CN101623794B - 钢材感应加热固相焊接方法及对焊机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢材感应加热固相焊接方法和对焊机床，由机床机身和对焊夹具组成对焊机床。机床机身主要由机床床身、电气柜、焊接控制器、左边主导轨、左边主滑轨、左边感应加热变压器、刀架座、右边感应加热变压器、右边主导轨、右边主滑轨、液压柜组成。液压钢管、钢轨对焊夹具主要由左边液压缸、左边液压缸固定座、左边钢轨固定卡、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边钢轨固定卡、右边液压缸固定座、右边液压缸组成。对焊夹具安装在钢材待焊接端面处，感应加热圈分别套装在钢材待焊接端面处。感应加热电源经电缆连接感应加热变压器初级，感应加热变压器次级分别连接感应加热圈。感应加热圈将两根钢材待焊接端面在短时间内加热到热塑性状态，对焊夹具产生顶锻拉力，把两根钢材焊接在一起。

Description

钢材感应加热固相焊接方法及对焊机床

技术领域

本发明涉及一种钢材感应加热固相焊接方法和对焊机床，确切讲，涉及一种对钢轨、圆钢、钢管等钢材进行对接焊的感应加热固相焊接方法和对焊机床，对铁道矿山、工民建筑、水利电力、石油化工企业使用的钢轨、圆钢、钢管等钢材进行对接焊。

背景技术

焊接是一种基本的机械制造手段，在工业生产中，对钢轨、圆钢、钢管进行对接焊主要使用气压焊、闪光焊和电弧焊。

铁道矿山企业大量使用的钢轨，因钢轨含碳量很高，钢轨对接焊缝的焊接不能采用熔化焊焊接，所以，一般采用气压焊焊接。其方法是：两根待焊接钢轨安装在对焊机具上，两根钢轨带焊接端面采用氧炔焰加热到热塑性状态，操作对焊机具以很大的顶锻压力将两根钢轨压焊在一起。由于氧炔焰是在两根钢轨焊接端面之间加热，钢轨待焊接端面加热到热塑性状态后，将氧炔焰快速移开，再用很大的顶锻压力将两根钢轨压焊在一起。由于从氧炔焰快速移开到钢轨焊接的时间差，两根钢轨待焊接端面的加热温度很快下降，钢轨待焊接端面热塑性下降影响焊接质量，导致钢轨未焊透。使用氧炔焰加热的气压焊，需要很大的顶锻压力。

工民建筑企业大量使用的圆钢，因受圆钢直径的限制，圆钢的中部不易焊透，圆钢对接焊缝的焊接不能采用熔化焊焊接，所以，一般采用闪光焊焊接。其方法是：两根待焊接的圆钢安装在对焊机上，操作对焊机使两根圆钢以一定的顶锻压力接触。在圆钢内通以数千安培的电流，由于在圆钢的接触处存在的接触电阻，数千安培的电流产生的电阻热将圆钢接触处的凸点熔化，在对焊机的驱使下，两根圆钢更加紧紧接触；随着圆钢接触处的其它凸点熔化，在对焊机的驱使下，数千安培的电流产生的电阻热，将两根圆钢焊接在一起。由于闪光焊使用数千安培的焊接电流，因此，需要功率很大的电源。在动力电源不足的建设工地不能使用，焊接的顶锻力很大。

石油化工、水利电力企业使用的管道，由于安装中的钢管不能旋转，钢管对接焊缝的焊接都采用钢管固定，焊枪围绕钢管外圆周旋转的方式进行焊接。这种焊接方法由于是从钢管外圆周面进行焊接，采用的是单面焊双面成型全位置焊工艺。在仰焊位置，由于焊接溶池在钢管的下部，熔化的钢液呈下落趋势，焊缝成形比较困难，焊接质量缺陷多数发生在这个部位，尤其是在根焊缝焊接时，焊接工具操作手法不当引起焊接工艺参数变化，将产生多种焊接质量缺陷。为保证钢管仰焊位置的焊接质量，只能采用结构复杂，价格昂贵的国外“自动根焊机”焊接根焊缝。采用这种焊接方式，需要购置结构复杂，价格昂贵的国外“自动根焊机”进行根焊缝焊接。虽然增加了焊接设备购置资金，但只解决了单面焊双面成型全位置焊工艺带来的技术问题，而不能最大限度地缩短钢管焊接时间；由于焊接的层数多，焊口加热时间长，热变形大，焊接内应力大；既影响管道的安全使用，又增加焊接工人的焊接工作量和劳动强度，影响管道安装工期。

发明内容

针对采用现有技术的气压焊、闪光焊、电弧焊焊接方法，在钢轨、圆钢、钢管对接焊中使用存在的不足，本发明的主要目的是：提供一种钢材感应加热固相焊接方法，实现钢材对接焊全端面同时焊接，缩短钢材对接焊焊接时间，提高钢材对接焊焊接质量和焊接生产效率；本发明的另一个目的是：提供一种实施钢材感应加热固相焊的对焊机床。

本发明的上述的目的是这样实现的，由机床机身，液压钢管对焊夹具，电动钢管对焊夹具，液压钢轨对焊夹具和电动钢轨对焊夹具组成对焊机床。

机床机身由左边副导轨、左边副滑轨、左边副导轨安装螺栓、机床床身、电气柜、焊接控制器、左边主导轨、左边主滑轨、左边感应加热变压器，左边主导轨安装螺栓、砂轮片、变速器、砂轮电机、刀架座、操作手轮、右边主导轨安装螺栓、右边感应加热变压器、右边主导轨、右边主滑轨、右边副滑轨、右边副导轨、右边副导轨安装螺栓、液压柜组成。

液压钢管对焊夹具由左边支承滑道、左边液压缸、左边支承轮、左边液压缸固定座、左边弧形连接板、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边液压缸固定座、右边支承轮、右边液压缸、右边支承滑道组成。

