李 敏

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院,武漢 430056)

全位置自動管板氬弧焊機關鍵結構設計

李 敏

(江漢大學 化學與環(huán)境工程學院,武漢 430056)

根據(jù)功能要求，提出了全位置自動管板氬弧焊機的設計原則，重點討論了其可靠送絲、準確定位、高效水冷、靈活供氣等關鍵問題及解決方案，設計了一種高性能的管板焊接機頭。該焊接機頭采用導電滑環(huán)、靜態(tài)定位、雙路水冷和雙路供氣等結構型式，具有結構緊湊、工作可靠、適用性強等優(yōu)點。生產實踐表明，該焊接機頭有效保證了焊接接頭質量，顯著提高了生產效率。

自動管板焊機 靜態(tài)定位 雙路水冷 雙路供氣

0 序 言

列管式換熱器的管子-管板接頭焊接是整個換熱器制造過程的重要工序，其焊接接頭的數(shù)量大、焊接位置苛刻。此外，管口接頭長期承受壓差對管子產生的軸向負荷、多次反復加熱、冷卻、高壓和介質腐蝕疲勞強度破壞的作用，對焊縫的致密性及力學性能要求嚴格。全位置自動管板氬弧焊機是列管式換熱器管子-管板高效高品質焊接制造的關鍵裝備[1-4]。長期以來，瑞典ESAB、德國EWM、美國Lincoln以及日本OTC等公司占據(jù)著管板自動焊機的國內外市場。然而，上述進口管板自動焊機應用于國產列管式換熱器的制造時，由于管子的橢圓度偏差、壁厚偏差和管板的管孔偏差等原因，常常造成管頭燒爛、熔合不良、接頭強度不足、焊縫不連續(xù)以及試壓泄漏等問題。此外，進口管板焊機設備昂貴，關鍵配件易損，提高了產品制造成本。

為此，文中分析了全位置自動管板氬弧焊機的設計原則，重點討論了其可靠送絲、準確定位、高效水冷、靈活供氣等關鍵問題及解決方案，設計了一種高性能的管板焊接機頭。

1 焊接工藝要求

全位置管板焊包括平焊、上坡焊、下坡焊、仰焊等過程。在這些焊接過程中，由于重力對熔池的影響各有不同，從而對焊縫成形的影響也有所區(qū)別：平焊位置，重力易造成熔池往管口內流淌；仰焊位置，重力易使熔池偏離焊縫，造成焊縫成形不均勻。為減小熔池受重力作用的影響，全位置管板的焊接宜采用脈沖焊，即峰值電流形成熔池，基值電流維持電弧不熄滅，同時冷卻熔池。焊縫由致密的焊點疊加而成，從而形成熔合良好、外形均勻的焊縫。同時，由于全位置管板焊接過程是連續(xù)變化的，故焊機機頭的旋轉速度以及焊絲的送給速度與脈沖電流必須相互配合，才能保證各焊接過程的焊縫成型效果。此外，焊槍鎢極的位置、管子伸出管板長度等工藝參數(shù)，也對焊接質量有影響。因此，全位置管板氬弧焊機必須滿足以下工藝要求。

1.1電流

脈沖自動氬弧焊的電流分預熔電流、沖峰值電流、脈沖基值電流。當電流值偏小時，焊縫成形差；當電流值偏大時，管子易燒塌。經實際使用，預熔電流為(105±5)A，脈沖峰值電流為(155～170)A，脈沖基值電流為(60±5)A，是比較理想的電流值。

1.2電弧電壓

電弧電壓一般為8.9～9.4 V。

1.3焊接速度

焊接速度分機頭旋轉速度及送絲速度。機頭旋轉速度為390～440 mm/min，送絲速度為350～380 mm/min。

1.4管子伸出管板長度

要求平焊為0.5～1 mm，角焊5 mm左右，定位用沖塊漲緊，不準用點焊定位，這樣可以保證焊接質量。

1.5鎢極位置

鎢極位置是指鎢極距管子之間的距離以及焊絲和鎢極的距離。一般鎢極距管子距離為2～2.5 mm，鎢極與焊絲距離為2～3 mm，鎢極伸出噴嘴長度以(5±0.5) mm較合適。另外，電極與管子應保持α=15°的角度，管子伸出管板長度應保證(2±0.5) mm。

