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)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 呂健，馬子健，王亮.中俄東線D1 422 mm管道自動焊裝備應(yīng)用及分析[J].焊接技術(shù)，2019，48（6）：61-64.

[2] 張春紅，高開熠，張寧，等.可夾持焊槍的氬弧焊自動焊接裝置[J].焊管，2014，37（9）：47-50.

[3] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 王建軍.長輸油氣管道全位置自動焊接技術(shù)探索[J].煉油技術(shù)與工程，2011，41（6）：44-46.

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。