液压钢轨对焊夹具由左边支承架、左边液压缸、左边液压缸固定座、左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡、右边液压缸固定座、右边液压缸、右边支承架组成。

电动钢管对焊夹具由左边力矩电机、左边支承轮、左边力矩电机固定座、左边弧形连接板、左边感应加热变压器、左边感应加热圈、连接杆、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边感应加热变压器、右边力矩固定座、右边支承轮、右边力矩电机组成。

电动钢轨对焊夹具由左边力矩电机、左边力矩电机固定座、左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热变压器、左边感应加热圈、连接杆、右边感应加热圈、左边感应加热变压器、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡、右边力矩电机固定座、右边力矩电机组成。

本发明所述的钢材感应加热固相焊接方法是：

(1)、采用机械加工方法平整钢材端面，保证钢材端面垂直于钢材中心轴线；

(2)、钢材吊装上对焊机床，用支承滑道、支承架支承；

(3)、启动砂轮电机，砂轮片高速旋转，操作刀架对钢材待焊接端面进行清理；

(4)、在钢材待焊接端面处安装对焊夹具，对焊夹具的一边安装在一根钢材的待焊接端面处，对焊夹具的另一边安装在另一根钢材的待焊接端面处，紧固对焊夹具，两根钢材的待焊接端面通过对焊夹具连接在一起；

(5)、对焊夹具上一边并列安装的两只感应加热圈套装在一根钢材的待焊接端面处，对焊夹具上另一边并列安装的两只感应加热圈套装在另一根钢材的待焊接端面处；

(6)、一组并列的两只感应加热圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至一台感应加热电源，另一组并列的两只感应加热圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至另一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至另一台感应加热电源；

(7)、两组并列的两只感应加热圈中的另两只感应加热圈，分别用气管连接至保护气体输出气管；

(8)、操作焊接控制器输出控制信号，启动对焊夹具产生初始顶锻拉力，使两根钢材待焊接端面紧密接触；

(9)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到初始顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持初始顶锻力；

(10)、焊接控制器输出控制信号开启保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢材待焊接端面处喷保护气体，保护待焊接端面；

(11)、焊接控制器输出控制信号，启动感应加热电源向感应加热圈供电，将两根钢材待焊接端面在短时间内加热到热塑性状态；

(12)、焊接控制器输出控制信号，对焊夹具产生焊接顶锻拉力，将两根钢材待焊接端面焊接在一起；

(13)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到焊接顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持焊接顶锻力；

(14)、增大保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢材待焊接端面处喷保护气体，既保护焊口，又快速冷却焊口和焊接热影响区；

(15)、调整感应加热电源输出功率，再次向感应加热圈供电，对钢材焊口进行焊后热处理。

采用本发明的钢材感应加热固相焊接方法和对焊机床，实现了钢材对接固相焊接。由于钢材没有熔化，不存在凝固裂纹和气孔等缺陷，明显提高焊接接头力学性能；由于两根钢材端面是一起同时焊接，加热时间短，无焊接变形；不需要焊丝和保护气体，焊缝不会出现夹渣、气孔等缺陷，提高了焊接质量；焊接过程没有烟尘、飞溅和UV辐射，不污染环环境；实现了钢材焊接自动化；提高了焊接生产效率，降低了焊接成本；有利于降低工人的劳动强度，改善生产劳动条件，把工人从繁重的劳动中解脱出来。对焊夹具分体重量轻、便于移动，装配后结构紧凑，可根据钢材的种类改变组合，使焊接作业柔性化。以固化在焊接控制器内的控制软件，控制对焊机床进行焊接作业，降低了对焊机床的价格，使这一具有较高科技含量的低成本自动化产品能在中、小型企业内得到广泛的应用和推广。

附图说明

以下结合附图对本发明的实施例进行具体描述：

图1是采用本发明的对焊机床机身的视图。

图2是采用本发明的对焊机床液压钢管对焊夹具的视图。

图3是采用本发明的对焊机床液压钢轨对焊夹具的视图。

图4是采用本发明的对焊机床电动钢管对焊夹具的视图。

图5是采用本发明的对焊机床电动钢轨对焊夹具的视图。

图1中标号1是左边副导轨、2是左边副滑轨、3是机床床身、4是电气柜、5是控制面板、6是左边主导轨、7是左边主滑轨、8是左边感应加热变压器，9是左边主导轨安装螺栓、10是砂轮片、11是变速器、12是砂轮电机、13是刀架座、14是操作手轮、15是右边主导轨安装螺栓、16是右边感应加热变压器、17是右边主滑轨、18是右边副导轨、19是副导轨安装螺栓、20是液压柜。

图2中21左边钢管、22是左边支承滑道、23是左边液压缸、24是左边支承轮、25是左边液压缸固定座、26是左边弧形连接板、27是左边感应加热圈、28是活塞杆连接杆、29是右边感应加热圈、30是右边弧形连接板、31是右边液压缸固定座、32是右边支承轮、33是右边液压缸、34是右边支承滑道、35是右边钢管。

图3中标号50是左边钢轨、51是左边圆钢、52是左边支承架、53是左边液压缸、54是左边液压缸固定座、55是左边钢轨固定卡、56是左边圆钢固定座、57是左边感应加热圈、58是活塞杆连接杆、59是右边感应加热圈、60是右边圆钢固定座、61是右边钢轨固定卡、62是右边液压缸固定座、63是右边液压缸、65是右边支承架、66是右边圆钢、67是右边钢轨。

图4中标号70左边钢管、71是左边力矩电机、72是左边支承轮、73是左边力矩电机固定座、74是左边感应加热变压器、75是左边弧形连接板、76是左边感应加热圈、77是连接杆、78是右边感应加热圈、79是右边弧形连接板、80是右边感应加热变压器、81是右边力矩电机固定座、82是右边支承轮、83是右边力矩电机、84是焊接控制器、85是右边钢管。

