罩体两侧分别安装数个滑轮，滑轮由减速电机驱动，并可带动门式加热罩主罩体沿与门式加热罩轴线平行设置的轨道滑动；下挡板与轨道固定在设备基座上，上挡板与下挡板可拆卸地连接。

所述中部罩体设有多种长度规格，分别用于不同规格支撑辊堆焊时配套使用。

所述门式加热罩内部分为多个加热区，每个加热区分别设置感应电加热装置；感应电加热装置由电阻带、铁棒及电源组成，每个加热区内的电阻带按照三相交流电的星形结构布线；铁棒穿过罩体保温层固定在罩体上，外部套装陶瓷外罩；电阻带与外部电源通过铁棒相连；每个加热区的感应电加热装置分别控制；每个加热区内分别设有热电偶，热电偶、红外扫描仪及感应电加热装置分别与加热控制系统连接，加热控制系统为单片机或PLC。

所述焊接系统包括数组可移动焊接机构，每组可移动焊接机构均由焊接小车、焊枪、焊枪移动装置、焊枪水冷装置、焊丝输送装置、焊剂输送装置组成，各组焊枪分别连接焊枪控制器。

一种大型支撑辊堆焊工作站的操作方法，包括如下步骤:

1)辊支撑装置设在门式加热罩轨道中间，靠近主轴箱一侧；将大型支撑辊吊装于辊支撑装置上，调整托辊高度和角度使支撑辊轴心水平；调整主轴箱位置，使其上的重型四爪卡盘与支撑辊同心，通过重型四爪卡盘固定连接支撑辊一端辊颈，主轴箱上的伺服电机可驱动支撑辊转动；

2)根据支撑辊的规格，选择门式加热罩中部罩体的长度，安装完主罩体后，启动主罩体两侧的减速电机，将主罩体移至支撑辊上方，并与上挡板、下挡板一起组成罩体；盖上焊枪入口和视窗口处的封盖，关闭可移动炉底挡板，使门式加热罩罩体处于封闭状态；

3)启动各个加热区的感应电加热装置，对支撑辊进行预热和层间加热，加热速度设定为8～12℃/h，当罩体内温度为400～500℃时，达到预热标准，预热完成；

4)焊接时，操纵各只焊枪从焊枪入口处伸入门式加热罩罩体内，支撑辊在主轴箱伺服电机驱动下转动，转动速度为6～10min/圈；焊接时多只焊枪可同时或独立工作，每只焊枪在各自区域内进行堆焊，直至达到修复要求为止；焊接同时将可移动炉底挡板打开，启动焊剂回收系统，焊接过程中产生的残渣自然掉落至振动筛上，颗粒小而均匀的未燃烧焊剂通过振动筛筛网后进入焊剂回收盒内，在焊剂自动回收机的负压作用下通过管道进入焊剂储料罐；当需要使用焊剂储料罐内的焊剂时，空气压缩机启动，利用正压将焊剂储料罐内的回收焊剂注入焊枪内的焊剂盒内，焊剂盒内的焊剂可自动注入焊枪内，实现焊剂的再次利用；

5)堆焊时，采用红外扫描仪对支撑辊辊身温度进行实时检测，并连续扫描辊身各点的温度绘制温度曲线和彩色热成像图；将支撑辊任意划分为3个扇区进而控制3个区域的温度，当检测到的温度低于设定值400℃时，对应区域的感应电加热装置自动启动进行加热，直至温度达标为止；整个过程采用PID闭环控制方式进行智能温度控制，直至焊接结束；

6)焊接工作完成后进行第一次缓冷，采用与升温速度同样的速度进行缓冷，缓冷开始前将焊枪移出门式加热罩，门式加热罩罩体重新封闭；通过采用PID闭环控制，控制罩体内的降温速度；

7)第一次缓冷结束后，再次对支撑辊进行加热，以消除焊接过程中新堆焊材料与原有材料之间的应力，通过高温处理使之更好融合；升温速度为8～12℃/h，当罩体内温度达到550～580℃时停止加热，保温15～20小时；

