倪志海

上海市安裝工程有限公司 上海 201203

安裝行業(yè)管道系列自動化焊接技術(shù)研究與開發(fā)

倪志海

上海市安裝工程有限公司 上海 201203

在鍋爐、石化、建筑安裝行業(yè)，管道的焊接工作量非常大，而國內(nèi)外管道的焊接施工目前基本上還是采用手工焊接。近幾年來，國內(nèi)外市場上推出了一些管道預(yù)制專機（包括集裝箱式的管道預(yù)制焊接流動工作站），但往往僅能滿足焊接手工打底后蓋面的需要，而不能解決管道焊接的打底問題，而管道焊接的質(zhì)量關(guān)鍵問題卻是打底焊。適用于建筑安裝行業(yè)管道焊接的設(shè)備全位置固定口的焊接設(shè)備幾乎沒有。因此，從保證焊接質(zhì)量，提高工作效率，縮短安裝周期、改善勞動條件及提高市場的競爭能力來看，解決管道生產(chǎn)及預(yù)制及全位置固定口的焊接打底和蓋面一次完成的全自動化焊接有著非常重要的意義。

近年來，我公司把推進(jìn)自動焊接技術(shù)在實際工作中的運用作為一個課題來抓，結(jié)合我們的實際情況，在一些項目中推廣和實施了自動化焊接技術(shù)，得了一定的成績。在此基礎(chǔ)上，我們在管道預(yù)制廠自動化打底焊和焊接流水線的自動化打底焊接的設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用方面做了大量工作，并取得突破，開發(fā)的管道自動化焊接工作站已通過上海市科委及專家評審，并獲得上海市職工技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)秀發(fā)明三等獎。管道全位置自動MAG焊接設(shè)備也獲得了國家專利。

1 針對行業(yè)特點，攻克關(guān)鍵技術(shù)難題，開發(fā)自動化焊接設(shè)備

自動化焊接對焊接前的坡口加工、焊接裝配及對口的間隙要求比較高，如；坡口要求機械加工，裝配的間隙要求控制在±1mm范圍內(nèi)。在其它行業(yè)，由于焊接加工和裝配一般都在一個相對固定的空間進(jìn)行，相對比較容易做到。而安裝行業(yè)在現(xiàn)場施工，客觀條件很難滿足上述要求。因此制造出能適應(yīng)行業(yè)特點，滿足安裝工程需要的管道自動化焊接設(shè)備的是我們需攻克的關(guān)鍵問題。為此，我們主要從以下幾個方面考慮并進(jìn)行了攻關(guān)解決。

1.1 對坡口兩邊的停留位置及停留時間控制做了大膽的創(chuàng)新，解決了打底難的問題

打底時由于坡口、裝配及間隙大小不均勻會產(chǎn)生的燒穿和未焊透的問題。以往手工焊過程中，當(dāng)產(chǎn)生坡口間隙不能達(dá)到一定要求時，熟練的技術(shù)工人會通過擺動的速度，和停留的時間等變化來達(dá)到質(zhì)量要求。而采用自動化焊接，對于間隙的變化不少焊接設(shè)備廠也在嘗試用激光跟蹤的辦法，其成本昂貴，在實際使用中由于跟蹤的反饋與焊接設(shè)備的配合也會產(chǎn)生問題，效果一直不理想。

我們把人工操作中的解決方法從理論上加以分析，得到很大收獲，對焊接時在坡口兩邊的停留位置及時間控制做了大膽的變化，并從控制熔合比調(diào)整方面考慮，從而解決了打底難的問題。

1.2 焊接設(shè)備及控制系統(tǒng)的功能合理配置及功能改造，以滿足實際需求

1.2.1 配置合適的焊接設(shè)備

一般管道自動化焊接設(shè)備體積大，移動困難。根據(jù)安裝行業(yè)的特點要求，焊接設(shè)備需移動靈活，工人操作方便，適用面廣。我們對焊接設(shè)備進(jìn)行了調(diào)整和合理配置。

1.2.2 對控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能改造

我們對控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能改造，使其主要功能滿足如下要求：

（1）焊接規(guī)范參數(shù)的設(shè)置及存儲。根據(jù)不同的管子規(guī)格及材質(zhì)可以設(shè)定相應(yīng)的焊接規(guī)范參數(shù)，每套參數(shù)最多可設(shè)10（20）層，總共可存儲100套隨時調(diào)用。

