薄壁不锈钢螺旋焊接风管成型机的研制

张先锋 赵彦磊 陶海东 谢文正 齐冠恒

（1.中国人民解放军96608部队，河南 洛阳 471003；2.江阴事百诺机械有限公司，江苏 江阴 214431）

一般的通风系统所用风管的加工量大且质量要求高，随着螺旋风管机和共板法兰风管机的引进，圆形和方形咬口风管都实现了自动化加工，较大地提升了通风系统施工的质量效率。由于地下工程中可能涉毒及密闭段等特殊区域，对于通风管道的耐久性和严密性要求都较高（严密性要求必须达到国家E级标准），通风管道大量采用厚度为0.6mm～1.2mm的薄壁不锈钢板材加工，对焊接技术和质量要求都很高。当前，地下工程风管主要采用不锈钢圆形风管形式，采用宽度为1250mm的不锈钢板材，按照周长下料，进行卷圆处理，利用直缝自动焊接设备焊接直缝，各节对接后再用空压式脉冲缝焊设备焊接环缝。这种制作工艺和方法存在3个主要问题：一是工序复杂，自动化程度低；二是需要的加工机械和操作手较多；三是焊接强度和密封性能差。

目前，国内尚没有与薄壁不锈钢螺旋焊接风管类似的加工设备。为满足地下工程施工需求，加速推进特殊区域通风系统施工的机械化进程，相关人员研制了一种不锈钢板材圆形风管自动加工、连接部位连续焊接及定长切割等多种装备功能于一体的螺旋风管加工专用装备——薄壁不锈钢螺旋焊接风管机。

一、薄壁不锈钢螺旋焊接风管机的结构和功能

薄壁不锈钢螺旋焊接风管机可将宽幅不锈钢带经过滚压、压筋、翻边、咬合，模具组卷圆成型，然后通过焊接的方式对咬合缝隙进行全焊接再处理。待风管达到设定的长度时，数控全自动等离子切割系统自动启动同步切割。

（一）不锈钢螺旋焊接风管机的主要结构

不锈钢螺旋焊接风管机主要由风管成型部件、管径控制模板部件、数控自动跟踪焊接机构、数控等离子切割部件、放料架和出料架等部件构成，总体结构设计如图1所示。

图1 不锈钢螺旋焊接风管机总体结构设计图

（二）不锈钢螺旋焊接风管机轧辊和成型机构设计

不锈钢螺旋焊接风管机轧辊和压筋咬口成型机构是风管成型的主要部件之一。为了使用方便，适应不同板宽加工需求，设计成两组直径风管成型模具，直径为600mm以下的风管采用303mm宽度的钢板和模具，直径为600mm以上的风管采用606mm宽度的钢板和模具。风管加工时，只需要选用对应风管直径的模具，在基座上安装对应的风管配套轧辊成型机构，然后通过锁紧调节装置和固定松紧度，可实现不同规格风管加工模式的快捷转换。

（三）不锈钢螺旋焊接风管机数控自动跟踪系统设计

不锈钢螺旋焊接风管机使用的自动跟踪系统采用成熟技术，主要用于对咬口咬合进行精准地焊缝跟踪，确保焊接位置的准确性、稳定性和持续性。

焊接跟踪系统主要由传感器、控制系统和执行机构三部分组成。电子传感器接触螺旋风管待焊咬口部位，实时采集焊接部位和传感器间高度、横向位移变化信号，通过控制器的放大、转换，转化为轨迹曲线，控制步进电机，驱动滑块精确地执行位置跟踪动作，实现焊枪的实时精准定位。

（四）不锈钢螺旋焊接风管机等离子切割系统设计

系统配备长度检测光电开关、起点光电开关和切割到位开关，当螺旋风管加工长度达到预先设定的尺寸或经人工干预控制时，启动切割程序，等离子点火，风管边加工边切割。等离子割枪由步进电机带动，随着风管加工伸出方向直线精准移动，螺旋风管完成一周切割后，等离子电弧停止，切割系统自动退回到原始起点的光电位置。

（五）不锈钢螺旋焊接风管机放料架设计

根据加工螺旋焊接风管的放料需求，放料架设计额定载荷为5t，由压料机构、料架主体、调整底座等结构组成。料架主体可由电机驱动绕中心轴旋转，启闭通过设置于钢板弧垂位置下方的位置传感器控制，自动匹配钢带的进料或加工速度。

（六）不锈钢螺旋焊接风管机出料架设计

出料架的作用是承托风管，使风管出向平直，发挥稳定风管生产过程和出料导向的作用。由托架、托辊和调整底座等部分组成。出料架是承接加工完成的螺旋风管成品，它的位置应与风管轴线平行，水平面一致。根据风管直径大小，调节两托辊的张开角度，使托辊与螺旋风管的外壁接触良好。

二、主要技术参数

加工板材厚度范围为0.6mm～1.2mm；加工风管直径范围为Φ250mm～Φ1400mm。加工风管板材选用304材质不锈钢卷板（宽度为303mm和606mm）。风管直径偏差不大于1mm；板材进料速度为0m/min～5m/min；最大焊接速度不小于600mm/min。

焊接方式为气体保护焊（982混合气体或氩气），焊接系统焊机选用松下YD-350GL4，焊接跟踪系统为YHB-10传感控制器跟踪系统。

风管切割方式是等离子或激光切割系统，设备总功率是15kW，输入电压为380V。整机总质量不大于3500kg，外形尺寸不大于6000mm×1200mm×1500mm（长×宽×高）。

三、装备特点和技术优势

运行稳定性好，加工质量好。根据钢带材料焊接性试验，确定了适合的焊接位置、气体保护方式及不同管径风管加工的适合的焊接角度、螺旋线焊接速度、输入电流等参数选择范围，焊缝断面填充饱满，颜色呈现金黄色。焊缝无损检测等项目的抽检试验表明，风管的加工质量满足严密性技术要求。

机械化程度高，加工效率高。新型薄壁不锈钢螺旋焊接风管机将不锈钢板材展平进料、压筋、卷圆、咬合、自动焊接与转料切割等多种加工设备的功能集成在一起，实现了圆形焊接风管的全自动化加工。系统采用了先进的PLC工业控制器及数控等离子切割技术，工作稳定，性能可靠，不仅加工效率提高8倍以上，风管的焊接质量也有明显提升。

操作简便快捷，安全性能好。薄壁不锈钢螺旋焊接风管机将焊接、步进电机运行速度等多项功能参数设置于一个手动触控面板上，操作方便，控制便捷。设备采用了防潮、防尘、防高温等技术措施，电气元器件的设计和选用均按照国标和CE认证要求，并设有可靠的安全防护、保险措施，电气系统设置了漏电、接地和过压保护功能。

四、结语

薄壁不锈钢螺旋焊接风管机在样机研制过程中，先后突破了薄壁不锈钢板材三维螺旋线精准焊接、宽幅面钢带风管成型、多管径模具配套，以及等离子切割系统随动精准控制等多项技术瓶颈问题，申请并授权了4项国家专利。该装备的成功研制和应用，有效解决了对通风系统要求较高的通风系统管道的机械化加工问题，对于提高地下工程建设速度、质量和效益，推进地下工程建设具有重要意义。