彎游梁抽油機(jī)前驢頭圓弧主焊縫氣保焊專機(jī)的研制

中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司 （河北青縣 062658） 趙 波 趙 濤 孫 奇 曹貴貞

在國內(nèi)廣大抽油機(jī)生產(chǎn)廠家中，游梁結(jié)構(gòu)基本都采用了埋弧焊，因?yàn)橛瘟褐黧w多是用鋼板或型鋼組成的方箱結(jié)構(gòu)或“工”字截面結(jié)構(gòu)，其主焊縫都為直線焊縫，應(yīng)用埋弧焊焊接小車即可較容易地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。但前驢頭結(jié)構(gòu)件的圓弧形主焊縫則不能直接使用自動(dòng)焊小車，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，因此國內(nèi)大部分抽油機(jī)生產(chǎn)廠家基本采用焊條電弧焊或半自動(dòng)氣保焊焊接。

為了提高焊接生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，我們于1997年先后設(shè)計(jì)了圓弧板板內(nèi)陷式前、前驢頭圓弧焊縫埋弧焊專機(jī)。其中前驢頭埋弧焊專機(jī)于1998年8月應(yīng)用于生產(chǎn)，在國內(nèi)抽油機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)中率先實(shí)現(xiàn)了前驢頭圓弧主焊縫的埋弧焊，獲得了很好的應(yīng)用效果。

近年來，我們又設(shè)計(jì)了專門用于彎游梁抽油機(jī)圓弧板外包式前驢頭圓弧主焊縫焊接的氣保焊專機(jī)，本文將對該機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1.彎游梁抽油機(jī)簡介

彎游梁抽油機(jī)是公司設(shè)計(jì)開發(fā)制造的高效節(jié)能型專利產(chǎn)品，是中國石油天然氣集團(tuán)公司向全國重點(diǎn)推廣的機(jī)型之一，在國內(nèi)和國外都得到廣泛應(yīng)用。它主要由前驢頭、彎游梁、尾游梁、橫梁、連桿、曲柄、平衡塊、減速器、支架、底座、電動(dòng)機(jī)及剎車裝置等組成。國內(nèi)抽油機(jī)中的前驢頭幾乎全部采用的是內(nèi)陷圓弧板結(jié)構(gòu)，而該機(jī)型中的前驢頭采用了外包圓弧板結(jié)構(gòu)。彎游梁游梁抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彎游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

2.抽油機(jī)前驢頭圓弧焊縫氣保焊專機(jī)簡介

該焊接專機(jī)主要由500A氣保焊電源、送絲機(jī)、焊槍、焊接平臺(tái)、中心軸、定位塊、墊鐵、連桿、連接架、焊接小車、氣動(dòng)直線導(dǎo)軌、夾槍裝置及仿形輪等組成（見圖2）。

圖2 前驢頭氣保焊專機(jī)結(jié)構(gòu)示意

圖3 前驢頭氣保焊專機(jī)俯視圖

（1）工作原理 彎游梁抽油機(jī)前驢頭是等半徑圓弧形結(jié)構(gòu)件，如圖3所示，圓弧半徑為R，圓心為O，圓弧夾角為α。根據(jù)外包圓弧板式前驢頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)采用了“圓規(guī)畫圓”的原理，利用連桿對焊接小車的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，再配合氣動(dòng)直線導(dǎo)軌、夾槍裝置、仿形輪機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了氣保焊槍焊絲對等半徑圓弧焊縫的自動(dòng)仿形跟蹤與焊接。

（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 對埋弧焊小車進(jìn)行技術(shù)改造，拆除原焊接小車上的立柱及其上面固定的懸臂、埋弧焊機(jī)頭、焊絲盤等裝置，僅使用原埋弧焊小車底部行走小車，保留小車底盤及行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

利用一根連桿和一個(gè)連接架將焊接小車與焊接平臺(tái)上處于前驢頭圓弧圓心的中心軸連接起來，然后通過位于前驢頭圓弧線處的定位塊1、定位塊2，對前驢頭的擺放位置進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)焊接小車上氣保焊槍焊絲對圓弧形焊縫軌跡的粗略跟蹤。由于原埋弧焊焊接小車主動(dòng)輪、從動(dòng)輪軸線相互平行，小車行走輪與焊接平臺(tái)之間除了滾動(dòng)摩擦，還有滑動(dòng)摩擦，使得焊接小車轉(zhuǎn)向阻力很大并且產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)對焊接造成嚴(yán)重干擾，以及工裝裝配間隙誤差和前驢頭圓弧圓弧板組合半徑方向偏差的存在，使得單一的連桿牽引導(dǎo)向系統(tǒng)跟蹤焊縫的準(zhǔn)確性受到較大影響。如果不能實(shí)現(xiàn)焊槍焊絲對焊縫的精確跟蹤，還是無法實(shí)現(xiàn)前驢頭圓弧焊縫的自動(dòng)焊接。為解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題，我們又對焊接小車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了下述的改造。