图5中标号86是左边钢轨、87是左边圆钢、88是焊接控制器、89是左边力矩、90是左边感应加热变压器、91是左边支承支架、92是左边行走轮、93左边力矩电机固定座、94是左边圆钢固定座、95是左边钢轨固定卡、96是左边感应加热圈、97是连接杆、98是右边感应加热圈、99是右边圆钢固定座、100是右边钢轨固定卡、101是右边支承支架、102是右边力矩电机固定座、103是右边行走轮、104是右边感应加热变压器、105是右边力矩电机、106是右边圆钢、107是右边钢轨。

具体实施方式

实施例1

在固定的车间内进行钢管、钢轨、圆钢对接焊使用对焊机床，对焊机床包括机床机身和液压对焊夹具两部分。

如图1所示，机床机身由左边副导轨安装螺栓、左边副导轨、左边副滑轨、左边主导轨、左边主滑轨、机床床身、电气柜、焊接控制器、左边感应加热变压器，左边主导轨安装螺栓、砂轮片、变速器、砂轮电机、刀架座、操作手轮、右边主导轨安装螺栓、右边感应加热变压器、右边主滑轨、右边主导轨、右边副滑轨、右边副导轨、右边副导轨安装螺栓、液压柜组成。

左边副导轨、左边主导轨、右边主导轨、右边副导轨具有相同的结构，截面形状为“T”子形。采用钢板制作，加工后焊接在机床机身上。

左边副滑轨、左边主滑轨、右边主滑轨、右边副滑轨具有相同的结构，截面形状为“门”子形。采用钢板制作，加工后扣装在“T”子形的导轨上，用螺栓安装滑条在滑轨上。

刀架座采用机床的标准附件，用螺钉安装在机床床身上。

机床床身采用槽钢制作，焊接成长方形的框架。

电气柜由槽钢、加强筋板组成，槽钢、加强筋板焊接成槽钢矩形框架，矩形框架的一个立平面上加工安装园孔安装电气控制板。电气柜主电路接线是：动力电源经电缆进入电气柜，分别接旋入式保险器的一端，旋入式保险器的另一端依次分别接液压泵交流接触器、感应加热交流接触器的主触头的一端，主触头的另一端依次分别接液压泵驱动电机，感应加热开关。

液压柜由槽钢、加强筋板组成，槽钢、加强筋板焊接成槽钢矩形框架。液压柜内安装由油箱、液压泵、交流电机、压力控制阀、两位四通电磁换向阀、管路配件组成的标准液压站。

如图1所示，以电气柜、液压柜为对焊机床机座，电气柜、液压柜上端面焊接安装机床床身，机床床身上分别焊接安装左边副导轨、左边主导轨、右边副导轨、右边主导轨，左边副滑轨、左边主滑轨、右边副滑轨、右边主滑轨用螺栓分别安装在左边副导轨、左边主导轨、右边副导轨、右边主导轨上。刀架座用螺钉安装在机床床身上，砂轮片、变速器、砂轮电机、操作手轮用螺栓安装在刀架座上。焊接控制器用螺栓安装在机床床身上，左边感应加热变压器、右边感应加热变压器用螺栓安装在机床床身上。

感应加热变压器由外壳、加热变压器、电容器、半导体制冷芯片、散热片、冷却风扇、循环风扇、循环风管、聚胺脂泡沫组成。具体结构是：在外壳的后端侧面开孔安装冷却风扇和通风口。在长方体外壳的中后端用两铜板分隔为两部分，两分隔铜板间加聚胺脂泡沫隔热，铜板上安装半导体制冷芯片，半导体制冷芯片上安装散热片，半导体制冷芯片热端经冷却风扇鼓风从通风口排除热量，半导体制冷芯片冷端经循环风扇鼓风向长方体外壳的前端、加热变压器初级线圈、次级线圈提供冷量冷却。半导体制冷芯片、冷却风扇、循环风扇并接后的两接线端，用电线分别连接到面板上的两个低压电源接线柱。加热变压器用铜螺栓、绝缘板安装在长方体外壳内的前端，加热变压器初级线圈串联接入电容器后用电缆连接到面板上的高压接线柱上。加热变压器次级线圈通过两个铜管接头连接到外壳前面板接线柱上。加热变压器侧面前端安装循环风扇、循环风管，循环风管用铜螺栓安装，循环风管通过铜管接头连接到外壳前面板，循环风管与循环风管之间通过管接头连接，加热变压器侧面后端安装电容器。

感应加热固相焊接的控制，主要是对感应加热电源、液压泵、电磁换向阀、力矩电机的控制，采用手动控制器和单片机控制器并行控制。焊接控制器由手动控制器和单片机控制器组成，手动控制器和单片机控制器安装在焊接控制器内，手动控制元件安装在手动控制器盒内，单片机控制元件安装在单片机控制器盒内。

手动控制器由感应加热电源、液压泵电机、力矩电机、电磁换向阀工作指示灯，感应加热启动按钮、液压泵启动按钮、力矩电机启动按钮、旋入式保险器、中间继电器组成。手动控制器为长方体形状，面板与盒体铰链连接。面板上部安装感应加热电源、液压泵电机、力矩电机、电磁换向阀工作指示灯，感应加热启动按钮、液压泵启动按钮、力矩电机启动按钮。面板下部对应安装电源开关、旋入式保险器、中间继电器。控制电路接线是：电源开关的一端接36伏电压输入，电源开关的另一端作为控制电源分别连接液压泵中间接触器、感应加热中间接触器、力矩电机中间继电器、电磁换向阀中间继电器的控制线圈，使中间接触器触头通、断。中间继电器触头的一端接36伏电压，中间继电器触头的另一端用导线引出，分别接至焊接控制器中对应的液压泵交流接触器、感应加热交流接触器、力矩电机交流接触器、电磁换向阀交流接触器的控制线圈。