8)第二次缓冷采用与第一次缓冷时同样的方式，直至罩内温度≤50℃时，第二次缓冷过程结束，此时支撑辊温度接近室温；

9)关闭在线加热系统，拆除两侧上挡板，将门式加热罩主罩体从支撑辊上部移开，整个支撑辊的堆焊修复过程结束。

堆焊时可采用螺旋式或步进式堆焊，也可单圈环焊、轴向直线焊接或点焊补洞；根据焊接工艺要求设定焊接路线，起弧、收弧、堆焊时的电压，送丝速度和收弧时间，由焊枪控制器控制各焊枪自动完成堆焊过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)具备可调式支撑辊支撑及驱动系统，采用大功率伺服电机进行驱动，支撑辊与主轴箱之间由可伸缩万向联轴器连接，具有启动力矩大，调速范围宽，便于控制，调心简单等优点；支撑辊采用可调节的防窜动滚轮架支撑，避免出现打滑、丢转而造成的焊接熔敷金属重焊，赶堆不平整等现象影响堆焊质量，支撑辊堆焊时转动平稳、不爬行、不丢转、承载能力大、转动力矩小、可无极调速；

2)在线加热和保温由PID调节器+双向可控模块实现自动控制，自控系统可对在线加热、保温装置进行实时监控和调节，确保轧辊焊接时的层间温度和质量；

3)堆焊采用多组可移动的焊接机构同时施焊，其中轴颈部分由CMT脉冲式冷焊设备完成，大功率水冷焊枪可实现长时间连续堆焊；焊接方式可采用螺旋式或步进式堆焊，也可单圈环焊、轴向直线焊接和点焊补洞；根据焊接工艺要求预设起弧、收弧、堆焊时的电压，送丝速度和收弧时间，即可自动调节，焊接过程连续稳定，为大型轧辊堆焊质量提供了坚实的保障；

4)可实现同时多个焊接机头焊剂的自动输送，焊接同时对焊剂与焊渣进行自动筛分和回收；

5)采用智能化全自动控制系统，对大型支撑辊堆焊工作站进行综合有效的自动控制和自动监控；能够连续实现大型支撑辊的在线预热、焊接、保温和回火处理工艺过程，自动化程度高，集成性好；

6)具备焊接、驱动、加热、焊剂输送和回收设备故障实时检测报警功能，确保设备运行安全稳定可靠。

附图说明

图1是本发明所述大型支撑辊堆焊工作站的主视图。

图2是本发明所述大型支撑辊堆焊工作站的侧视图。

图3是本发明所述主轴箱与门式框架的主视图。

图4是图3的后视图。

图5是图3的俯视图。

图6是图3的侧视图。

图7是图1中的A-A剖视图。

图8是本发明所述门式加热罩的结构示意图。

图9是本发明所述门式加热罩的主视剖面图。

图10是本发明所述门式加热罩的横断面图。

图中：1.伺服电机 2.主轴箱 3.重型四爪卡盘 4.可移动工作平台 5.支撑辊 6.门式加热罩 7.红外扫描仪 8.防窜动滚轮架 9.轨道 10.可伸缩万向联轴器 11.大型回转轴承 12.门形框架 13.走行电机 14.升降电机 15.大模数齿圈 16.滑块 17.丝杠 18.可移动炉底挡板 19.振动筛 20-1.前部罩体 20-2.中部罩体 20-3.后部罩体 21.焊枪入口 22.上挡板 23.下挡板 24.滑轮 25.减速电机 26.铁棒 27.感应电加热装置 28.热电偶 29.加热区 30.窗视口 31.保温层 32.风机

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1-图2所示，是本发明所述一种大型支撑辊堆焊工作站的结构示意图。本发明所述一种大型支撑辊堆焊工作站，包括辊支撑装置、辊驱动装置、在线加热系统、焊接系统和焊剂回收系统，支撑辊5由辊支撑装置支撑定位，并可在辊驱动装置的驱动下转动；所述在线加热系统包括门式加热罩6，门式加热罩6覆盖在支撑辊5外部形成封闭罩体，罩体内壁设有保温层31和感应电加热装置27，罩体内设热电偶28，罩体顶部设焊枪入口21；与焊枪入口21对应位置的门式加热罩6上部设焊接系统及红外扫描仪7，其中焊接系统的焊枪可在垂直移动后伸入门式加热罩6罩体内；门式加热罩6底部设焊剂回收系统，焊剂回收系统包括振动筛19、焊剂回收盒、焊剂自动回收机和焊剂储料罐，门式加热罩6底部设可移动炉底挡板18，可移动炉底挡板18移动后使门式加热罩6底部形成焊渣下落通道；振动筛19置于焊渣下落通道的下方，振动筛19筛网下方设焊剂回收盒，焊剂回收盒通过焊剂自动回收机连接焊剂储料罐。

