管道全位置自动焊接技术

fanjif

曾惠林　黄福祥　闫政一

　　摘　要　介绍了管道全位置自动焊接装置的组成和结构，分析了常用于管道焊接的自动焊接工艺和气体保护工艺的特点及存在的问题，提出了对焊过程中焊接小车的行走速度、送丝速度及焊枪左右振动频率的控制方法。
　　
　　目前，管道施工已逐渐从手工焊接向全自动焊接方向发展，因此，管道全位置自动焊接装置的研制就具有十分重要的意义。管道全位置自动焊接就是指在管道相对固定的情况下，焊接小车带动焊枪沿轨道围绕管壁运动，从而实现自动焊接。一般而言，全位置自动焊接装置由焊接小车、行走轨道、自动控制系统等部分组成。研制全位置自动焊接装置的目的就是为了提高焊接质量和劳动生产率、减轻工人的劳动强度。
　　焊接小车是实现自动焊接过程的驱动机构，它安装在焊接轨道上，带着焊枪沿管壁作圆周运动，是实现管口自动焊接的重要环节之一。焊接小车应具有外形美观、体积小、重量轻、操作方便等特点。它的核心部分是行走机构、送丝机构和焊枪摆动调节机构。行走机构由电机和齿轮传动机构组成，为使行走电机执行计算机控制单元发出的位置和速度指令，电机应带有测速反馈机构，以保证电机在管道环缝的各个位置准确对位，而且具有较好的速度跟踪功能。送丝机构必须确保送丝速度准确稳定，具有较小的转动惯量，动态性能较好，同时应具有足够的驱动转矩。而焊枪摆动调节机构应具有焊枪相对焊缝左右摆动、左右端停留、上下左右姿态可控、焊枪角度可以调节的功能。焊接小车的上述各个部分，均由计算机实现可编程的自动控制，程序启动后，焊接小车各个部分按照程序的逻辑顺序协调动作。在需要时也可由人工干预焊接过程，而此时程序可根据干预量自动调整焊接参数并执行。
　　轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构，因此轨道的结构直接影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，也就影响到焊接质量。轨道应满足下列条件：
　　(1)装拆方便、易于定位；
　　(2)结构合理、重量较轻；
　　(3)有一定的强度和硬度，耐磨、耐腐蚀。
　　国际上通常使用的轨道不外乎为柔性轨道和刚性轨道两种。所谓刚性轨道就是指轨道的本体刚度较大、不易变形，而柔性轨道则是相对刚性轨道而言。两种类型的轨道各自有各自的特点。刚性轨道定位准确、装卡后变形小，可以确保焊接小车行走平稳，焊接时焊枪径向调整较小，但重量较大、装拆不方便。而柔性轨道装拆方便、重量较轻，精度没有刚性轨道高。
　　送丝的平稳程度直接影响焊接质量。送丝方式可以简单分为拉丝和推丝两种方式。由于拉丝时焊枪离送丝机的安装位置较近，焊接过程中焊丝离开送丝机后受到的阻力较小，因此可以保证送丝过程平稳，但送丝机和焊丝盘均须安装在焊接小车之上，增加了焊接小车的重量，给人工装拆增加了困难，重量增加还容易造成焊接小车行走不平稳。使用直径为0.8mm或1.0mm的小盘焊丝(重量约为5kg)减轻了焊接小车的重量和负载，又使得焊接过程容易控制，但对焊接效率有一定的影响。采用推丝方式时，将送丝机构安装于焊接小车之外，减小了焊接小车的体积和重量，可以使用大功率的送丝机和直径为1.2mm的大盘焊丝(重量约为20kg)，从而提高焊接效率。然而，由于推丝时送丝机离焊枪较远，两者之间须有送丝软管相连，当焊丝被连续推送到焊枪嘴处时，焊丝受到的摩擦阻力较大，而且，焊接过程中送丝软管的弯曲度对送丝的平稳程度有一定的影响，严重时造成送丝不畅，因此使用推丝时须充分考虑上述因素。
　　埋弧自动焊、气体保护焊、摩擦焊、电渣焊等焊接工艺在管道焊接方面均十分普及。目前，除采用手工焊接外，管道焊接较多的是采用埋弧自动焊接工艺和气体保护焊工艺。