单片机控制器由单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路组成，单片机控制盒为长方体形状，面板与盒体铰链连接。面板上安装启动、停止按钮、启动指示灯、停止指示灯，感应加热电源、液压泵电机、力矩电机、电磁换向阀工作指示灯，启动指示灯、停止指示灯接入单片机系统供电回路。单片机系统的单片机芯片选用AT89C51，可编程输入输出接口芯片选用82C55，地址锁存器选用74LS373，地址译码器选用74LS138，程序存贮器选用2764。输入接口电路二组，以一组为例，光电耦合隔离选用4N25，输入端口光电检测选用TIO20，输入插口选用单列三脚插座。输出功率驱动电路十二组，以一组为例，光电耦合隔离选用两只4N25，集成驱动选用74LS06，开关控制管选用TIP127，输出插口选用单列五脚插座。单片机系统，两组光电耦合检测器的输入接口电路，十二组输出功率驱动电路，都分别单独制作单元电路板，安装在单片机控制器内。单片机系统与两组光电耦合检测器的输入接口电路，十二组输出功率驱动电路，通过双列二十四脚插座连接。

在选定单片机芯片、输入输出接口芯片、地址锁存器、地址译码器、程序存贮器后，地址总线、数据总线、控制总线、片选信号连接，本专业的技术人员可按规定连接，不再赘述。仅对可编程输入输出接口82C55的地址分配，输入接口、输出功率驱动单元电路作说明。82C55的每一路输入、输出端口均经光电耦合隔离与外围电路连接。82C55的PA0至PA7口作电磁铁和力矩电机正转控制，PB0至PB7作力矩电机反转控制；PC0至PC2口作开关控制；PC3口接光电耦合检测器，PC4口接光电耦合检测器，82C55的其它输入、输出端口预留。输入接口电路二组，以一组为例，光电耦合隔离选用4N25，输入端口光电检测选用TIO20，输入插口选用单列三脚插座。输出功率驱动单元电路板，都具有相同的电路结构，以一组为例：82C55端口输出的信号接光电耦合4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06的一个单元，推动一只开关放大管TIP127，放大管TIP127的开关回路中串联中间接触器的控制线圈，控制中间接触器的控制线圈得电或断电，使中间接触器触头闭合或断开。中间接触器触头的一端接36伏电压，中间接触器触头的另一端用导线引出，分别接至焊接控制器中对应的液压泵交流接触器、感应加热交流接触器、力矩电机交流接触器、电磁换向阀交流接触器的控制线圈，控制液压泵交流接触器、感应加热交流接触器、力矩电机交流接触器、电磁换向阀交流接触器的主触头闭合或断开，进而控制液压泵驱动电机、感应加热电源、力矩电机、电磁换向阀启动或停止，完成对接焊。感应加热电源、液压泵、力矩电机、电磁换向阀的工作指示灯、分别并接在各自的中间接触器控制线圈的两端。

单片机控制器采用两组蓄电池分别供电，一组电压为12V的蓄电池供单片机系统，一组电压为24V的蓄电池供输入接口电路、输出功率驱动电路，将单片机系统和输入接口电路、输出功率驱动电路从电路上隔离。

焊接自动控制是基于单片机的全软件开环控制，由固化的焊接程序控制，焊接控制器具有两种功能：作可编程控制器对完成焊接过程作顺序控制；在各个工序中，输出控制信号，对执行元件液压泵电机、感应加热开关、电磁铁、力矩电机进行控制。焊接控制器还具有另一种功能：热电偶输入信号经输入接口电路输入单片机系统，单片机系统输出的控制信号，经输出功率驱动电路直接驱动交流接触器、感应加热开关、电磁换向阀、力矩电机。焊接控制器为模块结构，输出的控制信号通过插座和插头，可以快速连接到交流接触器、感应加热开关、电磁换向阀、力矩电机的控制线圈上，以适应焊接方式的改变。

如图1所示，焊接控制器为长方体形状，面板与盒体铰链连接。盒体内安装液压泵交流接触器、感应加热交流接触器、电磁换向阀交流接触器、力矩电机交流接触器、降压变压器。主电路接线是：动力电源经电缆进入电气柜，分别接旋入式保险器的一端，旋入式保险器的另一端分别接液压泵交流接触器、感应加热交流接触器、电磁换向阀交流接触器、力矩电机交流接触器主触头的一端，主触头另一端的电缆穿入电流互感器的磁环后，分别接液压泵驱动电机、感应加热电源开关、电磁换向阀、力矩电机，磁环上的次级线圈连接到单片机的输入端口。降压变压器初级接入主电路，次级36伏电压用导线引出，分别引到手动控制器内、单片机控制器内，作为中间接触器控制线圈电压，中间接触器触头输出电压。

如图2所示，液压钢管对焊夹具由左边支承滑道、左边液压缸、左边支承轮、左边液压缸固定座、左边弧形连接板、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边液压缸固定座、右边支承轮、右边液压缸、右边支承滑道组成。

液压钢管对焊夹具为对称结构，由两组结构完全相同的部件组成。

支承滑道由圆环形滑道和驱动滚轮组成。圆环形滑道采用钢管制作，在直径处分成两个半圆环，中分面处焊接加工了圆孔的安装板。驱动滚轮由滚轮支架、滚轮、滚轮电机组成。滚轮支架采用钢板加工成三角形，两个三角板焊接在圆环形滑道上组成滚轮支架。支架上安装滚轮，滚轮外圆周包裹摩擦带，滚轮轴与滚轮电机轴连接。两组驱动滚轮焊接安装在一半圆环形滑道上，另一个滚轮焊接安装在另一般圆环形滑道上。

