鉆機操縱臺油管自動焊接裝置的研制

陳 亮，王 普，高 勇，贠江劍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院鉆探技術(shù)研究所，陜西 西安710077)

隨著社會對能源需求量的增加，作為煤礦安全的關(guān)鍵設(shè)備的煤礦坑道鉆機的需求量也大大增加，對鉆機的生產(chǎn)周期和品質(zhì)也提出更高的要求。分體式煤礦坑道鉆機主要由主機、泵站和操縱臺三部分組成[1]。操縱臺是鉆機三大部件中的控制部分，是鉆機的關(guān)鍵部件之一。操縱臺中油管連接較多，大都是管件或管件與接頭的焊接。油管焊接對操縱臺的裝配效率和質(zhì)量都有著重要的影響作用。目前，油管的焊接主要是手工的氧乙炔焊接，需要鉗工和焊工配合來完成。焊接品質(zhì)的穩(wěn)定性很難保證，尤其是新的焊工需要較長時間才能勝任焊接工作，這都直接影響油管的焊接品質(zhì)和效率，進(jìn)而影響操縱臺裝配效率。

本文在臥式環(huán)焊縫焊機的基礎(chǔ)上研制了鉆機操縱臺油管的自動焊接機，實現(xiàn)了油管和接頭的自動焊接，提高了操縱臺油管的焊接品質(zhì)，縮短了其生產(chǎn)周期。

1 油管自動焊接裝置

1.1 自動焊接機的設(shè)計

操縱臺油管可以分為“―”字型和“L”型兩種，油管的焊接都是接頭和無縫管（20號輸送流體用無縫鋼管）的對焊。焊接機需要完成接頭和油管的快速加緊、松開、頂緊、退回、同步旋轉(zhuǎn)、焊槍升降、調(diào)節(jié)等動作。

采用在臥式焊接機的基礎(chǔ)上增加一個同步旋轉(zhuǎn)的從動旋轉(zhuǎn)機頭和氣動尾座來實現(xiàn)焊接接頭和“―”字型或“L”型焊管的同軸旋轉(zhuǎn)和軸向移動，用三爪卡盤來裝夾接頭，用改造的氣動卡盤來裝夾油管，設(shè)計出了操縱臺油管焊接裝置。油管自動焊接裝置由焊接電源、焊接主機、控制器等組成。

1.2 焊接控制要求

油管環(huán)縫焊機控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制焊接、手動控制焊接及故障檢測程序。

（1）手動控制過程，通過各個動作的控制開關(guān)獨立完成焊槍的升降、旋轉(zhuǎn)機頭的前進(jìn)和后退、夾緊開關(guān)的夾緊和松開等動作。

（2）自動控制過程，可以實現(xiàn)調(diào)試和焊接過程的自動控制，油管夾緊動作，從動旋轉(zhuǎn)機頭前進(jìn)動作，焊槍下降動作，焊槍送絲、起弧、主動、從動電機旋轉(zhuǎn)動作，焊接收弧，各個動作依次順序進(jìn)行。控制流程圖如圖1所示。

圖1 控制流程圖

（3）故障檢測，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的監(jiān)測和報警，當(dāng)出錯時及時停止焊接工作，然后切換到手動狀態(tài)經(jīng)人工調(diào)整繼續(xù)完成后面的焊接工作或進(jìn)行設(shè)備維修。

2 油管的焊接工裝

油管焊接的基本要求是滿足油管長度和角度的要求。這是保證油管在裝配過程中能否實現(xiàn)完全互換的關(guān)鍵，也是提高焊接效率的前提。此外，還有對焊縫強度的要求，最基本的強度要求是焊縫的抗拉強度要大于焊接母材抗拉強度[2]，而且使用中不能出現(xiàn)液壓油滲漏現(xiàn)象。

油管的焊接主要考慮接頭和無縫管的裝夾。對自動焊接裝置的焊接工裝有兩個基本要求：首先，要能夠滿足“―”字型和“L”型兩種管子的裝夾；其次還要能實現(xiàn)管接頭和管子的自動對中。焊接頭是外螺紋或者內(nèi)螺紋，與三爪卡盤相連接的接頭工裝（見圖2）就能實現(xiàn)其定位。