　　埋弧自动焊有焊缝成型好、焊接效率高、焊接成本低等特点，对于管道施工而言，埋弧自动焊可用于双管联焊，简称“二接一”，即焊枪固定在某一位置，管子转动。显然长距离管道焊接时不可能让管子转动，因而“二接一”只能用于管子的预制。如果管道全位置自动焊采用埋弧焊工艺，那么焊接装置上必须配加焊剂的投放、承托与回收机构，使得焊接装置的结构变得较为复杂，给操作与装拆带来不便，而且增加了行走小车的负载，影响小车行走的平稳性。埋弧焊一般采用粗焊丝、大电流的焊接方式，用于全位置自动焊可能会由于熔敷率较高出现熔滴下垂、流动等焊接缺陷，影响焊缝的成型与质量，因此将埋弧焊应用于管道全位置自动焊接实现起来困难较大。
　　采用药芯焊丝加气体保护的焊接工艺，若是多遍成型，则每次焊缝表面清渣费工费时；若是强迫成型，则须配加一个与焊枪一起运动的成型铜滑块，并通入循环冷却水，可以大大提高焊接效率，这样一来不仅焊接装置的结构复杂，而且重量增加。因为药芯焊丝的价格较高，同时还要解决保护气体的气源，所以焊接成本较高。单一使用自保护焊丝，虽然节省了保护气体，但存在清渣困难问题。
　　采用实芯焊丝加气体保护的焊接工艺，若是多遍成型，则焊接过程可简单分为打底、填充、盖面三个阶段，无须对焊缝表面进行清理而直接进行下一道工序，但焊接速度相对强迫成型而言慢一些。保护气体一般为纯二氧化碳气体、二氧化碳和氩气或二氧化碳和氧气的混合气体。二氧化碳和氩气的混合气体可以使得焊接时的电弧燃烧稳定、飞溅较小，但在野外施工时氩气气源难寻、价格较高，从经济方面考虑，在焊接输油管道时，最好尽量使用纯二氧化碳作为保护气体。在有条件的地区施工，使用二氧化碳和氩气作为保护气体较为理想。
　　在焊接过程中，焊接小车的行走速度、送丝速度以及焊枪的左右振动频率是三个主要的参数，焊枪的上下调节可以不考虑在内。用一条垂线将管子的圆周分为左右两个半圆，然后将两个半圆沿顺时针、逆时针方向等分，定出焊接节点。通过大量的试验可以在焊缝的每个节点处获取理想的焊接参数。例如，在选取了合适的焊接工艺之后，通过大量的试验确定出节点0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°处的理想的焊接电流、电压、送丝速度、小车行走速度、焊枪振动频率等一系列参数，然后将这些参数输入到计算机内进行自动拟合、运算，这样就实现了从0～180°的自动焊接。但实际焊接与试验时的数据不会完全相同，在焊接过程中可以根据实际情况调节焊接参数，如送丝速度、振动频率等参数。但这些参数的调节是相互关联的，送丝速度调节合适了，振动频率、焊车速度却不一定合适，只有通过一定时间的摸索才能将几个参数调节匹配。若采用另一种控制方法，情况则不大相同。将送丝速度、焊车行走速度、焊枪振动频率作为三个因变量，置于一个空间坐标系中，以时间作为自变量，以焊接电流、电压作为边界条件，最后得出送丝速度、焊接小车行走速度、焊枪振动频率之间的关系，即空间坐标方程。在实际焊接时，每一次调节均是上述三个参数同时调节，从而确保调节过程的准确性。
　　目前，国际上研究管道焊接装置的公司很多，如美国的CRC公司、德国的VENTZ公司、前苏联的巴顿焊接研究所、法国的梅萨公司、瑞典的伊萨公司等。这些公司在管道焊接装置的研究方面水平很高。法国的梅萨公司在小管径的管子焊接方面具有很高的技术水平，主要应用于航天航空工业、核工业的高精度焊接领域。该公司的自动焊接采用细丝TIG焊焊接工艺，具有相当高的焊接质量，但相对于MIG焊而言效率比较低。而美国的CRC公司、德国的VENTZ公司、巴顿焊接研究所却在大管径管道的的全位置焊接方面有比较深入的研究，主要采用MIG焊接工艺，利用计算机控制焊接的全过程，在确保焊接质量的情况下，焊接效率高，而且配套设施齐全。
　　面对日趋激烈的国际市场竞争，要想在管道焊接市场中占据一席之地，必须提高施工装备和技术水平，因此，研究管道全位置自动焊接装置对提高我国的管道施工水平具有十分重要的现实意义。

zhanghua5656

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