液压缸固定座采用钢板制作成长方体，长方体加工安装液压缸的圆孔，与圆孔垂直的平面加工固定液压缸的螺纹孔。

弧形连接板采用钢板制作，加工成与钢管同圆心的分段弧形板。

支承轮由轮子、轮子支架、螺杆、螺母、手轮、支架组成。轮子外包橡胶安装在轮子支架内，螺杆一端焊接在轮子支架上，支架内嵌入螺母，螺母外圆焊接手轮。支承轮支架通过焊接在弧形连接板上。

液压缸选用定型标准件，在活塞杆前端加工外螺纹，用20号圆钢加工活塞杆连接杆，活塞杆连接杆两端加工内螺纹。

感应加热圈用矩形截面铜管制作，加工成两个半圆环形，在感应加热圈的内表面加工小孔，两个半圆环形感应加热圈的两端焊接铜板制作的连接板。两只感应加热圈中间用绝缘材料隔离，用粘接剂将两只感应加热圈并列粘接在一起。其中一只感应加热圈的两端焊接保护气体管接头，另一只感应加热圈两端分别连接感应加热变压器次级线圈的两端。

如图2所示，用多个弧形连接板焊接连接多个液压缸固定座，组装成与钢管同圆心的圆环形对焊夹具。圆环形对焊夹具在直径中分面处分成两个半圆环形的对焊夹具，两个半圆环形对焊夹具的一端焊接活动铰链，活动铰链为插入可拆式，由圆柱销、弧形铰链板组成。两个半圆环形对焊夹具的另一端焊接紧固板，紧固板上加工圆孔。在两个圆环形对焊夹具的液压缸固定座中安装液压缸，活塞杆连接杆两端的内螺母分别旋入活塞杆的外螺纹，两个圆环形对焊夹具被连接在一起。感应加热圈用螺栓和绝缘板，固定在圆环形对焊夹具上组装成液压钢管对焊夹具。

如图3所示，液压钢轨对焊夹具由左边支承架、左边液压缸、左边液压缸固定座、左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡、右边液压缸固定座、右边液压缸、右边支承架组成。

液压钢轨对焊夹具为对称结构，由两组结构完全相同的部件组成。

支承支架用钢板制作成钢轨截面形状的机架，在中分面处分开，在处分成两个半圆环，中分面处焊接加工了圆孔的安装板。

液压缸固定座采用钢板制作成长方体，长方体加工安装液压缸的圆孔，与圆孔垂直的平面上，加工固定液压缸的螺纹孔。

钢轨固定卡采用钢板制作，内面加工成钢轨截面形状，在上部分开，上、下两部分用螺栓连接，两侧面加工安装液压缸的圆孔。

液压缸选用定型标准件，在活塞杆前端加工外螺纹，用20号圆钢加工活塞杆连接杆，活塞连接杆两端加工内螺纹。

感应加热圈用矩形截面铜管制作，加工成钢轨截面形状，在感应加热圈内表面加工小孔，钢轨截面形状的感应加热圈分成左、右两部分，感应加热圈两端焊接铜板制作的连接板。两只感应加热圈中间用绝缘材料隔离，用粘接剂将两只感应加热圈并列粘接在一起。其中一只感应加热圈的两端焊接保护气体管接头，另一只感应加热圈两端分别连接感应加热变压器次级线圈的两端。

如图3所示，液压缸穿入钢轨固定卡侧面安装液压缸的圆孔、液压缸固定座的圆孔内，活塞杆连接杆两端的内螺母，分别旋入活塞杆的外螺纹，两个对焊夹具被连接在一起。感应加热圈用螺栓，固定在活塞杆连接杆上的绝缘套上组装成液压钢轨对焊夹具。

如图2、图3所示，根据焊接钢材的类型，液压钢管对焊夹具用主导轨安装螺栓安装在左边主滑轨、右边主滑轨上，左边感应加热变压器的次级线圈用铜板，连接到液压钢管对焊夹具上的左边感应加热圈，右边感应加热变压器的次级线圈用铜板，连接到液压钢管对焊夹具上的右边感应加热圈，对钢管进行对接焊焊接。液压钢轨对焊夹具用主导轨安装螺栓安装在左边主滑轨、右边主滑轨上，左边感应加热变压器的次级线圈用铜板，连接到液压钢轨对焊夹具上的左边感应加热圈，右边感应加热变压器的次级线圈用铜板，连接到液压钢轨对焊夹具上的右边感应加热圈，对钢轨进行对接焊焊接。

实施例2

在野外施工现场进行钢管、钢轨、圆钢对接焊，使用电动对焊夹具。

如图4所示，电动钢管对焊夹具由左边力矩电机、左边支承轮、左边力矩电机固定座、左边弧形连接板、左边感应加热变压器、左边感应加热圈、连接杆、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边感应加热变压器、右边力矩电机固定座、右边支承轮、右边力矩电机组成。

电动钢管对焊夹具的左边支承轮、左边弧形连接板、左边感应加热圈、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边支承轮的结构和液压钢管对焊夹具相应部件一样，左边感应加热变压器、右边感应加热变压器和对焊机床的感应加热变压器的结构一样，所不同之处只是以力矩电机代替液压缸驱动对焊夹具动作。

力矩电机选用符合国家标准的标准件。

力矩电机固定座采用钢板制作成长方体，长方体内加工安装平面推力轴承的带台阶的圆孔，台阶阻挡平面推力轴承的移动，与圆孔垂直的，放入平面推力轴承的平面上，加工固定力矩电机的螺纹孔。

连接杆采用45号圆钢制作，一端加工左旋梯形螺纹，另一端加工右旋梯形螺纹。一个左旋梯形螺母采用黄铜加工，压装在45号圆钢加工的螺母连接套的一端内，螺母连接套的另一端加工与力矩电机输出轴连接的键槽。一个右旋梯形螺母采用黄铜加工，压装在45号圆钢加工的螺母连接套的端内，螺母连接套的另一端加工与力矩电机输出轴连接的键槽。