所述辊支撑装置为防窜动滚轮架8，采用液压或机械驱动。(如图7所示)

如图3-图6所示，所述辊驱动装置为主轴箱2；主轴箱2上设有伺服电机1和大型回转轴承11，大型回转轴承11的内圈镶嵌大模数齿圈15与伺服电机1输出轴上的齿轮啮合传动，大型回转轴承11的内圈通过可伸缩万向联轴器10与重型四爪卡盘3连接传动，重型四爪卡盘3用于装卡支撑辊5一侧辊颈。

所述主轴箱2可垂直升降及沿支撑辊5轴线方向移动；主轴箱2外侧设有门形框架12，主轴箱2两侧设滑块16与门形框架12立柱上的导轨相配合，主轴箱2顶部设丝母与门形框架12横梁上的丝杠17相配合，通过安装在门形框架12顶部的升降电机14驱动，主轴箱2可实现垂直升降；主轴箱2底部设走行机构，在走行电机13的驱动下可沿支撑辊5轴线方向移动；主轴箱2底部设手动升降机，用于在主轴箱2升起到位后锁紧固定。

如图8-图10所示，所述门式加热罩6由前部罩体20-1、中部罩体20-2、后部罩体20-3、上挡板22、下挡板23和可移动炉底挡板18共同组成封闭式结构，中部罩体20-2两端分别与前部罩体20-1及后部罩体20-3可拆卸地连接组成主罩体；上挡板22与下挡板23沿水平中轴线剖分，组合后形成挡板；可移动炉底挡板18为2块，沿罩体轴线对称设置，并可分别沿与罩体轴线垂直方向移动；门式加热罩6的主罩体两侧分别安装数个滑轮24，滑轮24由减速电机25驱动，并可带动门式加热罩6主罩体沿与门式加热罩6轴线平行设置的轨道9滑动；下挡板23与轨道9固定在设备基座上，上挡板22与下挡板23可拆卸地连接。

所述中部罩体20-2设有多种长度规格，分别用于不同规格支撑辊5堆焊时配套使用。

如图9所示，所述门式加热罩6内部分为多个加热区29，每个加热区29分别设置感应电加热装置27；感应电加热装置27由电阻带、铁棒26及电源组成，每个加热区29内的电阻带按照三相交流电的星形结构布线；铁棒26穿过罩体保温层31固定在罩体上，外部套装陶瓷外罩；电阻带与外部电源通过铁棒26相连；每个加热区29的感应电加热装置27分别控制；每个加热区29内分别设有热电偶28，热电偶28、红外扫描仪7及感应电加热装置27分别与加热控制系统连接，加热控制系统为单片机或PLC。

所述焊接系统包括数组可移动焊接机构，每组可移动焊接机构均由焊接小车、焊枪、焊枪移动装置、焊枪水冷装置、焊丝输送装置、焊剂输送装置组成，各组焊枪分别连接焊枪控制器。

一种大型支撑辊堆焊工作站的操作方法，包括如下步骤:

1)辊支撑装置设在门式加热罩轨道9中间，靠近主轴箱2一侧；将大型支撑辊5吊装于辊支撑装置上，调整托辊高度和角度使支撑辊5轴心水平；调整主轴箱2位置，使其上的重型四爪卡盘3与支撑辊5同心，通过重型四爪卡盘3固定连接支撑辊5一端辊颈，主轴箱2上的伺服电机1可驱动支撑辊5转动；

