一种钢筋预埋件焊接设备及方法与流程

本发明涉及核电设备焊接工装技术领域，尤其涉及一种钢筋预埋件焊接设备及方法。

背景技术：

在核电站建设中，尤其是混凝土结构建筑部分，有大量的预埋件、锚固构件制作。其中钢筋-钢板t型埋件、锚固构件采用的是传统焊条电弧焊（smaw）、半自动co2气体保护焊（gmaw）等焊接方法进行焊接，但是焊条电弧焊（smaw）、半自动气保焊（gmaw）焊接工作环境差，对焊工技能水平要求高，培训成本大大增加，并且生产效率低，生产成本高，容易受到工人个人状况影响，导致焊接质量不稳定。

随着技术的进步，出现了一系列新的预埋件焊接方法，如埋弧螺柱焊、埋弧压力焊等，但是由于施工工况以及对电磁偏吹敏感等原因，其焊接适应性以及焊接质量均不太理想。人工焊接如图1所示，由于人工焊接时手臂转动不便，且在进行焊接操作时结构中钢筋密集，空间受限，致焊接耗时长、焊接操作困难，极大制约了该类焊接工艺的应用与发展。

技术实现要素：

为了满足车间及现场施工制作大量的钢筋钢板t型焊接需求，提高焊接效率、降低施工成本，本发明提供了一种钢筋摩擦焊的焊接新方法，能够实现自动焊接，进而达到连续驱动摩擦焊机进行钢筋-钢板t焊接作业的目的。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种钢筋预埋件焊接设备，它包括床身，所述床身的顶部设置有床身滑轨，所述床身滑轨上滑动配合安装有主轴箱，所述主轴箱的内部设置有回转主轴，所述回转主轴的前端安装有旋转夹具，所述回转主轴的尾端与用于驱动其转动的回转动力装置相连；所述主轴箱的尾部与用于推动其进给的推进动力装置相连；所述床身的顶部，并与旋转夹具相对的一侧设置有立板，所述立板的内侧壁上通过横向导轨及横移伺服机构配合安装有横移板，所述横移板的另一侧通过竖向导轨及竖移伺服机构配合安装有用于对预埋件底板进行装夹的夹紧板。

所述回转动力装置包括固定在主轴箱顶部的主轴电机，所述主轴电机通过同步皮带轮传动与回转主轴相连，并驱动其回转；所述回转主轴采用空心主轴；在回转主轴的中间部位并列安装有油封和主推力轴承，所述主轴箱的内部安装有用于对回转主轴进行夹紧的回转夹紧油缸相配合。

所述旋转夹具采用液压工装定心弹簧夹头夹具，具有多种不同的型号；所述旋转夹具采用高硬度和高耐磨性的材料制成。

所述推进动力装置采用丝杠传动机构，包括固定在尾座上的推进伺服电机，所述尾座设置在床身的尾部顶端，所述推进伺服电机的主轴与推进丝杠相连，所述推进丝杠与安装在主轴箱内部的丝杠螺母构成丝杠传动配合，并推动整个主轴箱沿着床身滑轨滑动推进。

所述立板的背部与床身之间设置有多组加强筋板。

所述横移伺服机构包括横移伺服电机，所述横移伺服电机固定安装在立板的侧壁上，所述横移伺服电机的输出轴与横移丝杠相连，所述横移丝杠支撑在立板上，所述横移丝杠与固定在横移板上的横向丝杠螺母构成丝杠传动配合，并驱动其沿着横向导轨移动，所述横移板的背部设置有用于和横向导轨相配合的横向滑块。

所述竖移伺服机构包括竖移伺服电机，所述竖移伺服电机固定安装在横移板的顶部，所述竖移伺服电机的输出轴与竖移丝杠相连，所述竖移丝杠支撑在横移板上，所述竖移丝杠与固定在夹紧板上的竖向丝杠螺母构成丝杠传动配合，并驱动其沿着竖向导轨移动，所述夹紧板的背部设置有用于和竖向导轨相配合的竖向滑块。

还包括液压系统，所述液压系统包括油箱，所述油箱通过油管与液压泵相连，所述液压泵与电机相连，并驱动其泵油；所述液压泵通过减压阀、溢流阀和换向阀与旋转夹具以及回转动力装置的回转夹紧油缸相连，并控制其相应的动作；在液压回路上安装有压力表和蓄能器。

还包括控制系统，所述控制系统包括plc控制器、主轴电机驱动器、推进伺服电机驱动器、横移伺服电机驱动器、竖移伺服电机驱动器、触摸屏、继电器、接触器、断路器、工业电源、限位开关和过载保护器；

