郭春富，劉帛炎,2，孫偉強(qiáng),2，李 蘇，劉 丹

1.廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院),廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870

管道全位置等離子弧自動(dòng)焊接設(shè)備*

郭春富1，劉帛炎1,2，孫偉強(qiáng)1,2，李 蘇1，劉 丹1

1.廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院),廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650 2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870

介紹了新開(kāi)發(fā)的用于管道全位置焊接的等離子弧焊接設(shè)備．該設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單方便及利于現(xiàn)場(chǎng)使用等優(yōu)點(diǎn)，可適用于鈦、鎳及其合金、不銹鋼等材質(zhì)的管道焊接．焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)備焊接效率高，焊接熱影響區(qū)保護(hù)良好，焊縫成形美觀，各位置焊縫成形基本一致．

管道；全位置焊接；等離子??；焊接工藝；自動(dòng)化

在油氣輸送、海洋工程、電力等行業(yè)中，管道環(huán)縫焊接占焊接生產(chǎn)中的較大部分．在現(xiàn)場(chǎng)因各種原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道旋轉(zhuǎn)焊接時(shí)，可通過(guò)管道全位置自動(dòng)焊機(jī)實(shí)現(xiàn)．由于全位置焊接設(shè)備具有焊接效率高、焊接成本低、焊縫質(zhì)量好及對(duì)焊工技能水平無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，因此國(guó)內(nèi)外都已開(kāi)始大力發(fā)展全位置焊接技術(shù)．

目前，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)焊接比較成熟的管道全位置自動(dòng)焊方法主要有TIG焊和MAG焊，但TIG焊接效率低，而MAG焊的焊縫成形比較差[5-6]．基于此現(xiàn)狀，廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)研發(fā)出了管道全位置等離子弧自動(dòng)焊接設(shè)備．該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)管道全位置自動(dòng)焊接，可一次性焊透壁厚8.8 mm鈦合金管，而且焊縫成形良好、焊接效率高．該焊接設(shè)備可以焊接鈦及其合金、鎳及其合金，以及不銹鋼等材料的管道．

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

焊接系統(tǒng)的機(jī)械部分是實(shí)現(xiàn)等離子弧全位置焊接的硬件基礎(chǔ)，主要由剖分式軌道裝置、焊接小車行走機(jī)構(gòu)、背面保護(hù)及觀察裝置、等離子弧焊接設(shè)備、控制系統(tǒng)等五部分組成．圖1為全位置等離子弧自動(dòng)焊接設(shè)備．

圖1 管道全位置等離子弧自動(dòng)焊接設(shè)備1-剖分式軌道裝置；2-焊接小車行走機(jī)構(gòu)；3-背面保護(hù)及觀察裝置；4-等離子弧焊接設(shè)備；5-控制系統(tǒng)Fig.1 Full-position plasma arc automatic welding equipment1-split track device；2-welding trolley travel mechanisms；3-rear protection and observation devices；4-plasma arc welding equipment；5-control system

1.1 剖分式軌道裝置

軌道裝置由兩個(gè)半圓的軌道體、剖分式側(cè)齒圈、定位調(diào)整機(jī)構(gòu)及鎖緊裝置所組成．軌道裝置裝夾于管道之上，安裝在軌道裝置上的焊接小車行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)等離子弧焊槍完成環(huán)向焊接，并保證焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡與待焊管道同軸．機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2．

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 The design drawing of mechanical structure

軌道裝置本體采用超硬質(zhì)鋁合金，經(jīng)反復(fù)熱處理加工而成．熱處理可以控制開(kāi)口軌道圈的加工變形量，以及在使用過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性．剖分式側(cè)齒圈經(jīng)螺釘固定于軌道體一側(cè)，用于驅(qū)動(dòng)焊接小車的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).為了與焊接小車定位輪相配合,齒圈的截面為V形，以保證焊接時(shí)焊槍的行走軌跡不會(huì)偏離待焊焊縫．軌道另一側(cè)面配有定位銷，可保證在反復(fù)裝卸時(shí)軌道的重復(fù)精度．軌道通過(guò)定位調(diào)整裝置安裝在工件上，其可調(diào)整軌道與管道同軸，以滿足焊接需要．