如图4所示，用多个弧形连接板焊接连接多个力矩电机固定座，组装成与钢管同圆心的圆环形对焊夹具。圆环形对焊夹具在直径中分面处分成两个半圆环形的对焊夹具，两个半圆环形对焊夹具的一端焊接活动铰链，活动铰链为插入可拆式，由圆柱销、弧形铰链板组成。两个半圆环形对焊夹具的另一端焊接紧固板，紧固板上加工圆孔。在两个圆环形对焊夹具的力矩固定座中安装平面推力轴承，螺母连接套穿入平面推力轴承的内孔，螺母连接套的一端加工的键槽与力矩电机输出连接。连接杆两端的外螺纹分别旋入螺母，两个圆环形对焊夹具被连接在一起。感应加热圈用螺栓和绝缘板，固定在圆环形对焊夹具上组装成钢管对焊夹具。

如图5所示，电动钢轨对焊夹具由左边力矩电机、左边力矩电机固定座、左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热变压器、左边感应加热圈、右边感应加热圈、右边感应加热变压器、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡、右边力矩电机固定座、右边力矩电机组成。

电动钢轨对焊夹具的左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热圈、右边感应加热圈、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡的结构和液压钢轨对焊夹具相应部件一样，左边感应加热变压器、右边感应加热变压器和对焊机床的感应加热变压器的结构一样，所不同之处只是以力矩电机代替液压缸驱动对焊夹具动作。

力矩电机选用符合国家标准的标准件。

力矩电机固定座采用钢板制作成长方体，长方体内加工安装平面推力轴承的带台阶的圆孔，台阶阻挡平面推力轴承的移动，与圆孔垂直的，放入平面推力轴承的平面上，加工固定力矩电机的螺纹孔。

连接杆采用45号圆钢制作，一端加上左旋梯形螺纹，另一端加工右旋梯形螺纹。一个左旋梯形螺母采用黄铜加工，压装在45号圆钢加工的螺母连接套的一端内，螺母连接套的另一端加工与力矩电机输出轴连接的键槽。一个右旋梯形螺母采用黄铜加工，压装在45号圆钢加工的螺母连接套的一端内，螺母连接套的另一端加工与力矩电机输出轴连接的键槽。

如图5所示，在力矩电机固定座中安装平面推力轴承，螺母连接套穿入平面推力轴承的内孔，螺母连接套的一端加工的键槽与力矩电机输出连接。连接杆两端的外螺纹分别旋入螺母，两个对焊夹具被连接在一起。感应加热圈用螺栓固定在连接杆上的绝缘套上组装成电动钢轨对焊夹具。

采用感应加热固相焊接方法进行钢管、钢轨、圆钢的对接焊，都沿钢材端面处理→安装对焊夹具→初始顶锻→加热焊接端面→焊接顶锻→焊后热处理的焊接工序进行。

如图2和图4所示，使用液压钢管对焊夹具、电动钢管对焊夹具进行钢管对接焊，按以下工序进行：

(1)、采用机械加工方法平整钢管端面，保证钢管端面垂直于钢管中心轴线；

(2)、钢管吊装上对焊机床，用支承滑道支承；

(3)、启动砂轮电机，砂轮片高速旋转，操作刀架对钢管待焊接端面进行清理；

(4)、在钢管待焊接端面处安装对焊夹具，对焊夹具的一边安装在一根钢管的待焊接端面处，对焊夹具的另一边安装在另一根钢材管的待焊接端面处，紧固对焊夹具，两根钢管的待焊接端面通过对焊夹具连接在一起；

(5)、对焊夹具上一边并列安装的两只感应加热圈套装在一根钢管的待焊接端面处，对焊夹具上另一边并列安装的两只感应加热圈套装在另一根钢管的待焊接端面处；

(6)、一组并列的两只感应加热线圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至一台感应加热电源。另一组并列的两只感应加热线圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至另一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至另一台感应加热电源；

(7)、两组并列的两只感应加热圈中的另两只感应加热圈，分别用气管连接至保护气体输出气管；

(8)、操作焊接控制器输出控制信号，启动对焊夹具产生初始顶锻拉力，使两根钢管待焊接端面紧密接触；

(9)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到初始顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持初始顶锻力；

(10)、焊接控制器输出控制信号开启保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢管待焊接端面处喷保护气体，保护待焊接端面；

(11)、焊接控制器输出控制信号，启动感应加热电源向感应加热圈供电，将两根钢管待焊接端面在短时间内加热到热塑性状态；

(12)、焊接控制器输出控制信号，对焊夹具产生的焊接顶锻拉力，将两根钢管待焊接端面焊接在一起；

(13)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到焊接顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持焊接顶锻力；

(14)、增大保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢管待焊接端面处喷保护气体，既保护焊口，又快速冷却焊口和焊接热影响区；

(15)、调整感应加热电源输出功率，再次向感应加热线圈供电，对钢管焊口进行焊后热处理。

如图3和图5所示，使用液压钢轨对焊夹具、电动钢轨对焊夹具进行钢轨对接焊，按以下工序进行：

(1)、采用机械加工方法平整钢轨端面，保证钢轨端面垂直于钢轨中心轴线；

(2)、钢轨吊装上对焊机床，用支承架支承；

(3)、启动砂轮电机，砂轮片高速旋转，操作刀架对钢轨待焊接端面进行清理；

(4)、在钢轨待焊接端面处安装对焊夹具，对焊夹具的一边安装在一根钢轨的待焊接端面处，对焊夹具的另一边安装在另一根钢材管的待焊接端面处，紧固对焊夹具，两根钢轨的待焊接端面通过对焊夹具连接在一起；