所述plc控制器的信号输入端通过信号线与触摸屏相连，所述触摸屏采用一体式触摸显示屏工控机，进行自动程序控制，由触摸屏预先设置焊接参数，对焊接参数可根据不同工件需要进行编辑修改，选择、存储和显示，使得焊接参数满足不同工件焊接工艺的要求；

所述plc控制器的输出端通过信号线分别与主轴电机驱动器、推进伺服电机驱动器、横移伺服电机驱动器和竖移伺服电机驱动器相连，所述主轴电机驱动器与主轴电机相连，并控制其回转动作；所述推进伺服电机驱动器与推进伺服电机相连，并控制主轴箱的推进动作；所述横移伺服电机驱动器和竖移伺服电机驱动器分别与横移伺服电机和竖移伺服电机相连，并控制夹紧板的横向和竖向动作。

钢筋预埋件焊接设备进行多工位埋件焊接的方法，包括以下步骤：

步骤一，钢筋预埋件原材料加工制作：根据钢筋预埋件的设计尺寸，加工出所需要的埋件底板和钢筋；

步骤二，编制离线焊接程序：根据埋件底板尺寸以及钢筋在埋件底板上的焊接位置，编制焊接程序，程序中设定埋件底板上进行焊接的位置及焊接路径，使得摩擦焊接能按顺序进行，保证每一排被焊钢筋都能以预设的间距焊满，并在每排焊接完成后，控制夹紧板移动，使埋件底板与钢筋对齐至下一排焊接的初始位置，进行焊接，重复进行以上焊接步骤；

步骤三，装夹埋件底板：采用手动方式将埋件底板固定在夹紧板上，将离线程序导入控制器，将程序空走一遍，逐行修改迹点，检查行走轨迹和各种参数准确无误后，准备焊接工件；

步骤四，自动焊接：操作人员按下启动按钮后，摩擦焊控制系统开始运行，自动上料系统将钢筋送入回转主轴，并通过尺寸适应性旋转夹具将钢筋夹紧固定，依据预设的行走程序，钢筋与埋件底板上的焊接点自动对齐，推进动力装置开始工作，使钢筋与埋件底板的接触压力满足加热压力要求，随后回转主轴带动钢筋与埋件底板发生相对的旋转运动，当钢筋与埋件底板熔化后回转主轴停止旋转，通过推进动力装置顶推主轴箱使钢筋与埋件底板压接成型；

步骤五，完成一个钢筋与埋件底板焊接作业后，程序自动控制横移伺服电机和竖移伺服电机，将埋件底板移动到一下个焊接点，此后重复步骤四的操作，直至完成一个试件焊接；

步骤六，焊接工件结束后，关闭焊机电源。

本发明有如下有益效果：

1、本发明实现了运用摩擦焊代替手工焊的埋件焊接工艺过程，解决了产品制作时因钢筋排列密集，导致操作不便而耽误施工进度的问题，减少了高级焊接工人的招收数量以及因为个人原因导致的焊接质量不稳定的问题，保证了焊接质量，提高了焊接效率，降低了施工成本，给企业带来了巨大的经济效益。

2、通过采用本发明的摩擦焊机，将常规的运用焊条电弧焊（smaw）、半自动co2气体保护焊（gmaw）焊接钢筋钢板t型接头，变成了运用摩擦焊焊接的方式，实现一个t接接头在短时间内高效完成焊接，提高了焊接效率，降低了施工成本。

3、通过采用本发明的控制系统，能够实现整个t型钢筋钢板埋件的自动化焊接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为传统钢筋钢板穿孔塞焊焊接工艺。

图2为本发明所焊接钢筋钢板预埋件主视及俯视图。

图3为本发明第一视角三维图。

图4为本发明第二视角三维图。

图5为本发明焊接过程中的第一视角三维图。

图6为本发明焊接过程中的第一视角三维图。

图7为本发明摩擦焊原理示意图。

图中：床身1、主轴箱2、床身滑轨3、推进伺服电机4、尾座5、主轴电机6、回转主轴7、旋转夹具8、夹紧板9、竖移伺服机构10、竖向导轨11、横移板12、立板13、竖向滑块14、横向滑块15、横移伺服机构16、横向导轨17、加强筋板18、埋件底板19、钢筋20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参见图3-6，一种钢筋预埋件焊接设备，它包括床身1，所述床身1的顶部设置有床身滑轨3，所述床身滑轨3上滑动配合安装有主轴箱2，所述主轴箱2的内部设置有回转主轴7，所述回转主轴7的前端安装有旋转夹具8，所述回转主轴7的尾端与用于驱动其转动的回转动力装置相连；所述主轴箱2的尾部与用于推动其进给的推进动力装置相连；所述床身1的顶部，并与旋转夹具8相对的一侧设置有立板13，所述立板13的内侧壁上通过横向导轨17及横移伺服机构16配合安装有横移板12，所述横移板12的另一侧通过竖向导轨11及竖移伺服机构10配合安装有用于对预埋件底板进行装夹的夹紧板9。通过采用上述的焊接设备，能够实现t型结构的钢筋钢板预埋件的自动化摩擦焊接，替代传统的人工焊接工艺过程，进而提高了焊接效率，降低了施工成本。具体焊接工艺过程中，通过回转动力装置驱动回转主轴7高速旋转，将需要焊接的钢筋固定在旋转夹具8上，通过旋转夹具8驱动钢筋转动，再由推进动力装置推动整个主轴箱2动作，并与固定在夹紧板9上的埋件底板19接触，最终实现摩擦焊接，待一根钢筋焊接完成之后，通过横移伺服机构16和竖移伺服机构10驱动夹紧板9自动调节下一个焊接位置。

