芮 暉，龔治濱，王 皓，胡小剛，霍春亮

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北滄州 062450；3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北滄州 062552）

1 背景介紹

石油機(jī)械廠是固控系統(tǒng)專業(yè)生產(chǎn)廠家，年生產(chǎn)固控系統(tǒng)20套以上，平均每套系統(tǒng)8 個(gè)固控罐，全年罐體生產(chǎn)數(shù)量約200具。罐體四周的瓦楞板總焊縫長(zhǎng)度達(dá)到60 m 左右，其焊接質(zhì)量是決定固控罐體外觀質(zhì)量的關(guān)鍵因素；目前的施工方式為手工電弧焊，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接缺陷多，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。單個(gè)罐體焊接時(shí)間為16 個(gè)工時(shí)，焊接過(guò)程中需要經(jīng)常性修理打磨，行吊配合調(diào)整焊接位置，成為制約工期的主要原因。近年來(lái)人工成本大幅上升，焊工日工資300～400 元，人工成本一直居高不下，進(jìn)一步壓縮了利潤(rùn)空間。

2 方案研究

2.1 研究目標(biāo)

研制集機(jī)械、電氣控制于一體的安全、高效的自動(dòng)焊接裝置，確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用材料以及制作工藝，確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。通過(guò)研究完成自動(dòng)焊接裝置的原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成樣機(jī)制作，通過(guò)廠內(nèi)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或接近國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品。

2.2 研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容有：①調(diào)研自動(dòng)焊小車(chē)、軌道，比較探針式接觸傳感器和激光距離傳感器對(duì)焊縫跟蹤的性能差別，實(shí)現(xiàn)針對(duì)瓦楞板主焊縫的連續(xù)跟蹤；②焊接小車(chē)、小車(chē)軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③伺服電機(jī)、滑軌、電控箱、電氣元件、PLC 存儲(chǔ)器等外購(gòu)件的選型；④PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；⑤拓展焊接范圍，實(shí)現(xiàn)其他位置的焊接。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)有：①特殊軌道的結(jié)構(gòu)及焊接小車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)，使焊接小車(chē)便于移動(dòng)、拆裝，適合固控罐內(nèi)、外角焊縫焊接的要求；②焊縫跟蹤控制技術(shù)的應(yīng)用；③焊槍進(jìn)出瓦楞區(qū)域時(shí)，控制焊接小車(chē)變速功能的設(shè)計(jì)，保持焊接速度穩(wěn)定；④PLC 控制程序的編制及調(diào)試，滿足焊接系統(tǒng)的各種控制功能。

3 樣機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

實(shí)現(xiàn)50 mm 深凹槽、45°大折彎角的激光跟蹤和角焊縫焊接。PLC 控制程序的編制及調(diào)試，滿足焊接系統(tǒng)的各種控制功能。特殊軌道的結(jié)構(gòu)及焊接小車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)，整機(jī)重量小于15 kg。可焊接罐體的內(nèi)、外側(cè)共計(jì)120 m 瓦楞焊縫，焊接效率提高1 倍。

3.2 主要部件

自動(dòng)焊接裝置主要由軌道、焊接軌道小車(chē)、電控系統(tǒng)等部分組成（圖1）。

圖1 自動(dòng)焊接裝置

3.2.1 軌道

焊機(jī)軌道采用剛性支架梁及柔性齒條結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要進(jìn)行拼接，單組長(zhǎng)度2 m。軌道固定方式采用多組強(qiáng)磁力座固定于被焊固控罐上。

軌道直線度和平面度都有極高的要求，齒孔一致性要求極高，針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)置了數(shù)控加工工藝，通過(guò)數(shù)控加工中心一次裝夾完成所有加工邊及加工孔，保證了軌道直線度及平面度，同時(shí)保證了齒孔的一致性。軌道機(jī)加工完成再進(jìn)行表面除油及鍍鋅處理，保證了軌道耐用性。

軌道裝配前所有零件必須清洗，對(duì)一些粗糙部位還應(yīng)用細(xì)砂布打磨。首先用不銹鋼螺絲固定龍骨型材及軌道面，調(diào)整龍骨保證其平行度。然后安裝磁鐵固定支架，保證支架與軌道垂直。接下來(lái)安裝防撞磁鐵。最后將裝好的軌道置于平臺(tái)上進(jìn)行直線度及平面度測(cè)量并進(jìn)行調(diào)整。裝配好后，軌道面應(yīng)與平面平行，各連接牢固。安裝好的焊機(jī)軌道如圖2 所示。

圖2 焊機(jī)軌道

3.2.2 焊接小車(chē)

焊接小車(chē)包括小車(chē)支架、行走機(jī)構(gòu)和滑臺(tái)支架。

系統(tǒng)主架構(gòu)采用鋁型材結(jié)構(gòu)，在工位上的安裝與拆卸要簡(jiǎn)潔、易行，方便移動(dòng)操作。

行走機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，焊接小車(chē)可以在軌道水平放置時(shí)正常行走。小車(chē)行走齒輪采用精磨工藝，保證了與軌道精密配合度，連接結(jié)構(gòu)采用數(shù)控加工，保證了車(chē)體的精度。

焊接小車(chē)組裝時(shí)要保證直角傘輪嚙合良好，行走齒輪與軌道齒嚙合良好，4 個(gè)支撐光輪輪槽應(yīng)在一個(gè)平面上。十字滑臺(tái)應(yīng)保證與小車(chē)平面的垂直度與平行度。電機(jī)安裝必須平穩(wěn)、牢固。行走離合器應(yīng)分離結(jié)合良好。裝配好后，轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)靈活，各部位不得有阻滯。如有阻滯，可調(diào)節(jié)法蘭密封墊厚度。激光掃描傳感器安裝到小車(chē)平面平行位置并與邊沿平齊。安裝好的焊接小車(chē)如圖3 所示。