（2）設(shè)有靈活的手動控制系統(tǒng)，在焊接過程中可對焊接電流、電弧電壓、送絲速度、擺寬等參數(shù)進(jìn)行實時微調(diào)。

（3）采用獨特的MAG打底工藝，與擺動頻率同步，交替切換焊接電流,即兩側(cè)大電流，中間小電流，解決了兩側(cè)熔合及中間燒穿或下塌的問題，獲得良好的打底焊縫。

（4）靈活的焊槍擺動功能。

（5）全位置焊接時，為確保打底和蓋面焊縫的質(zhì)量，每一層焊縫的規(guī)范參數(shù)分12段設(shè)定。

1.3 對全位置焊接設(shè)備的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新

1.3.1 技術(shù)方案

開發(fā)一種開口齒圈式全位置MIG/MAG自動焊接裝置（見圖1）。由開口式夾緊回轉(zhuǎn)裝置、焊接機頭、手持式操作盒、控制箱、焊接電源及焊槍、多功能推車等六個部分組成。開口式夾緊回轉(zhuǎn)裝置由開口支架、開口回轉(zhuǎn)齒圈、伺服雙動力回轉(zhuǎn)裝置、夾緊機構(gòu)四部分組成，開口支架通過夾緊機構(gòu)固定在管子上；開口回轉(zhuǎn)齒圈套裝在開口支架上，通過伺服雙動力回轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動，雙動力回轉(zhuǎn)裝置上的齒輪交替地與開口回轉(zhuǎn)齒圈嚙合，達(dá)到開口齒圈整周回轉(zhuǎn)的目的。

焊接機頭由水平、垂直電動滑架，高度跟蹤裝置、MAG焊槍夾持調(diào)整機構(gòu)組成，焊接機頭固定安裝在回轉(zhuǎn)齒圈上。電控系統(tǒng)由PLC觸摸屏及交流伺服組成，能實現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)的設(shè)置及存儲、規(guī)范參數(shù)監(jiān)控、中文菜單、人機對話，能高精度的控制焊接參數(shù)程序及運動，焊接過程中可對焊接電流、電弧電壓、送絲速度、擺寬等參數(shù)進(jìn)行實時微調(diào)。

手持式操作盒通過多芯電纜線與焊接機頭連接，具有抽送絲、送氣、電流電壓調(diào)整、位置設(shè)定、焊接起停及急停。正、反轉(zhuǎn)及焊槍位置調(diào)整等功能。

1.3.2 技術(shù)指標(biāo)

（1）主要技術(shù)參數(shù)

管子直徑：Φ89～Φ1220m

管壁厚度：4～30mm

管件材質(zhì)：低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等

焊接回轉(zhuǎn)速度： 30～800mm/min（伺服傳動）

焊槍擺動行程： 50mm（伺服傳動）

焊槍升降行程： 40mm（高度跟蹤，步進(jìn)電機傳動）

手動調(diào)整行程： 50mm

焊槍姿態(tài)角： ±30°，手動調(diào)整

（2）達(dá)到效果

能用于施工工地，實現(xiàn)管道固定口的焊接，包括自動封底，填充蓋面。與手工焊接相比焊接速度提高5～8倍左右，焊接合格率提高到了97%以上。

1.3.3 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）開發(fā)一種開口齒圈式全位置MIG/MAG自動焊接裝置。采用開口回轉(zhuǎn)機頭方式，沿管道徑向直接裝夾，可以實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的現(xiàn)場管道焊接生產(chǎn)。

（2）整套焊接裝置的徑向回轉(zhuǎn)空間，距被焊管壁的距離小，適用多列管道現(xiàn)場焊接需要。產(chǎn)品系列設(shè)計，能基本覆蓋管道現(xiàn)場焊接的尺寸范圍。

（3）獨特的MAG打底工藝，根據(jù)所需的焊縫寬度，設(shè)定每層的擺動寬度、擺動速度及兩側(cè)停留時間，解決了兩側(cè)熔合及中間燒穿或下塌的問題，獲得兩側(cè)熔合良好的高質(zhì)焊縫。