进一步的，所述回转动力装置包括固定在主轴箱2顶部的主轴电机6，所述主轴电机6通过同步皮带轮传动与回转主轴7相连，并驱动其回转；所述回转主轴7采用空心主轴；在回转主轴7的中间部位并列安装有油封和主推力轴承，所述主轴箱2的内部安装有用于对回转主轴7进行夹紧的回转夹紧油缸相配合。通过上述的回转动力装置用于提供回转主轴7的转动动力。工作过程中，通过主轴电机6驱动同步皮带轮，再由同步皮带轮驱动回转主轴7，最终通过回转主轴7带动钢筋转动。

进一步的，所述旋转夹具8采用液压工装定心弹簧夹头夹具，具有多种不同的型号；所述旋转夹具8采用高硬度和高耐磨性的材料制成。上述的旋转夹具8采用现有的专用夹具，进而保证了结构稳定性。

进一步的，所述推进动力装置采用丝杠传动机构，包括固定在尾座5上的推进伺服电机4，所述尾座5设置在床身1的尾部顶端，所述推进伺服电机4的主轴与推进丝杠相连，所述推进丝杠与安装在主轴箱2内部的丝杠螺母构成丝杠传动配合，并推动整个主轴箱2沿着床身滑轨3滑动推进。通过上述的推进动力装置用于提供摩擦焊过程中，钢筋与埋件底板之间的接触压力，以保证摩擦焊的正常焊接工艺。

进一步的，所述立板13的背部与床身1之间设置有多组加强筋板18。通过上述的加强筋板18保证了立板13的结构稳定性。

进一步的，所述横移伺服机构16包括横移伺服电机，所述横移伺服电机固定安装在立板13的侧壁上，所述横移伺服电机的输出轴与横移丝杠相连，所述横移丝杠支撑在立板13上，所述横移丝杠与固定在横移板12上的横向丝杠螺母构成丝杠传动配合，并驱动其沿着横向导轨17移动，所述横移板12的背部设置有用于和横向导轨17相配合的横向滑块15。通过上述的横移伺服机构16能够用于带动夹紧板9的横向移动，进而调节同一排上多根钢筋的焊接点转换。

进一步的，所述竖移伺服机构10包括竖移伺服电机，所述竖移伺服电机固定安装在横移板12的顶部，所述竖移伺服电机的输出轴与竖移丝杠相连，所述竖移丝杠支撑在横移板12上，所述竖移丝杠与固定在夹紧板9上的竖向丝杠螺母构成丝杠传动配合，并驱动其沿着竖向导轨11移动，所述夹紧板9的背部设置有用于和竖向导轨11相配合的竖向滑块14。通过上述的横移伺服机构16能够用于带动夹紧板9的竖向移动，进而调节不同排上多根钢筋的焊接点转换。

其中直线导轨及滚珠丝杠保证夹紧板9移动的精度和焊接精度；直线导轨及滚珠丝杠采用定期注二硫化钼或锂基黄干油进行润滑。

主轴箱2采用强制性润滑，润滑油箱注油及油泵均设计润滑油过滤装置，油箱设计便于放油清洗。油箱设油位计，可随时观察油位高度。主轴箱设可视观察孔，可随时观察主轴箱内润滑情况。

进一步的，还包括液压系统，所述液压系统包括油箱，所述油箱通过油管与液压泵相连，所述液压泵与电机相连，并驱动其泵油；所述液压泵通过减压阀、溢流阀和换向阀与旋转夹具8以及回转动力装置的回转夹紧油缸相连，并控制其相应的动作；在液压回路上安装有压力表和蓄能器。通过液压系统用于提供液压动力。通过减压阀和溢流阀用于保证系统的油压安全。

进一步的，还包括控制系统，所述控制系统包括plc控制器、主轴电机驱动器、推进伺服电机驱动器、横移伺服电机驱动器、竖移伺服电机驱动器、触摸屏、继电器、接触器、断路器、工业电源、限位开关和过载保护器；

