張曉航 黃振華 馮剛強(qiáng)
摘要:對氬弧自動焊設(shè)備及中小徑薄壁管氬弧自動焊工藝進(jìn)行了研究,通過焊接試驗(yàn)表明,氬弧自動焊設(shè)備操作簡單,焊接過程穩(wěn)定,可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,降低焊工勞動強(qiáng)度及制造成本,可在中小徑薄壁管焊接生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:中小徑薄壁管;氬弧自動焊;焊接操作機(jī);焊接工藝評定
0 引言
目前大型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐、垃圾電站鍋爐、造紙廠專用鍋爐的連接管道數(shù)量多、規(guī)格小、管壁薄,國內(nèi)多采用全手工氬弧焊焊接工藝進(jìn)行管道的焊接,生產(chǎn)效率低,焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定,亟需研發(fā)新的焊接方法和設(shè)備解決以上問題。氬弧自動焊設(shè)備操作簡單,在技術(shù)人員預(yù)先設(shè)置好合適的焊接工藝參數(shù)前提下,焊工只需操作功能按鈕便可實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動化[1]。基于以上背景,我公司對氬弧自動焊設(shè)備及中小徑薄壁管氬弧自動焊工藝進(jìn)行了研究。
本文主要介紹了氬弧自動焊設(shè)備構(gòu)造及原理,以中小徑薄壁碳鋼管、低合金耐熱鋼管為工藝試驗(yàn)材料,驗(yàn)證設(shè)備的可操作性和工藝的可實(shí)施性,為中小徑薄壁管采用氬弧自動焊工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)提供參考。
1 氬弧自動焊設(shè)備構(gòu)造
1.1? ? 設(shè)備整體構(gòu)造介紹
氬弧自動焊設(shè)備主要由焊接操作機(jī)、變位機(jī)和滾輪架組成,如圖1所示。其中,焊接操作機(jī)采用懸臂式機(jī)械機(jī)構(gòu),立柱和橫梁均為整體箱形結(jié)構(gòu),機(jī)械強(qiáng)度高,穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)緊湊。懸臂十字架的升降和伸縮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)均為直線滑軌導(dǎo)向機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)上下、水平運(yùn)動的協(xié)同控制,運(yùn)行精度高,具備自動提槍功能,可應(yīng)用于多種規(guī)格、多種形態(tài)管道的自動化焊接。操作機(jī)整體安裝在行走臺車上,可適應(yīng)不同長度工件的焊接需求,操作機(jī)與行走臺車之間連接有手動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),滿足焊接機(jī)頭的回轉(zhuǎn)和焊接位置的調(diào)節(jié)要求。
變位機(jī)采用中空卡盤動力頭式設(shè)計,夾緊工件后可上下升降調(diào)節(jié),配合兩套托輥滾輪架托舉工件,保證工件軸線與卡盤同軸。變位機(jī)和滾輪架為可移動式,道軌鋪設(shè)在地面上,變位機(jī)和滾輪架可在道軌上移動,移動到位后可手動鎖緊,電機(jī)驅(qū)動卡盤實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn),與操作機(jī)配合實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫的焊接。焊接電流、電壓、送絲速度、橫臂升降、橫臂伸縮、卡盤轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)可通過手持控制盒預(yù)先進(jìn)行數(shù)字化設(shè)置,焊接過程中也可根據(jù)成型狀態(tài)進(jìn)行手動操作按鈕的調(diào)節(jié)。
1.2? ? 焊接電源與送絲機(jī)
焊接電源采用松下YC-400TX直流脈沖弧焊電源,自帶水冷系統(tǒng)和9 L水箱,焊接電流、焊接電壓可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,該電源具有直流TIG焊、直流脈沖TIG焊、直流手工焊3種焊接功能。電源的脈沖電流、基值電流、脈沖頻率、脈沖寬度可無級調(diào)節(jié),適合各種規(guī)范條件下的焊接要求。
送絲機(jī)采用威爾得WF-007A多功能自動送絲機(jī),具有延時送絲、脈動送絲、連續(xù)送絲功能,送絲速度、送絲方式采用數(shù)字化控制。根據(jù)具體的工件尺寸和焊接效率要求,可更換多種規(guī)格的送絲輪、送絲嘴,焊絲盤與焊槍距離較遠(yuǎn),中間采用送絲軟管相連。
1.3? ? 焊接擺動器與弧長控制器
焊接擺動器采用伊道YDBDZ-10擺動器,為自動焊專用直線往返式擺動器,由精密步進(jìn)電機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)組成,焊接擺動器通過連接機(jī)頭電動X軸橫向滑臺,采用直線凹槽導(dǎo)向加滾珠絲杠的驅(qū)動方式使焊槍左右擺動。焊槍擺動幅度、擺動速度和兩端停留時間,可通過PLC控制,以預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行擺動,保證焊縫兩側(cè)充分熔合?;焊櫴褂靡恋繷D-951弧長控制器,通過PLC控制弧壓傳感單元和電弧高度執(zhí)行機(jī)構(gòu),連接機(jī)頭電動Y軸縱向滑臺來控制焊槍高度和電弧長短,從而保證熔池成型,獲得均勻的焊縫外觀。
1.4? ? 機(jī)頭部位