（4）提高工作效率5～8倍。

1.4 適合全位置焊接的焊接工藝參數(shù)設(shè)置

由于焊接設(shè)備制造企業(yè)的技術(shù)人員對焊接工藝的了解和理解存在一定的差距，設(shè)置人員很難從不同材料，規(guī)格的變化來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，往往是從資料到資料或者經(jīng)驗到經(jīng)驗。而全位置焊接參數(shù)的設(shè)置變化更大，加上坡口，間隙的變化，參數(shù)的合理設(shè)置至關(guān)重要。由于焊接過程是在極其短暫的時間內(nèi)完成的一個焊接冶金過程，時間短、溫度梯度大，在焊接過程中各類參數(shù)隨著焊件的熱影響區(qū)溫度會產(chǎn)生變化，這就需要我們在焊接工藝參數(shù)的設(shè)置方面把這些問題考慮進(jìn)去，這些設(shè)置要考慮材料的性質(zhì)，直徑，厚度等等因素。而且還要考慮在焊接加熱過程中溫度的變化因素，焊接位置等因素。我們在試驗過程中通過焊件在加熱過程中的溫度變化的數(shù)據(jù)，及我們幾十年來對于焊接過程中出現(xiàn)的各種問題來進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)行焊接工藝參數(shù)的合理設(shè)置，取得了較好的效果。

2 研發(fā)成功集裝箱式管道焊接工作站

2.1 集裝箱式管道焊接工作站

在管道自動焊設(shè)備改進(jìn)的同時，我們針對公司工程項目流動性大的特點，研制開發(fā)了移動式管道預(yù)制工作站（見圖2），克服了管道預(yù)制后運輸成本大、運輸難的問題，同時也為現(xiàn)場安全施工創(chuàng)造了良好的條件。預(yù)制工作站能在施工的初期就開始大量的預(yù)制，解決了項目工期緊的問題。

預(yù)制工作站主要分4個部分，分別是：帶鋸部分、管道坡口部分、組對工作臺部分、自動化焊接設(shè)備部分。它們的優(yōu)點是：使用帶鋸機后減少了后續(xù)坡口加工的工作量，材料損耗小，是比較最理想的加工方式；數(shù)控坡口機滿足了自動化焊接對坡口的加工精度；組對平臺保證了坡口的組對精度，使焊口組對能達(dá)到自動焊接的要求；自動化焊接設(shè)備保證了焊接的質(zhì)量和進(jìn)度。

2.2 NZFG63030短管-法蘭、管-管件焊接專機（見圖3）

針對現(xiàn)場短管、法蘭及管和管件焊接較多的問題，我們還專門開發(fā)了NZFG63030短管-法蘭及管-管件焊接專機，使現(xiàn)場的管道焊接得到全覆蓋。

NZFG63030短管-法蘭、管-管件焊接專機在上海東方體育中心是2011年世界游泳錦標(biāo)賽主場館冷凍機房工程中得到了成功應(yīng)用，實際效率與人工相比至少能提高5～8倍，而且產(chǎn)品合格率達(dá)到99.5%以上，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，在焊接自動化方面屬于領(lǐng)先水平，在社會上引起了強烈的反響。

由于全自動化焊接完全排除了人為因素、對焊接工人的技術(shù)要求不再依賴，一臺焊接設(shè)備計8h的焊接工作量相當(dāng)于8個焊接工人連續(xù)8h的工作量，而且焊接質(zhì)量比較穩(wěn)定，節(jié)省了返修等不必要的浪費現(xiàn)象，生產(chǎn)效率大大提高，與人工相比，保守估計效率將提高5～8倍。雖然管道自動化焊接工作站開發(fā)成功給了我們不少喜悅，但是它沒法在施工現(xiàn)場發(fā)揮作用。我們要開發(fā)一套適應(yīng)安裝行業(yè)現(xiàn)場實際需要的焊接工作站及管道全位置自動MAG焊接設(shè)備，是我們的第二個目標(biāo)，也有不少企業(yè)希望我們能早開發(fā)出來。因此管道預(yù)制自動化焊接MIG/MAG工作站（含流動自動化焊接工作站）、管道全位置自動MAG焊接設(shè)備的市場前景非常看好。

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1672-9323（2012）02-0063-03

2011-12-02）