2)根据支撑辊5的规格，选择门式加热罩中部罩体20-2的长度，安装完主罩体后，启动主罩体两侧的减速电机25，将主罩体移至支撑辊5上方，并与上挡板22、下挡板23一起组成罩体；盖上焊枪入口21和视窗口30处的封盖，关闭可移动炉底挡板18，使门式加热罩6罩体处于封闭状态；

3)启动各个加热区29的感应电加热装置27，对支撑辊5进行预热和层间加热，加热速度设定为8～12℃/h，当罩体内温度为400～500℃时，达到预热标准，预热完成；

4)焊接时，操纵各只焊枪从焊枪入口21处伸入门式加热罩6罩体内，支撑辊5在主轴箱伺服电机1驱动下转动，转动速度为6～10min/圈；焊接时多只焊枪可同时或独立工作，每只焊枪在各自区域内进行堆焊，直至达到修复要求为止；焊接同时将可移动炉底挡板18打开，启动焊剂回收系统，焊接过程中产生的残渣自然掉落至振动筛19上，颗粒小而均匀的未燃烧焊剂通过振动筛19筛网后进入焊剂回收盒内，在焊剂自动回收机的负压作用下通过管道进入焊剂储料罐；当需要使用焊剂储料罐内的焊剂时，空气压缩机启动，利用正压将焊剂储料罐内的回收焊剂注入焊枪内的焊剂盒内，焊剂盒内的焊剂可自动注入焊枪内，实现焊剂的再次利用；

5)堆焊时，采用红外扫描仪7对支撑辊5辊身温度进行实时检测，并连续扫描辊身各点的温度绘制温度曲线和彩色热成像图；将支撑辊5任意划分为3个扇区进而控制3个区域的温度，当检测到的温度低于设定值400℃时，对应区域的感应电加热装置27自动启动进行加热，直至温度达标为止；整个过程采用PID闭环控制方式进行智能温度控制，直至焊接结束；

6)焊接工作完成后进行第一次缓冷，采用与升温速度同样的速度进行缓冷，缓冷开始前将焊枪移出门式加热罩6，门式加热罩6罩体重新封闭；通过采用PID闭环控制，控制罩体内的降温速度；

7)第一次缓冷结束后，再次对支撑辊5进行加热，以消除焊接过程中新堆焊材料与原有材料之间的应力，通过高温处理使之更好融合；升温速度为8～12℃/h，当罩体内温度达到550～580℃时停止加热，保温15～20小时；

8)第二次缓冷采用与第一次缓冷时同样的方式，直至罩内温度≤50℃时，第二次缓冷过程结束，此时支撑辊5温度接近室温；

9)关闭在线加热系统，拆除两侧上挡板22，将门式加热罩6主罩体从支撑辊5上部移开，整个支撑辊5的堆焊修复过程结束。

堆焊时可采用螺旋式或步进式堆焊，也可单圈环焊、轴向直线焊接或点焊补洞；根据焊接工艺要求设定焊接路线，起弧、收弧、堆焊时的电压，送丝速度和收弧时间，由焊枪控制器控制各焊枪自动完成堆焊过程。

本发明能够满足20吨以上、80吨以下，直径不超过1800mm的大型支撑辊的堆焊修复要求。

本发明中，优先选用美国林肯焊枪，焊道搭接良好、平整、无夹渣气孔；可单丝或双丝单弧堆焊，不摆动埋弧堆焊。焊接电源采用美国林肯AC/DC-1000A电源，配套MAX19焊接控制器和MAX29送丝机，可根据焊接工艺实际要求采用直流、交流焊接(交直流焊接转换可在焊接中进行)，还可采用交流不对称波形方式焊接。焊丝可使用Ф2.4mm～Ф5.0mm药芯或实心焊丝。

