姜中毅

1 前言

煤粉燃燒器是影響水泥窯產(chǎn)量和熟料質(zhì)量的重要設(shè)備，延長燃燒器的使用壽命、減少維修次數(shù)，對保證水泥廠正常生產(chǎn)有著重要意義。燃燒器耐磨件的磨損返修是導(dǎo)致燃燒器損壞的主要原因之一，本文著重?cái)⑹瞿湍ゼ湍ザ押傅闹悄芑に嚒?/p>

眾所周知，煤粉顆粒在燃燒器管道內(nèi)部高速運(yùn)動(dòng)，無法避免撞擊和沖刷入口表面，時(shí)間一長就可能擊穿沖刷部位，使煤粉進(jìn)入旋風(fēng)管道，造成煤風(fēng)與內(nèi)外風(fēng)道“串風(fēng)”，無法進(jìn)行火焰的調(diào)整并嚴(yán)重影響燃燒效率，因此大多數(shù)燃燒器都在煤粉入口處加厚或者采用耐磨噴涂或堆焊的方法，以保證燃燒器煤風(fēng)進(jìn)風(fēng)部位風(fēng)管的耐磨性，耐磨性的高低是決定燃燒器使用壽命的關(guān)鍵。

煤粉燃燒器是我公司的主要產(chǎn)品之一，以往的耐磨管堆焊工序都是外協(xié)制作完成后，回公司進(jìn)行加工和組裝。從2017年年初開始，基于質(zhì)量、進(jìn)度、成本等因素考慮，我們制定了逐步實(shí)現(xiàn)堆焊自制的計(jì)劃。鑒于燃燒器的耐磨層堆焊都是在規(guī)則的焊接圓管表面進(jìn)行，便于采用自動(dòng)焊接方式，因此我們嘗試使用公司原有六軸焊接機(jī)器人進(jìn)行堆焊操作，并在紅水河項(xiàng)目上試驗(yàn)成功。

2 系統(tǒng)組成

如圖1所示，整套堆焊系統(tǒng)包括六軸焊接機(jī)器人、自制滾動(dòng)焊接工裝、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)、伺服單軸焊接變位機(jī)、操控界面等幾個(gè)主要部分。裝卡焊槍的六軸焊接機(jī)器人是整套系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)耐磨層的堆焊；滾動(dòng)焊接工裝起著支撐工件和輔助旋轉(zhuǎn)的作用；伺服單軸焊接變位機(jī)負(fù)責(zé)為焊接工件的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力來源；操控界面負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)編程操作；環(huán)保收塵裝置負(fù)責(zé)焊接煙塵的無害化處理。

耐磨層焊材選用LQ350 1.6型堆焊藥芯焊絲，此焊材工藝操作簡單，成本低，焊絲化學(xué)成分含有C、Si、Mn、Cr等。熔敷金屬為高鉻合金，金相組織為馬氏體加合金碳化物，碳化物具有極高的硬度，因而具有優(yōu)良的耐磨損性能。

3 焊接過程

（1）焊接前對直縫焊管表面的油、銹等污物進(jìn)行清理，降低工件表面因質(zhì)量缺陷對焊接工藝造成的影響。

圖1 堆焊系統(tǒng)組成

（2）焊接時(shí)避免采用過大的電流，以防止出現(xiàn)氣孔，影響焊接質(zhì)量。電流參數(shù)設(shè)定為：150～170A，電壓設(shè)定為：12V（不同廠家提供的焊絲，電流、電壓參數(shù)略有不同），機(jī)器人堆焊水平步進(jìn)距離為每道焊縫5mm；焊接直徑φ200管道外壁，選擇轉(zhuǎn)速為3.0～3.5mm/s；焊接直徑φ310管道內(nèi)壁，選擇轉(zhuǎn)速為2.5～3.0mm/s；焊絲干伸長為15mm；焊接方式采用下坡焊。按照圖紙要求堆焊層厚度為4mm，此設(shè)備單次焊接焊縫成型厚度為3mm，需堆焊兩層。

（3）由于堆焊過程是以設(shè)定的速度按特定軌跡從起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，故采用CP連續(xù)軌跡方式。另一種為PTP點(diǎn)對點(diǎn)方式，即機(jī)器人以全速從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)，對兩點(diǎn)間軌跡未做規(guī)定，不適合本操作。