機(jī)頭部位由焊槍夾持機(jī)構(gòu)、送絲夾持機(jī)構(gòu)和電動十字滑臺組成。焊槍夾持和送絲夾持機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對焊槍和送絲角度的微調(diào),電動十字滑臺的有效行程為X軸±50 mm、Y軸±50 mm,按運(yùn)動方式可分為上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)和左右運(yùn)動機(jī)構(gòu)。上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)為兩塊帶有卡槽的角鋁,角鋁背面裝有兩個軸承,通過絲杠和滑塊與另一塊鋁板相連,絲杠頂端有可轉(zhuǎn)動的旋鈕,配合弧長控制器,可實(shí)現(xiàn)焊槍上下移動,即在焊接過程中能調(diào)節(jié)電弧長短。左右運(yùn)行機(jī)構(gòu)裝有折彎鋁板,通過絲杠和滑塊與運(yùn)動機(jī)構(gòu)連接在一起,在絲杠的一端安裝有電機(jī),電機(jī)運(yùn)行時可帶動焊槍實(shí)現(xiàn)左右擺動[2]。
2 工藝評定試驗(yàn)與焊接生產(chǎn)應(yīng)用
2.1? ? 工藝評定
為了驗(yàn)證氬弧自動焊對中小徑薄壁管的焊接質(zhì)量及性能,按照《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)(NB/T 47014)進(jìn)行了3組焊接工藝評定試驗(yàn),工藝評定清單如表1所示。由于采用自動氬弧焊時,不能進(jìn)行定位焊,且設(shè)備不具備智能感應(yīng)焊縫的組合間隙大小的功能,因此,氬弧自動焊對焊接工件的前期制備工作比手工氬弧焊更嚴(yán)格。焊接方法主要采用手工氬弧焊加氬弧自動焊的組合式焊接方法,焊接過程為手工氬弧焊打底,自動氬弧焊填充蓋面;坡口形式為V形坡口,焊接電源為直流正接,氬氣純度為99.99%。由于自動焊往往是大電流連續(xù)工作,考慮到焊槍和鎢極的承受能力,選用垂直水冷式焊槍和規(guī)格較大的鎢極(直徑3.2 mm)、瓷嘴(直徑12 mm)。在焊接過程中,較大尺寸的瓷嘴能更好地保護(hù)電弧和熔池。其他焊接工藝參數(shù)如表2所示。
焊前可采用空轉(zhuǎn)焊接操作機(jī)和變位機(jī)的模擬焊接方式,在手持控制盒預(yù)先輸入好焊接工藝參數(shù)后,調(diào)整好焊槍與工件的位置即可進(jìn)行正式焊接。焊接過程為變位機(jī)夾緊工件水平轉(zhuǎn)動,焊接操作機(jī)機(jī)頭夾持焊槍焊接。氬弧焊為明弧焊接,能觀察電弧及熔池[3],焊接過程中也可以根據(jù)電弧、熔池狀態(tài),及時調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)。相比工件在水平固定狀態(tài)下的手工氬弧焊接,氬弧自動焊能保持工件的水平轉(zhuǎn)動焊接。其技術(shù)特點(diǎn)是,焊絲可以連續(xù)送進(jìn),焊絲熔敷速度快,減少了焊工換絲或變換姿勢的時間[4]。此外,該設(shè)備焊接過程穩(wěn)定,電弧熱量集中,能更好地保證焊接接頭質(zhì)量。焊接過程如圖2所示。
2.2? ? 試驗(yàn)結(jié)果分析
焊后分別對試件進(jìn)行了外觀檢查、無損檢測、力學(xué)性能試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。外觀檢查結(jié)果表明,焊縫表面成型良好,焊縫寬度、余高均勻一致,焊趾處與母材平滑過渡,焊縫區(qū)無明顯熔渣、氣孔、未熔合等缺陷,焊縫表面外觀如圖3所示。射線檢驗(yàn)報告顯示,焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷,檢驗(yàn)結(jié)果完全合格。
此外,依據(jù)《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)(NB/T 47014)對焊縫進(jìn)行了破壞性力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
由表3可知,拉伸斷裂位置均出現(xiàn)在母材部位;彎曲試驗(yàn)未出現(xiàn)開裂。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明:焊縫各項(xiàng)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.3? ? 焊接生產(chǎn)應(yīng)用
根據(jù)以上合格的焊接工藝評定,我公司編制了氬弧自動焊焊接工藝規(guī)程和焊接作業(yè)指導(dǎo)書,為中小徑薄壁管焊接生產(chǎn)中使用氬弧自動焊設(shè)備創(chuàng)造了技術(shù)條件。根據(jù)《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)可知,GP161對接管件壁厚可適用范圍為5~28 mm,GP164對接管件壁厚可適用范圍為1.5~14.22 mm,GP167對接管件壁厚可適用范圍為1.5~13.1 mm,該標(biāo)準(zhǔn)中對管件直徑適用范圍沒有限制。目前我公司的氬弧自動焊設(shè)備正應(yīng)用于某海外項(xiàng)目中低壓管道的焊接生產(chǎn)中,該項(xiàng)目有700多個焊口,每個焊口都需要經(jīng)過磁粉、射線檢測,從實(shí)際應(yīng)用效果來看,使用氬弧自動焊設(shè)備焊接的焊縫合格率高,在中小徑薄壁管焊接應(yīng)用中前景廣闊。
3 結(jié)論
(1)氬弧自動焊設(shè)備操作簡單、易學(xué),焊接過程穩(wěn)定,焊縫成型美觀,能降低焊接工人的勞動強(qiáng)度,提高焊接生產(chǎn)效率。
(2)采用氬弧自動焊設(shè)備進(jìn)行管道焊接,能獲得優(yōu)質(zhì)、美觀的焊接接頭,焊縫各項(xiàng)性能也能滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。
(3)在中小徑薄壁管的工廠化焊接生產(chǎn)中,完全可以采用氬弧自動焊設(shè)備進(jìn)行批量焊接生產(chǎn)。
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收稿日期:2020-04-01
作者簡介:張曉航(1991—),男,河南許昌人,助理工程師,焊接技術(shù)員,從事電站管道焊接生產(chǎn)管理和焊接技術(shù)自動化研究工作。