1.2 焊接小車行走機(jī)構(gòu)

焊接小車行走機(jī)構(gòu)以給定的速度在軌道裝置上作圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)等離子槍對(duì)管道進(jìn)行焊接．焊接小車行走機(jī)構(gòu)由焊接小車、伺服傳動(dòng)裝置、焊槍姿態(tài)調(diào)整裝置、送絲裝置及拖氣罩組成．

1.2.1 焊接小車

焊接小車由小車座體、定位輪機(jī)構(gòu)、鎖緊裝置及驅(qū)動(dòng)裝置組成，主要承載焊槍姿態(tài)調(diào)整裝置、焊槍、送絲裝置等部件，在伺服傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)以上部件圍繞管道環(huán)向運(yùn)動(dòng)．

定位輪機(jī)構(gòu)由4個(gè)定位輪組成，2組平行設(shè)置的定位輪安裝于小車座體底部．其中一側(cè)的定位輪加工成V形，與側(cè)齒圈相配合起到橫向定位焊接小車行走機(jī)構(gòu)的作用；另一側(cè)置于軌道體上面，保證整個(gè)焊接小車行走機(jī)構(gòu)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．鎖緊裝置可以保證焊接小車在各個(gè)位置運(yùn)行穩(wěn)定，它的一端固定在小車底座上，另一端則采用偏心輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整偏心輪使焊接小車與環(huán)形軌道壓緊并鎖定．

1.2.2 伺服傳動(dòng)裝置

伺服傳動(dòng)裝置由伺服電機(jī)、伺服電機(jī)減速機(jī)及齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所組成．伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與剖分式側(cè)齒圈相嚙合，從而帶動(dòng)焊接小車行走機(jī)構(gòu)沿軌道裝置行走．在控制系統(tǒng)的控制下，通過(guò)伺服傳動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)焊槍環(huán)向定位及焊接速度的設(shè)定與調(diào)整．

1.2.3 焊槍姿態(tài)調(diào)整裝置

焊槍姿態(tài)調(diào)整裝置由伺服電機(jī)、伺服電機(jī)減速器、線性滑軌、滾珠絲杠及焊槍擺角裝置機(jī)構(gòu)所組成．

焊槍的橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、線性滑軌及支架所組成，在焊接過(guò)程中伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下帶動(dòng)焊槍橫向運(yùn)動(dòng)，焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫中心進(jìn)行電弧擺動(dòng)，擺動(dòng)寬度在±25 mm內(nèi)連續(xù)可控．

焊槍的縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾珠螺母絲杠副及支架所組成，在控制系統(tǒng)控制下可焊前確定焊槍端面距離工件表面的距離．AVC電弧跟蹤系統(tǒng)在焊接時(shí)可保證等離子電弧弧長(zhǎng)一致，AVC跟蹤速度可設(shè)定在為10～500 mm/min范圍內(nèi)，跟蹤靈敏度≥±0.2 V．

焊槍擺角裝置機(jī)構(gòu)包括與縱向升降裝置相連接的固定板、與焊槍相連接的用于帶動(dòng)焊槍擺動(dòng)的滑輪及擺角限位機(jī)構(gòu)所組成．在管道全位置焊接過(guò)程中，當(dāng)焊接機(jī)頭焊接到任意位置時(shí)焊槍擺角裝置可以對(duì)焊槍角度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，擺角機(jī)構(gòu)的角度調(diào)整范圍為±15 °．

在焊接過(guò)程中以上三個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)控制系統(tǒng)而協(xié)同工作，保證焊槍始終處于最佳的焊接角度，從而得到更加優(yōu)質(zhì)的焊縫．