編制程序：第一步：機(jī)器人手臂所處原始位置設(shè)起點(diǎn)一；第二步：焊接手臂從起點(diǎn)一快速到達(dá)離焊接工件表面起始點(diǎn)高30mm處；第三步：焊接手臂緩慢到達(dá)離焊接工件表面起始點(diǎn)高15mm處，起弧并開始焊接，同時(shí)變位機(jī)啟動(dòng)，工件旋轉(zhuǎn)；第四步：焊接手臂按照每圈步進(jìn)5mm速度焊接80圈，共計(jì)400mm；第五步：手臂抬起，停止焊接；第六步：焊接手臂達(dá)到起點(diǎn)二；第七步：焊接手臂從起點(diǎn)二快速到達(dá)離焊接表面高30mm處；第八步：焊接手臂緩慢到達(dá)離焊接工件表面距離15mm處，起弧并開始焊接；第九步：焊接手臂按照每圈步進(jìn)5mm速度返回焊接80圈（與第四步水平焊接方向相反），共計(jì)400mm，返回起始點(diǎn)；第十步：手臂抬起。第十一步：手臂返回起點(diǎn)一。如圖2所示，編程完畢后先模擬整個(gè)動(dòng)作過程，確認(rèn)程序無誤后開始正常焊接，堆焊成型過程如圖3所示。

（4）堆焊完成400mm后，保持焊接手臂不動(dòng)，整體將變位機(jī)和圓管沿軸向平移400mm，從編程第一步開始重復(fù)焊接操作。以2m長焊接圓管每次焊接400mm為例計(jì)算，共需平移工件和變位機(jī)四次，實(shí)現(xiàn)2m長焊接圓管的整體耐磨堆焊。

同理，直徑φ310圓管內(nèi)壁的耐磨層堆焊與上述外圓堆焊步驟類似。

圖2 堆焊動(dòng)作過程模擬

圖3 堆焊成型過程

4 注意事項(xiàng)

（1）由于工件的管壁為8mm，長時(shí)間焊接過程中容易使工件加熱變紅產(chǎn)生變形，影響成型效果，整個(gè)過程需要通水冷卻，以降低工件溫度。

（2）焊接溫度高，弧坑和焊絲鐵水冷卻時(shí)間長，在工件旋轉(zhuǎn)過程中容易造成鐵水下流，工件焊接表面形成許多焊瘤。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，我們采取圖2的操作方式，使焊槍離工件最高點(diǎn)水平距離15mm處開始起弧焊接，隨著工件的旋轉(zhuǎn)，焊接鐵水到達(dá)工件最高點(diǎn)時(shí)正好成型完成，焊縫質(zhì)量好且美觀（見圖3）。

圖4 各主要參數(shù)調(diào)整對焊縫質(zhì)量的影響

（3）該焊絲堆焊時(shí)表面會(huì)出現(xiàn)細(xì)裂紋，這是釋放應(yīng)力的結(jié)果，不影響工件耐磨性，可以正常使用。

（4）各主要參數(shù)調(diào)整對焊縫質(zhì)量影響具體如圖4所示。

5 堆焊質(zhì)量

（1）堆焊成品如圖5所示，堆焊層設(shè)計(jì)厚度4mm，實(shí)際值允許4mm≤δ≤6mm，實(shí)測值為6mm，圓周變形量誤差控制在2mm以內(nèi)，軸面長度誤差范圍：-1mm≤δ≤1mm，符合圖紙要求。

（2）堆焊層理論宏觀硬度為56～62HRC，焊接完成實(shí)測為56～58HRC，偏差范圍控制在5%左右，符合圖紙要求。

6 經(jīng)濟(jì)效益

圖5 堆焊成品局部圖

焊接機(jī)器人是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，其突破了焊接鋼性自動(dòng)化的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動(dòng)化新方式。焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定和焊接質(zhì)量高，可保證焊接產(chǎn)品的均一性；焊接生產(chǎn)效率高，一天可24h連續(xù)生產(chǎn)，可在有害環(huán)境下長期工作；改善了工人勞動(dòng)條件，降低了操作難度，可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化。以廣西紅水河項(xiàng)目為例，一套完整的耐磨圓管堆焊原外協(xié)費(fèi)用為10 000元，工期需要7d，改為機(jī)械手臂堆焊后，制作成本為6 000元，節(jié)約4 000元，工期為5d，以全年生產(chǎn)24臺(tái)燃燒器計(jì)算，年節(jié)約成本近10萬元，且具有可復(fù)制性。

7 改進(jìn)方向

從整個(gè)焊接過程來看，長圓管每焊接400mm，需整體平移工件和變位機(jī)一次后，再循環(huán)重復(fù)焊接操作，直至焊接完成，這一步驟影響了效率的提升，為此下一步我們將進(jìn)一步對程序、工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，增加自動(dòng)測距控制單元，爭取實(shí)現(xiàn)一次堆焊成型的目標(biāo)。

8 結(jié)語

生產(chǎn)工藝的智能化設(shè)計(jì)和應(yīng)用，是降低制造成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的有效手段，也是未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。六軸焊接機(jī)器人在燃燒器耐磨件耐磨堆焊過程中的成功應(yīng)用，為今后我公司逐步實(shí)現(xiàn)焊接的柔性生產(chǎn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為產(chǎn)品智能化制造積累了經(jīng)驗(yàn)?！?/p>