焊接机构的主要技术参数如下：

适应焊丝：药芯或实心焊丝；

焊丝规格：

工件直径：

工件最大长度：≤18000(mm)；

工件最大重量：≤20(T)；

焊接工作电流：200～1000(A)；

焊接工作电压：20～44(V)；

主轴工作转速：0.119～0.9r/min；

焊枪摆幅：15～50/mm；

焊枪摆频：10～50次/min。

为了适合不同直径大型支撑辊的堆焊作业，辊支撑装置采用可调式防窜动滚轮架8，支撑辊5一侧轴颈通过重型四爪卡盘3装卡在主轴箱2一侧，通过伺服电机1驱动。防窜动滚轮架8优先采用液压式防窜动滚轮架，由2组对称设置的托辊支架、机座、用于支撑、升降及改变托辊夹角的液压系统组成。为了防止因为支撑辊5连续单方向转动导致的轴向窜动，前后支撑的2组托辊分别采用杠杆式液压推举机构调节，通过液压缸举升改变托辊支架角度，2个液压缸均为伺服液压缸，除参与调节角度外，还可以通过轴端的激光位移传感器检测的唯一信号及反馈形成闭环控制系统，调节2个液压缸的升降、及时纠正轴向位移，其修正支撑辊5轴向窜动精度的精确度可达到<1mm。

主轴箱2的主体为钢结构罩体，主轴箱2上安装了大型回转轴承11和重型四爪卡盘3用于支撑辊的传动和定位。在大型回转轴承11内圈镶嵌有大模数齿圈15，通过与伺服电机1输出轴上的齿轮啮合传动实现驱动和无级调速。大型回转轴承11内圈与重型四爪卡盘3之间通过可伸缩万向联轴器10连接传动，可伸缩万向联轴器10与大型回转轴承11内圈和重型四爪卡盘3之间均通过法兰连接。

主轴箱2可垂直上下移动，它的升降系统由设在主轴箱2两侧的滑块16与门形框架12两侧立柱上的导轨构成的滑动机构，以及在门形框架12的横梁上对称安装的两个丝杠17与主轴箱2上部丝母的组成的螺旋升降机构共同组成，升降电机14是安装在门形框架12横梁上的一台蜗轮蜗杆减速电机，走行电机13是安装在主轴箱2底部的一台摆线针轮减速电机。

主轴箱2底部与固定在门式加热罩6机座上的一对手动升降机相连接，在主轴箱2位置调整到位后，通过手动升降机将主轴箱2从底部固定，避免悬挂在主轴箱2上的丝母受损。

支撑辊堆焊工位上方设有可沿支撑辊轴线垂直运动的大型可移动工作平台4，多机头焊接机构、焊丝输送机构、焊剂输送机构、焊剂自动回收机、焊枪水冷系统、电气控制柜和全部管缆线全部安装在可移动工作平台4上。可移动工作平台4可以整体移动，方便支撑辊5安装，采用大型起重设备使用专用吊具吊装大型支撑辊5。在可移动工作平台4上设有可进行三轴运动的多组焊接机构，其中焊枪移动机构用于将焊枪插入门式加热罩6内进行自动堆焊，并可随时单独从炉内抽出焊枪，更换导电嘴、送丝轮和焊丝，以及进行设备的维修。在此过程中其他焊枪可正常工作，由于支撑辊5自传速度为6～10min/圈，因此短暂的焊枪维护不影响支撑辊堆焊的正常进行；焊枪水冷系统通过水泵将冷水注入焊枪内的水冷管道，冷水将热量降低，对焊枪起到很好的散热作用。可移动工作平台4的横梁上还设有红外扫描仪7用于对支撑辊5加热温度进行监测。

针对整个支撑辊5的预热和层间加热是通过感应电加热装置27来完成的，采用红外扫描仪7实时检测支撑辊的温度，可以连续扫描辊身各点的温度绘制出温度曲线和彩色热成像图。将支撑辊5辊身任意划分为三个扇区进而分别监控这三个区域的温度，当检测到某一区域的温度低于设定值400℃时，自动启动该区域的感应电加热装置27进行加热，直至温度达标为止。整个过程采用PID闭环控制方式，智能化的将温度控制在合理范围内。

在整个堆焊工作过程中，通过预先将支撑辊5的堆焊工艺参数通过控制系统进行设定，可实现全过程的自动化控制，操作人员仅需在控制室内监控实时参数，并可通过门式加热罩6上的视窗口30观察罩体内部的焊接情况。因此自动化程度高、大大降低了操作人员的劳动强度，优化了作业环境，实现了生产过程控制的精准无误，也大大提高了支撑辊的修复质量和效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。