1.2.4 送絲裝置

送絲裝置由伺服電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊絲盤、送絲輪、送絲管、送絲嘴及送絲架組成，其安裝在焊接小車行走機(jī)構(gòu)上隨焊槍一起回轉(zhuǎn)，可以在焊接時(shí)為焊接熔池填加焊絲．

送絲輪與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相聯(lián)接，在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下焊絲盤中的焊絲通過(guò)送絲輪推送，經(jīng)過(guò)送絲管和送絲嘴送到焊接熔池前部．焊絲可以向前傳送和回抽，送絲嘴與等離子槍采用分體設(shè)計(jì)，可獨(dú)立手動(dòng)調(diào)整位置與角度，以保證焊絲準(zhǔn)確送達(dá)到焊接熔池的特定位置．

1.2.5 拖氣罩

拖氣罩由氣罩本體、支架及氣管所組成，安裝于焊接小車行走機(jī)構(gòu)上并貼緊等離子焊槍槍體．

不僅焊接鈦及其合金時(shí)高溫焊接熔池需要隔絕空氣進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)焊接熱影響區(qū)溫度超過(guò)300 ℃以上時(shí)也需要進(jìn)行惰性氣體保護(hù)．拖罩本體由紫銅制成，出氣端面加工成與管道相吻合的曲面，其內(nèi)部安裝有氣篩和進(jìn)氣銅管，進(jìn)氣銅管與高壓氣瓶相連接，對(duì)處于高溫狀態(tài)下焊接接頭的高溫區(qū)域進(jìn)行氣體保護(hù)和冷卻．

1.3 背面保護(hù)及觀察裝置

背面保護(hù)及觀察裝置由扇形氣罩、攝像頭、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)減速器、定位裝置及伸長(zhǎng)桿組成(圖3)．扇形氣罩設(shè)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置前端，通過(guò)導(dǎo)氣管與保護(hù)氣瓶相連，攝像頭與扇形氣罩集成在一起，伺服電機(jī)及伺服減速機(jī)安裝于本裝置的后部分并通過(guò)傳動(dòng)軸與扇形氣罩相聯(lián)接，定位裝置位于氣罩和減速機(jī)之間，傳動(dòng)軸從其中間穿過(guò)．伺服電機(jī)在控制系統(tǒng)的控制下驅(qū)動(dòng)氣罩以給定的速度旋轉(zhuǎn)，并且與焊接時(shí)的焊槍運(yùn)動(dòng)同步，從而保證對(duì)背面焊縫進(jìn)行可靠的保護(hù)，裝置的尾端可連接伸長(zhǎng)桿，以保證該裝置的可達(dá)性．

扇形氣罩由紫銅加工而成，在中間布置氣篩和銅管以保護(hù)氣體通過(guò)銅管而進(jìn)入罩體空腔內(nèi)部，氣體均勻分布后從氣篩流出以保護(hù)管道內(nèi)部焊接接頭的高溫區(qū)域．氣篩與氣罩柱形表面需保持合適的距離，避免被等離子電弧燒損．

觀察裝置由自帶LED光源的攝像頭和液晶顯示器組成，與氣罩集成于一體．保護(hù)氣從攝像頭背部流通，這可以冷卻攝像頭從而保護(hù)其不受高溫影響而損毀．?dāng)z像頭拍攝的畫面實(shí)時(shí)顯示在液晶監(jiān)視器上，以便對(duì)焊前管道內(nèi)部焊縫的位置定位及對(duì)焊接過(guò)程中背面焊縫的成形情況進(jìn)行觀察．