所述plc控制器的信号输入端通过信号线与触摸屏相连，所述触摸屏采用一体式触摸显示屏工控机，进行自动程序控制，由触摸屏预先设置焊接参数，对焊接参数可根据不同工件需要进行编辑修改，选择、存储和显示，使得焊接参数满足不同工件焊接工艺的要求；

所述plc控制器的输出端通过信号线分别与主轴电机驱动器、推进伺服电机驱动器、横移伺服电机驱动器和竖移伺服电机驱动器相连，所述主轴电机驱动器与主轴电机6相连，并控制其回转动作；所述推进伺服电机驱动器与推进伺服电机4相连，并控制主轴箱2的推进动作；所述横移伺服电机驱动器和竖移伺服电机驱动器分别与横移伺服电机和竖移伺服电机相连，并控制夹紧板9的横向和竖向动作。

进一步的，该系统可以实时显示焊接状态，焊接进行到那一工步，状态正常都有相对应的指示灯显示，如果发生故障相对应的指示灯变色并闪烁，显示故障报警；系统设有油路堵塞、过载等故障报警安全保护系统，使用更安全可靠；在手动调试焊机时，为便于整机、液压系统及各种动作的调试，触摸屏内手动操作界面设有各种动作的手动控制按钮。设有一级开始按钮，该按钮起动后一级摩擦开始。在无需焊接的情况下，可用此按钮完成模拟一级摩擦开始后的全部程序。

实施例2：

钢筋预埋件焊接设备进行多工位埋件焊接的方法，包括以下步骤：

步骤一，钢筋预埋件原材料加工制作：根据钢筋预埋件的设计尺寸，加工出所需要的埋件底板19和钢筋20；

步骤二，编制离线焊接程序：根据埋件底板19尺寸以及钢筋20在埋件底板19上的焊接位置，编制焊接程序，程序中设定埋件底板19上进行焊接的位置及焊接路径，使得摩擦焊接能按顺序进行，保证每一排被焊钢筋20都能以预设的间距焊满，并在每排焊接完成后，控制夹紧板9移动，使埋件底板19与钢筋20对齐至下一排焊接的初始位置，进行焊接，重复进行以上焊接步骤；

步骤三，装夹埋件底板19：采用手动方式将埋件底板19固定在夹紧板9上，将离线程序导入控制器，将程序空走一遍，逐行修改迹点，检查行走轨迹和各种参数准确无误后，准备焊接工件；

步骤四，自动焊接：操作人员按下启动按钮后，摩擦焊控制系统开始运行，自动上料系统将钢筋送入回转主轴7，并通过尺寸适应性旋转夹具8将钢筋20夹紧固定，依据预设的行走程序，钢筋20与埋件底板19上的焊接点自动对齐，推进动力装置开始工作，使钢筋与埋件底板19的接触压力满足加热压力要求，随后回转主轴7带动钢筋与埋件底板19发生相对的旋转运动，当钢筋与埋件底板19熔化后回转主轴7停止旋转，通过推进动力装置顶推主轴箱2使钢筋与埋件底板19压接成型；

步骤五，完成一个钢筋20与埋件底板19焊接作业后，程序自动控制横移伺服电机和竖移伺服电机，将埋件底板19移动到一下个焊接点，此后重复步骤四的操作，直至完成一个试件焊接；

步骤六，焊接工件结束后，关闭焊机电源。

实施例3：

参见图7，本发明所述摩擦焊接的原理为：驱动摩擦焊机是利用尺寸适应性夹具将钢筋固定于旋转主轴前端的旋转头凹槽内，钢板安装工作台的支座上，通过移动工作台保证钢筋与钢板上的焊接点对齐后有效接触并固定，后方推进动力装置使钢筋与钢板接触压力满足加热压力要求，主轴电机带动旋转主轴高速旋转使钢筋与钢板间摩擦发热，当钢筋与钢板熔化后主轴停止旋转，再通过推进动力装置顶推工作台带动钢筋与钢板压接成型，设备运行参数在控制系统面板上设置。摩擦焊焊接部位为面接触，受热均匀，能有效抑制金属变形，省去了大量人工费，节约了施工成本，是未来制造业、建筑业焊接技术发展方向。本摩擦焊设备通过合适的工装可实现一块钢板焊接多根钢筋。

实施例4：

自动化焊接过程中，焊接关键参数控制：

1、在准备进行摩擦焊时，设置一级时间和二级时间，一级时间范围控制在7.0~15.0s内，二级时间范围控制在5.0~13.0s内。

2、焊机回转主轴停止旋转后，将对工件进行顶锻，顶锻时间范围控制在3.0~10.0s内。

3、设置顶锻压力范围控制在2.0~5.0mpa内。