圖3 焊接小車(chē)

3.2.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括PLC 主控系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)（Y/Z 軸）、X/Y/Z 軸電機(jī)系統(tǒng)、焊槍擺動(dòng)控制系統(tǒng)，有以下功能：①可設(shè)定參數(shù)，跟蹤距離、焊接速度、擺動(dòng)速度、跟蹤高度、跟蹤誤差等，并能顯示當(dāng)前工作時(shí)的焊接工況參數(shù)；②可存儲(chǔ)多組焊接工藝，方便焊接時(shí)調(diào)用；③焊接開(kāi)始時(shí)，自動(dòng)根據(jù)輸入的參數(shù)完成進(jìn)槍、起弧、焊接、?；?；④斷絲斷弧檢測(cè)功能，檢測(cè)到斷絲斷弧后，停止焊接并報(bào)警；⑤根據(jù)波腹板變化在行程范圍內(nèi)自動(dòng)完成焊縫二維跟蹤；⑥可隨時(shí)中斷焊接狀態(tài)，然后原位繼續(xù)焊接。

系統(tǒng)包括主控箱（圖4）、遠(yuǎn)程操作盒（圖5）等。

圖4 焊接控制箱

圖5 遠(yuǎn)程操作盒

主控箱的控制柜開(kāi)孔，要保證開(kāi)孔符合安裝尺寸要求。然后依次安裝主控制器、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器。再根據(jù)設(shè)計(jì)連接各電器部件。接下來(lái)進(jìn)行通電測(cè)試，檢查各電器部件工作情況。最后手控盒開(kāi)孔，安裝各按鈕。并進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試，確保各部件工作符合要求。

3.3 整機(jī)技術(shù)要求

3.3.1 控制系統(tǒng)

（1）控制部分整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作等過(guò)程中執(zhí)行相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)瓦楞板自動(dòng)焊接所要求的控制動(dòng)作，具備焊縫的激光跟蹤、焊槍的焊接擺動(dòng)功能。

（3）控制系統(tǒng)要具有現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)狀態(tài)顯示、報(bào)警等指示裝置；具有現(xiàn)場(chǎng)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)等功能；配置遠(yuǎn)距離操作、控制等功能。

3.3.2 機(jī)械部分

（1）軌道固定方式采用多組強(qiáng)磁力座固定于被焊固控罐上。

（2）焊接軌道系統(tǒng)主架構(gòu)采用鋁型材結(jié)構(gòu)，在工位上的安裝與拆卸簡(jiǎn)易，方便移動(dòng)操作，軌道可根據(jù)需要進(jìn)行拼接，單組長(zhǎng)度2 m，最長(zhǎng)可達(dá)14 m。

（3）行走機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，小車(chē)可以在軌道水平放置時(shí)正常行走。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

焊接過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題是焊槍的出絲長(zhǎng)度與擺動(dòng)距離的不匹配，容易造成焊接立板部位的咬邊甚至焊透現(xiàn)象，原程序?yàn)榉乐乖诤附舆^(guò)程中出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，鎖定手動(dòng)調(diào)整焊槍Y、Z調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)研究，新加入焊接過(guò)程中的焊接微調(diào)，在焊接過(guò)程中人為干預(yù)調(diào)整量限制在±5 mm，對(duì)于焊接過(guò)程中的微小偏差方便及時(shí)調(diào)整，保證焊接質(zhì)量。

4.1 直線焊接質(zhì)量對(duì)比

圖6 給出手工焊、自動(dòng)焊及調(diào)整后自動(dòng)焊焊縫質(zhì)量，可以看出手工焊焊接接頭多，焊縫成型質(zhì)量差；自動(dòng)焊焊接接頭少，但是由于焊接電壓低，造成焊縫成型質(zhì)量不理想，在適當(dāng)調(diào)整電壓后，焊縫成型質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖6 直線焊縫質(zhì)量對(duì)比

4.2 瓦楞區(qū)域大折彎角焊縫焊接質(zhì)量對(duì)比

圖7 給出了手工焊和自動(dòng)焊大折彎角處的焊縫質(zhì)量，可以看出手工焊焊縫成型質(zhì)量較差，焊縫寬度較不均勻；自動(dòng)焊焊縫成型好，焊縫寬度均勻度較好。

圖7 大折彎角焊縫質(zhì)量對(duì)比

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比該裝置在瓦楞板焊接作業(yè)過(guò)程中，12 m 的焊縫采用手工焊接耗時(shí)75 min，采用該裝置后焊接耗時(shí)40 min，生產(chǎn)效率提高近一倍。且焊縫成型質(zhì)量好，沒(méi)有需要打磨的接頭和缺陷，極大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置在操作方面，簡(jiǎn)單方便，容易上手，同時(shí)設(shè)備輕便，便于生產(chǎn)中的搬運(yùn)。

5 結(jié)語(yǔ)

瓦楞板自動(dòng)焊接裝置性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，充分體現(xiàn)出其高效、省時(shí)的性能特點(diǎn)，焊接質(zhì)量得到很大的提高。該裝置實(shí)現(xiàn)了瓦楞板的自動(dòng)焊接，替代手工焊接后，極大地提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化了人員配置，改善了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和條件，也為固控罐焊接質(zhì)量的提高提供了良好的技術(shù)保障。同時(shí)該方法可在類(lèi)似的鋼結(jié)構(gòu)罐體焊接中進(jìn)行推廣應(yīng)用。