圖3 背保護(hù)裝置及攝像頭組件Fig.3 Back protection device and camera assembly

1.4 等離子弧焊接設(shè)備

等離子弧焊接設(shè)備由等離子焊接電源和焊槍組成．等離子焊接電源選用SAFER公司生產(chǎn)的NERTAMATIC-450型焊接電源，其為智能焊接電源，可輸出平直流與直流脈沖兩種電流波形，可自由設(shè)置焊接電流、保護(hù)氣體流量及占空比等焊接參數(shù)．該電源可以儲(chǔ)存100套不同的焊接參數(shù)，并在工作過(guò)程中自動(dòng)按照序號(hào)順序調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化．該焊接設(shè)備在100%負(fù)載率的情況下，焊接電流為5～450 A，能滿足20 mm以下材料的焊接工藝需求．

2 控制系統(tǒng)

管道全位置等離子弧焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)由主控機(jī)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成．主控機(jī)系統(tǒng)的功能為參數(shù)的管理和程序的編輯，并將程序和參數(shù)傳輸給相應(yīng)的PLC控制系統(tǒng)．PLC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源的焊接工藝參數(shù)的調(diào)用，對(duì)焊槍的環(huán)向運(yùn)動(dòng)位置及速度、焊槍擺角量、送絲速度、背保及觀察裝置的運(yùn)動(dòng)速度、拖罩氣流量等參數(shù)進(jìn)行控制，對(duì)AVC電弧跟蹤系統(tǒng)所采集的電弧電壓與設(shè)定的電弧電壓值進(jìn)行比較處理以保證電弧穩(wěn)定，對(duì)背面保護(hù)及觀察裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行控制．在控制系統(tǒng)的控制下，機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)焊槍實(shí)現(xiàn)了管道全位置等離子弧焊接的自動(dòng)化．控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示．

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of control svstem

控制系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程的控制是通過(guò)控制柜、無(wú)線遙控器和觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的．觸摸屏設(shè)在控制柜正面，可對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行程序化編輯并顯示由PLC系統(tǒng)反饋回來(lái)的各項(xiàng)參數(shù)，方便操作者對(duì)焊接過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行記錄．為了保證焊縫成形良好，管道全位置焊接工藝參數(shù)要根據(jù)焊接熔池所處的位置不同而進(jìn)行分區(qū)控制，即每一道焊縫的規(guī)范參數(shù)在360 °圓周內(nèi)分為12段，每段的分區(qū)范圍可以為任意角度范圍，每個(gè)區(qū)間可以單獨(dú)設(shè)定的工藝參數(shù)包括焊接電流、焊接速度、等離子氣流量、保護(hù)氣體流量、AVC跟蹤電壓、擺動(dòng)寬度及速度、送絲速度，以上焊接工藝參數(shù)可全部在觸摸屏中輸入．

無(wú)線遙控器通過(guò)信號(hào)接收器與控制柜相連，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接小車行走機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)距離控制，具有控制焊接過(guò)程的開(kāi)始與停止、焊前檢氣、焊接小車運(yùn)動(dòng)、背面保護(hù)及觀察裝置運(yùn)動(dòng)、焊槍姿態(tài)調(diào)整及送絲裝置運(yùn)動(dòng)的功能．在焊接開(kāi)始前，首先通過(guò)無(wú)線遙控器控制焊接小車在環(huán)形軌道上的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，確定起弧點(diǎn)的位置，然后對(duì)焊槍進(jìn)行橫向、縱向以及角度的調(diào)節(jié)，使焊槍處于合適起弧姿態(tài)，再調(diào)整合適的焊絲伸出量，以保證焊絲與焊槍之間的配合，最后調(diào)整背面保護(hù)及保護(hù)裝置與焊槍的相對(duì)位置，保證在焊接過(guò)程中二者同步運(yùn)動(dòng)，達(dá)到在高溫區(qū)域保護(hù)接頭的目的．在焊接過(guò)程中，無(wú)線遙控器也可以對(duì)焊接速度、焊槍高度、送絲速度、背面保護(hù)及觀察裝置的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行即時(shí)調(diào)整，從而保證焊接質(zhì)量．