2 設計原則

為了開發(fā)出滿足以上工藝要求、焊接效率高、焊接質量可靠的全自動管板氬弧焊機，應依據(jù)以下設計原則。

2.1能實現(xiàn)預定的基本功能

即要求所設計的全位置管板焊機能夠按照設計要求完成特定動作，包括可編程序控制儲存器、氬氣保護裝置、變頻引弧裝置、自動衰減回路、提前及延時供氣回路，只要按程序啟動，整個焊口的焊接過程自動完成。

2.2非干涉性原則

全位置自動管板氬弧焊機的機頭部件較復雜，包括有供氣回路、供水回路、焊炬、送絲裝置、變頻引弧裝置等，而在焊接的旋轉過程中應保證所有回路以及部件不能碰撞纏繞、發(fā)生干涉。

2.3密封性、絕緣性要好

由于管子與管板的焊接使用的是鎢極氬弧焊接方法，焊槍槍頭是水冷系列式，要求焊槍的設計水氣密封性要好，而且導電性要好，同時絕緣性也要保證。

2.4經濟性原則

設計全位置自動管板氬弧焊機時，盡可能選擇成熟的、普及的技術以保證產品的可靠性和相對先進性。

3 關鍵結構設計

焊機機頭是整個設備最重要的部分，其結構復雜，由于焊接工藝要求，機頭涉及到水路、氣路以及電路，為保證設備應用的可靠性，必須要解決這些通路的密封以及旋轉干涉的問題。

3.1送絲機構

焊接時，焊機需要送絲機構勻速送絲才能保證焊接的質量。進口管板焊機多將送絲盤固定于機頭后端如圖1所示。盤繞于送絲盤上的焊絲由送絲機推送，穿過主旋轉軸內的送絲管，到達機頭前端的焊炬處，再通過安裝于焊炬上的導絲嘴輸送到鎢極旁。這種送絲結構存在的主要問題是，絲盤處于固定位置，而送絲管、導絲嘴均會隨旋轉主軸旋轉，焊接時，焊槍每轉一圈焊絲就纏繞一圈，會造成穿絲困難、焊絲需校直輪、送絲阻力大、易堵絲、送絲管易損壞等問題。

圖1 某進口焊機送絲盤固定位置示意圖

針對此問題，文中設計了送絲盤與焊炬同步旋轉結構，送絲盤安裝在機頭前端與焊炬一同旋轉，從而避免了焊絲纏繞問題，并大大縮短了送絲機到焊接區(qū)的距離，焊絲從送絲機到送絲支架只須一根軟管即可，軟管更換簡單，焊絲無須校直輪，穿絲簡易化，送絲阻力減小，回抽焊絲也更容易，整個送絲系統(tǒng)的損壞幾率減小，如圖2所示。

送絲機構為推拉絲形式，保證平穩(wěn)送絲，并采用了一套電機以及減速器驅動。針對機頭的旋轉可能帶來送絲電極導線纏繞的問題，文中送絲機構采用碳刷和導電環(huán)接觸導電的形式，可實現(xiàn)正反兩個方向的任意旋轉，結構簡單精確。

圖2 送絲機構結構圖

3.2定位系統(tǒng)

由于換熱器上的管束直徑一般為10～57 mm，管伸出長度≤7 mm，管子排列為三角、棱形或不規(guī)則形式，這就決定了現(xiàn)在市場上的管板焊機的定位形式均為以管孔為定位中心，焊槍圍繞定位中心完成環(huán)形軌跡的運動。進口管板焊機采用定位軸插入管子的方式定位，如圖3所示，定位軸通過螺釘與機頭上的旋轉底座固定，焊接時，定位軸隨旋轉底座一同旋轉。

圖3 某進口機頭定位系統(tǒng)示意圖

這種定位系統(tǒng)的缺點是，由于定位軸既要與管孔配合定位又需要在管孔內旋轉，必然大大提高了定位軸的加工精度要求。即使如此，實際生產中，工件上管子內孔也往往存在相當大的公差。這樣就造成了定位軸以管孔定位時，配合間隙要么過大，不能達到精確定位的目地；要么間隙過小，不容易塞進管孔，且一旦產生焊瘤定位軸又非常難從管孔拔出。