圖2 油管接頭的裝夾工裝

考慮到管子的裝卸方便，管子裝夾工裝是利用兩爪氣動卡盤的兩爪，與其連接的兩個“v”形塊實現(xiàn)油管的快速加緊，而與這兩爪垂直的另一“v”型塊可方便的實現(xiàn)“L”型管子的裝夾和自動對中。如圖3所示。

圖3 L型油管焊接工裝

3 焊接試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

（1）檢查焊接裝置各種動作是否正常；

（2）檢驗設(shè)計的焊接工裝能夠滿足“―”字型和“L”型兩種油管與接頭的焊接；

（3）通過試驗確定 準(zhǔn)16、準(zhǔn)20、準(zhǔn)22、準(zhǔn)27四種管子焊接工藝參數(shù)。

3.2 試驗內(nèi)容

首先對焊機的主動旋轉(zhuǎn)機頭、從動旋轉(zhuǎn)機頭、焊槍氣動推進(jìn)機構(gòu)、氣動尾座、氣動卡盤、導(dǎo)電機構(gòu)、控制系統(tǒng)等，進(jìn)行了逐一檢查確定各機構(gòu)動作正常。其次，通過試驗選取焊絲直接 電壓 電流 焊接速度等焊接參數(shù)，如表1所示。

表1 油管焊接參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場試驗將焊機主動旋轉(zhuǎn)機頭的轉(zhuǎn)速調(diào)整到10 r/min，焊縫飽滿，熔深達(dá)到4 mm，熔寬達(dá)到5 mm以上。從焊縫剖開圖（見圖4）可以看出，焊縫沿油管一周都已焊透。

圖4 焊縫剖開圖

3.3 試驗結(jié)果

焊接裝置的動作正常靈活，各焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可實現(xiàn)“―”字型和“L”型兩種油管與接頭的焊接。確定了 準(zhǔn)16、準(zhǔn)20、準(zhǔn)22、準(zhǔn)27四種管子焊接工藝參數(shù)，并從目測合格產(chǎn)品中抽選出100件作為焊縫檢驗的試件。

4 焊縫檢驗

4.1 焊接結(jié)構(gòu)的缺陷類型

由于焊接熱過程的特殊性，如加熱溫度高、速度快、高溫停留時間短、局部加熱產(chǎn)生不均與相變及應(yīng)變、在應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變等，使得焊接結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生外觀缺陷（要有：咬邊、焊瘤、凹坑等），和氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷[3]。

4.2 焊縫檢驗

我們對焊接后的油管隨機抽取進(jìn)行了耐壓試驗，油管焊縫的耐壓試驗采用在操縱臺上直接測試，憋壓25 MPa保壓10分鐘，若出現(xiàn)滲漏即判定為不合格。100根焊接油管均無出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，合格率為100%。此外，我們還對4根油管做了金相組織[4]檢和Χ射線檢測，檢測結(jié)果顯示：未發(fā)現(xiàn)有未融合，未焊透，裂紋，夾渣，氣孔等缺陷。對2根焊后油管做了拉伸試驗，拉伸試驗采用整管拉伸，試件從無縫鋼管一側(cè)出現(xiàn)縮頸、斷裂，抗拉強度分別為510 MPa和505 MPa，均大于母材強度（450 MPa）。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一臺適用于操縱臺油管環(huán)縫焊接專機和一套焊接模具，根據(jù)試驗總結(jié)的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接參數(shù)進(jìn)行了自動焊接試驗。自動機焊后的油管和氧乙炔焊接相比：焊縫成型好，生產(chǎn)成本低，焊接效率高。自動機焊的效率相比乙炔焊接提高了近一倍，節(jié)省人工成本達(dá)10萬余元。油管自動焊機焊接油管可以大大降低油管的焊接缺陷，焊接合格率從原來的96%提高到99.8%，每年又可節(jié)約成本近2萬元。

[1]陳 健，姚寧平，殷新勝.MK系列鉆機及其在煤礦瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（2）：55-56.

[2]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊（第1卷）：焊接方法及設(shè)備[M].第2版，北京:機械工業(yè)出版社，2001.

[3]李亞江，劉 強，王 娟.氣體保護(hù)焊工藝及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]上海材料研究所.金相檢驗[M].上海:《理化檢驗》編輯部出版，1983.