(5)、对焊夹具上一边并列安装的两只感应加热圈套装在一根钢轨的待焊接端面处，对焊夹具上另一边并列安装的两只感应加热圈套装在另一根钢轨的待焊接端面处；

(6)、一组并列的两只感应加热线圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至一台感应加热电源。另一组并列的两只感应加热线圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至另一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至另一台感应加热电源；

(7)、两组并列的两只感应加热圈中的另两只感应加热圈，分别用气管连接至保护气体输出气管；

(8)、操作焊接控制器输出控制信号，启动对焊夹具产生初始顶锻拉力，使两根钢轨待焊接端面紧密接触；

(9)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到初始顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持初始顶锻力；

(10)、焊接控制器输出控制信号开启保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢轨待焊接端面处喷保护气体，保护待焊接端面；

(11)、焊接控制器输出控制信号，启动感应加热电源向感应加热圈供电，将两根钢轨待焊接端面在短时间内加热到热塑性状态；

(12)、焊接控制器输出控制信号，对焊夹具产生的焊接顶锻拉力，将两根钢轨待焊接端面焊接在一起；

(13)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到焊接顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持焊接顶锻力；

(14)、增大保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢轨待焊接端面处喷保护气体，既保护焊口，又快速冷却焊口和焊接热影响区；

(15)、调整感应加热电源输出功率，再次向感应加热线圈供电，对钢轨焊口进行焊后热处理。

在上述的对接焊过程中，液压对焊夹具是利用液压油进入液压缸头端，推动活塞杆移动，因同轴连接的活塞杆不能移动，液压缸体作相对移动。液压缸体紧固在钢管外壁上或者紧固在钢轨固定卡上，带动钢管或者钢轨移动产生顶锻拉力。电动对焊夹具是利用力矩电机驱动螺母旋转，因同轴连接的连接杆不能移动，力矩电机体作相对移动。力矩电机体紧固在钢管外壁上或者紧固在钢轨固定卡上，带动钢管或者钢轨移动产生顶锻拉力。

如图3和图5所示，对圆钢进行对接焊，钢轨是导向部件，圆钢放置在圆钢固定座内，紧固圆钢固定座螺栓将圆钢固定，焊接操作和过程和钢轨对接焊完全相同。

如图3和图5所示，制作不同截面形状的固定卡和感应加热圈，还可以对工字钢、槽钢等钢材进行对接焊，焊接操作和过程和钢轨对接焊完全相同。

在上述的焊接操作中，可以手动操作或者自动操作。手动操作由工人直接按动液压泵、电磁换向阀、力矩电机、感应加热电源的按钮，启动或者停止，进行钢材对接焊接。自动操作只由工人按动启动按钮，由单片机控制器控制液压泵、电磁换向阀、力矩电机、感应加热电源的启动或者停止，进行钢材对接焊接。

以上所述的仅是采用本发明原理，实现以感应加热固相焊接方式焊接钢管、钢轨、圆钢等钢材的优化实施例。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，以至开发出其它的机电一体化产品，也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钢材感应加热固相焊接方法，其特征是所述的钢材感应加热固相焊接方法包括：

(1)、采用机械加工方法平整钢材端面，保证钢材端面垂直于钢材中心轴线；

(2)、钢材吊装上对焊机床，用支承滑道、支承架支承；

(3)、启动砂轮电机，砂轮片高速旋转，操作刀架对钢材待焊接端面进行清理；

(4)、在钢材待焊接端面处安装对焊夹具，对焊夹具的一边安装在一根钢材的待焊接端面处，对焊夹具的另一边安装在另一根钢材的待焊接端面处，紧固对焊夹具，两根钢材的待焊接端面通过对焊夹具连接在一起；

(5)、对焊夹具上一边并列安装的两只感应加热圈套装在一根钢材的待焊接端面处，对焊夹具上另一边并列安装的两只感应加热圈套装在另一根钢材的待焊接端面处；

(6)、一组并列的两只感应加热圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至一台感应加热电源，另一组并列的两只感应加热圈中的一只感应加热圈，用电缆连接至另一台感应加热变压器次级，这台感应加热变压器初级用电缆连接至另一台感应加热电源；

(7)、两组并列的两只感应加热圈中的另两只感应加热圈，分别用气管连接至保护气体输出气管；

(8)、操作焊接控制器输出控制信号，启动对焊夹具产生初始顶锻拉力，使两根钢材待焊接端面紧密接触；

(9)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到初始顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持初始顶锻力；

(10)、焊接控制器输出控制信号开启保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢材待焊接端面处喷保护气体，保护待焊接端面；

(11)、焊接控制器输出控制信号，启动感应加热电源向感应加热圈供电，将两根钢材待焊接端面在短时间内加热到热塑性状态；

(12)、焊接控制器输出控制信号，对焊夹具产生焊接顶锻拉力，将两根钢材待焊接端面焊接在一起；

(13)、电流互感器检测对焊夹具驱动电动机工作电流，达到焊接顶锻力时，电流互感器输出控制信号到焊接控制器，焊接控制器输出控制信号，对焊夹具保持焊接顶锻力；

(14)、增大保护气体，从感应加热圈的内表面向两根钢材待焊接端面处喷保护气体，既保护焊口，又快速冷却焊口和焊接热影响区；

(15)、调整感应加热电源输出功率，再次向感应加热圈供电，对钢材焊口进行焊后热处理。

2.一种实现权利要求1所述的钢材感应加热固相焊接方法的对焊机床，所述的对焊机床包括机床机身，其特征是具有液压钢管对焊夹具，电动钢管对焊夹具，液压钢轨对焊夹具和电动钢轨对焊夹具；机床机身由左边副导轨、左边副滑轨、左边主导轨、左边主滑轨、机床床身、电气柜、焊接控制器、左边感应加热变压器，左边主导轨安装螺栓、刀架座、右边主导轨安装螺栓、右边感应加热变压器、右边主导轨、右边主滑轨、右边副导轨、右边副滑轨、液压柜组成；电气柜、液压柜上端面焊接安装机床床身，机床床身上分别焊接安装左边副导轨、左边主导轨、右边副导轨、右边主导轨，左边副滑轨、左边主滑轨、右边副滑轨、右边主滑轨用螺栓分别安装在左边副导轨、左边主导轨、右边副导轨、右边主导轨上，刀架座用螺钉安装在机床床身上，砂轮片、变速器、砂轮电机、操作手轮用螺栓安装在刀架座上，焊接控制器用螺栓安装在机床床身上，左边感应加热变压器、右边感应加热变压器用螺栓安装在机床床身上。