受國內換熱管與管板的加工精度的限制，管板焊機所用定位軸必須對管件的橢圓偏差、壁厚偏差等要求較低。因此，文中采用靜態(tài)定位軸，即定位軸與機頭旋轉部分分離，焊接時不隨傳動軸的轉動而轉動，定位軸相對管子管板固定不動，一方面避免在管孔內旋轉而與管壁發(fā)生摩擦，另一方面即使焊接過程中產生焊瘤也更易取出。較之旋轉定位軸，焊接質量更為穩(wěn)定，適用面更廣,如圖4所示。

圖4 靜態(tài)定位軸結構示意圖

3.3機頭水冷系統(tǒng)

目前進口焊接機頭均采用單一水冷方式，存在容易發(fā)熱、耐用性差的問題。文中設計了一種雙水路冷卻結構，即中心定位桿、焊炬、導電滑環(huán)全部通水冷卻，焊厚壁管大電流不會發(fā)熱，能長久工作。

如圖5所示，傳動軸中設計了2套循環(huán)水路，其中循環(huán)水路1是靜密封水冷，循環(huán)水路2是動密封水冷。水路1的水流由進水口1進入，到達軸頭空腔，然后由傳動軸與不銹鋼管間的間隙流出，到達出水口1位置。這樣就實現(xiàn)了定位軸頭的循環(huán)水冷，避免管頭熔化后內流。

圖5 傳動軸水路結構

循環(huán)水路2由進水口2位置流入，到達出水口2，然后經過軟管，進入焊炬，通過焊炬內的水路后，從焊炬后端的軟管流出，再進入導電滑環(huán)，水流從導電滑環(huán)流出后，通過軟管流入傳動軸上的進水口3，最后經出水口3流出，如圖6所示。從而實現(xiàn)焊炬、導電滑環(huán)的循環(huán)水冷，延長焊機連續(xù)工作時間。

圖6 雙水路循環(huán)圖

3.4機頭供氣系統(tǒng)

管板焊接時必須提供惰性氣體氬氣對焊接部位進行保護，對于一般材料，單氣路管板焊機就足夠了，但當需要焊鈦材時，必須加大氬氣的供應才能保證焊接質量[5]。為此，文中在傳統(tǒng)單氣路的基礎上加以改進，實現(xiàn)雙氣路，可有效地對鈦材焊接進行焊接保護。為實現(xiàn)轉動過程中氬氣的動密封，文中采用閉氣銅套(圖7)以及氣室配合，氣路通暢無泄漏。

圖7 閉氣銅套結構

4 結 論

(1)文中設計的全位置自動管板氬弧焊機已在換熱器生產制造企業(yè)中得到應用，同步送絲和導電滑環(huán)結構有效避免了送絲纏繞，結構緊湊,穩(wěn)定可靠。靜態(tài)軸定位結構提高了定位精度，避免了管孔圓度誤差和尺寸誤差帶來的焊槍旋轉運動干涉問題。雙循環(huán)水路設計提高了冷卻效率，解決了長時間焊接帶來的機頭發(fā)熱問題。雙氣路氬氣保護為鈦材等易氧化材料的焊接提供了可靠保障。

(2)文中設計的全位置自動管板氬弧焊機焊接質量可靠。根據(jù)換熱器產品所用列管和管板的材料和連接結構的不同要求，該機已完成了約20種焊接工藝評定工作，焊接接頭經過檢測機構的各項檢測，其指標均符合國標GB 151—2015《管殼式換熱器》的評定標準。

[1] 王振民，張 棟，李 晉，等.換熱器管板的全位置自動化焊接工藝[J].華南理工大學學報(自然科學版),2010，38(5):100-104.

[2] 張瑞華，王 瑤，王 榮，等.管板全位置活性焊接法[J].焊接學報，2011，32(4):67-70.

[3] 井維海.冷換熱器換熱管-管板焊接方法及應用簡介[J].應用能源技術，2011(7):37-38.

[4] 馬煥新.管板自動脈沖氬弧焊機的應用[J].金屬加工(熱加工)，2009(18):59-60.

[5] 苗 剛，陳 晶，張慧芳，等.鈦制熱交換器管板自動焊工裝改進[J].石油化工設備，2013，42(1):64-67.

2016-06-21

武漢市科技計劃項目(201130239034)

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