管道全位置等離子弧自動(dòng)焊接設(shè)備的所有電機(jī)全部采用伺服電機(jī)，配合PLC控制系統(tǒng)，在實(shí)際使用中自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單方便，便于現(xiàn)場(chǎng)使用．

3 焊接工藝試驗(yàn)

使用本焊接設(shè)備進(jìn)行了直徑219 mm×8.8 mm的TA2管I型坡口、不填絲的對(duì)接試驗(yàn)，并選取焊接試樣進(jìn)行分析．圖5為焊縫成形形貌圖．從圖5(a)和圖5(b)可以看出：采用全位置等離子弧自動(dòng)焊接工藝可以一次焊透厚度為8.8 mm的鈦管道，而且焊縫外形美觀、成型良好；熱影響區(qū)附近鈦合金氧化后所產(chǎn)生的藍(lán)色區(qū)域較小，表明正面與背面氣體保護(hù)良好．從圖5(c)焊縫截面宏觀金相照片可以看出，在合適的全位置等離子弧焊接工藝條件下，焊縫無(wú)氣孔，不存在未焊透、未熔合和焊瘤等焊接缺陷．

全位置TIG及MAG自動(dòng)焊設(shè)備，每層焊縫厚度很難超過(guò)2.5 mm，焊接速度與等離子弧焊接速度基本一致，所以管道全位置等離子弧自動(dòng)焊接設(shè)備的焊接效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的全位置焊接設(shè)備．

圖5 焊縫成形情況(a)外部焊縫；(b )內(nèi)部焊縫；(c )截面宏觀金相Fig.5 Weld forming situation(a)external weld joint；(b)internal weld joint；(c)macro-metallographic section

4 結(jié) 論

(1)本設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)管道全位置等離子弧焊接．

(2)氣體保護(hù)裝置可保護(hù)處于高溫狀態(tài)的焊接接頭，防止焊縫氧化等不利于焊縫成形的影響因素產(chǎn)生．背面觀察裝置可以保證背面保護(hù)罩的焊前定位及焊后焊縫成形情況的觀察．

(3)本焊接系統(tǒng)使用了分區(qū)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在360 °圓周內(nèi)任意角度分區(qū)；焊槍擺角調(diào)整技術(shù)和電弧AVC控制技術(shù)的實(shí)施，保證了管道全位置等離子弧優(yōu)質(zhì)焊接的實(shí)現(xiàn)．

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫一次焊透，成形良好且無(wú)氣孔，不存在未焊透、未熔合和焊瘤等焊接缺陷；正面與背面氣體保護(hù)良好，熱影響區(qū)無(wú)氧化的現(xiàn)象．表明，管道全位置等離子弧焊接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)焊接．

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Pipingfullpositionplasmaarcautomaticweldingequipment

GUO Chunfu1，LIU Boyan1,2，SUN Weiqiang1,2，LI Su1，LIU Dan1

1.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAdvancedWeldingTechnology，GuangdongWeldingInstitute(China-UkaineE.O.PatonInstituteofWelding)，Guangzhou510650，China；2.SchoolofMaterialScienceandEngineering，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870，China.

The newly developed plasma arc welding equipment for full position welding of pipelines is introduced. The equipment has the advantages of high degree of automation，stable work，easy operation and convenient for use on site, etc. It can be used for pipe welding of titanium, nickel and its alloys, stainless steel and other materials. The results of the welding process test show that：this equipment has high welding efficiency，good heat-affected zone of welding，good weld formation，weld formation at all locations basically the same．

pipeline；full-position welding；plasma arc；welding process；automation

2017-12-04

廣東省科學(xué)院項(xiàng)目 (2016GDASPT-0311)；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B050502008)

郭春富(1971-)，男，遼寧阜新人，本科，高級(jí)工程師．

1673-9981(2017)04-0251-05

TG439.5

A