3.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是机床机身的感应加热变压器由外壳、加热变压器、电容器、半导体制冷芯片、散热片、冷却风扇、循环风扇、循环风管、聚胺脂泡沫组成；具体结构是：在外壳的后端侧面开孔安装冷却风扇和通风口，在长方体外壳的中后端用两铜板分隔为两部分，两分隔铜板间加聚胺脂泡沫隔热，铜板上安装半导体制冷芯片，半导体制冷芯片上安装散热片，半导体制冷芯片热端经冷却风扇鼓风从通风口排除热量，半导体制冷芯片冷端经循环风扇鼓风向长方体外壳的前端、加热变压器初级线圈、次级线圈提供冷量；半导体制冷芯片、冷却风扇、循环风扇并接后的两接线端，用电线分别连接到面板上的两个低压电源接线柱，加热变压器用铜螺栓、绝缘板安装在长方体外壳内的前端，加热变压器初级线圈串联接入电容器后用电缆连接到面板上的高压接线柱上，加热变压器次级线圈通过两个铜管接头连接到外壳前面板接线柱上；加热变压器侧面前端安装循环风扇、循环风管，循环风管用铜螺栓安装，循环风管通过铜管接头连接到外壳前面板，循环风管与循环风管之间通过管接头连接，加热变压器侧面后端安装电容器。

4.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是液压钢管对焊夹具由左边液压缸、左边支承轮、左边液压缸固定座、左边弧形连接板、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边液压缸固定座、右边支承轮、右边液压缸组成；具体结构是：多个弧形连接板焊接连接多个液压缸固定座，组装成与钢管同圆心的圆环形对焊夹具，圆环形对焊夹具在直径中分面处分成两个半圆环形的对焊夹具，两个半圆环形对焊夹具的一端焊接活动铰链，活动铰链为插入可拆式，由圆柱销、弧形铰链板组成，两个半圆环形对焊夹具的另一端焊接紧固板，紧固板上加工圆孔，在两个圆环形对焊夹具的液压缸固定座中安装液压缸，活塞杆连接杆两端的内螺母分别旋入活塞杆的外螺纹，感应加热圈用螺栓和绝缘板，固定在圆环形对焊夹具上。

5.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是液压钢轨对焊夹具由左边液压缸、左边液压缸固定座、左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热圈、活塞杆连接杆、右边感应加热圈、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡、右边液压缸固定座、右边液压缸组成；具体结构是：液压缸穿入钢轨固定卡侧面安装液压缸的圆孔、液压缸固定座的圆孔内，活塞杆连接杆两端的内螺母，分别旋入活塞杆的外螺纹，感应加热圈用螺栓，固定在活塞杆连接杆上的绝缘套上。

6.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是电动钢管对焊夹具由左边力矩电机、左边支承轮、左边力矩电机固定座、左边弧形连接板、左边感应加热变压器、左边感应加热圈、连接杆、右边感应加热圈、右边弧形连接板、右边感应加热变压器、右边力矩电机固定座、右边支承轮、右边力矩电机组成；具体结构是：多个弧形连接板焊接连接多个力矩电机固定座，组装成与钢管同圆心的圆环形对焊夹具，圆环形对焊夹具在直径中分面处分成两个半圆环形的对焊夹具，两个半圆环形对焊夹具的一端焊接活动铰链，活动铰链为插入可拆式，由圆柱销、弧形铰链板组成，两个半圆环形对焊夹具的另一端焊接紧固板，紧固板上加工圆孔，在两个圆环形对焊夹具的力矩电机固定座中安装平面推力轴承，螺母连接套穿入平面推力轴承的内孔，螺母连接套的一端加工的键槽与力矩电机输出连接，连接杆两端的外螺纹分别旋入螺母，感应加热圈用螺栓和绝缘板，固定在圆环形对焊夹具上。

7.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是电动钢轨对焊夹具由左边力矩电机、左边力矩电机固定座、左边钢轨固定卡、左边圆钢固定座、左边感应加热变压器、左边感应加热圈、右边感应加热圈、右边感应加热变压器、右边圆钢固定座、右边钢轨固定卡、右边力矩电机固定座、右边力矩电机组成；具体结构是：在力矩电机固定座中安装平面推力轴承，螺母连接套穿入平面推力轴承的内孔，螺母连接套的一端加工的键槽与力矩电机输出连接，连接杆两端的外螺纹分别旋入螺母，感应加热圈用螺栓固定在连接杆上的绝缘套上。

8.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是液压钢管对焊夹具的感应加热圈用矩形截面铜管制作，加工成两个半圆环形，在感应加热圈内表面加工小孔，两个半圆环形感应加热圈的两端焊接铜板制作的连接板，两只感应加热圈中间用绝缘材料隔离，用粘接剂将两只感应加热圈并列粘接在一起。

9.如权利要求2所述的对焊机床，其特征是液压钢轨对焊夹具的感应加热圈用矩形截面铜管制作，加工成钢轨截面形状，在感应加热圈内表面加工小孔，钢轨截面形状的感应加热圈分成左、右两部分，感应加热圈两端焊接铜板制作的连接板，两只感应加热圈中间用绝缘材料隔离，用粘接剂将两只感应加热圈并列粘接在一起。

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