將原埋弧焊小車兩個(gè)從動(dòng)輪換成萬向輪，即將原小車兩側(cè)從動(dòng)輪拆除，利用該處螺紋孔固定兩個(gè)“┌”型支撐架，用以安裝固定萬向輪。這樣使焊接小車在連桿的牽引下能夠靈活地轉(zhuǎn)向，大大減小了轉(zhuǎn)向阻力和振動(dòng)，增強(qiáng)了焊接小車的運(yùn)行平穩(wěn)性。

在焊接小車連接架焊接側(cè)安裝固定了一套氣動(dòng)直線導(dǎo)軌，可伸縮導(dǎo)軌前端連接有氣保焊槍夾槍裝置和仿形輪。其中夾槍裝置中的焊槍夾頭可以調(diào)節(jié)氣保焊槍與前驢頭圓弧板之間的夾角，也可以調(diào)節(jié)焊槍的高度，這樣可以方便地將氣保焊槍調(diào)整到最合適的平角焊姿態(tài)。調(diào)整仿形輪懸臂的伸出量，可以保證焊槍前端焊絲與前驢頭圓弧板之間的最佳距離。仿形輪軸心、焊槍軸線投影和連桿投影重合在一條直線上。這樣在焊接中，氣動(dòng)直線導(dǎo)軌裝置正向通氣時(shí)，使得仿形輪始終以一定的壓力頂緊在前驢頭圓弧板上，實(shí)現(xiàn)焊槍前端焊絲對前驢頭圓弧角焊縫的精確跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)前驢頭便半徑圓弧焊縫的氣保焊自動(dòng)焊接。

3.前驢頭圓弧焊縫的焊接參數(shù)

由于前驢頭結(jié)構(gòu)件太大不易側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不方便使焊縫置于船形位置進(jìn)行焊接。也不適宜將前驢頭立放，進(jìn)行爬坡焊和下坡焊，主要是因?yàn)椴焕趯?shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，并且焊縫成形不易控制，所以前驢頭的兩條圓弧焊縫選擇釆用平角焊。其優(yōu)點(diǎn)是焊接中不需要側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)工件，對圓弧板和側(cè)板之間組合間隙大小不敏感，焊縫成形易于控制，焊縫外觀成形平滑美觀。

平角焊的缺點(diǎn)是單道焊焊角最大不能超過8mm，所以當(dāng)需要焊角＞8 mm時(shí)，只能采用多層多道焊。但是由于自動(dòng)氣保焊電流密度大，熔深大，所以與焊條電弧焊相比，焊腳高度可以適當(dāng)降低。目前生產(chǎn)的6－16型雙驢頭都采用8mm的焊腳高度即可滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。另外，焊縫成形與焊絲對工件的相對位置有很大關(guān)系，當(dāng)焊絲位置不當(dāng)時(shí)，易產(chǎn)生咬邊或未熔合。

為獲得較理想的焊縫形狀，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）焊絲直徑 可以采用φ1.2mm或1.6mm的實(shí)芯焊絲，焊絲直徑越細(xì)，產(chǎn)生噴射過渡的臨界電流越小，同樣焊接電流下電流密度越大，焊絲熔化速度越快，越容易得到細(xì)顆粒的穩(wěn)定的噴射過渡。綜合考慮推薦選擇較細(xì)的φ1.2mm焊絲最合適。

（2）極性 為了得到穩(wěn)定而且熔滴尺寸細(xì)小的熔滴過渡，通常都采用直流反接即焊絲接正極。直流反接時(shí)，陽極斑點(diǎn)的分布被約束在熔滴縮頸以下的液體金屬表面有豐富金屬蒸汽產(chǎn)生的區(qū)域，全部電流都流過熔滴。此時(shí)將產(chǎn)生較大的促進(jìn)熔滴過渡的電磁收縮力，軸向性強(qiáng)，同時(shí)產(chǎn)生的熔深大于直流正接時(shí)所產(chǎn)生的熔深。

（3）保護(hù)氣 保護(hù)氣采用Ar80%+CO220%的富氬氣。在富氬氣中焊接，既具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、容易獲得軸向噴射過渡等特點(diǎn)，又具有氧化性，克服了氬氣焊接時(shí)表面張力大、液體金屬粘稠、斑點(diǎn)易漂移等問題，同時(shí)對焊縫蘑菇形熔深有所改善。保護(hù)氣流量大小應(yīng)適當(dāng)，氣體流量過大或過小都會(huì)造成紊流，保護(hù)效果惡化，容易產(chǎn)生氣孔、飛濺增大，使焊縫成形變差。

（4）焊接電流、電壓 當(dāng)焊絲直徑確定后，焊接電流選擇能夠產(chǎn)生穩(wěn)定噴射過渡的較大電流，電流應(yīng)大于噴射過渡臨界電流而小于旋轉(zhuǎn)射流過渡的臨界電流。電弧電壓應(yīng)與焊接電流相匹配，選擇合適的保護(hù)氣流量，以避免產(chǎn)生氣孔、飛濺和咬邊等缺陷。

（5）焊接速度 其他條件不變時(shí)，熔深隨焊速的增加而增加，并有一個(gè)最大值。焊速減小時(shí)，單位長度上填充金屬熔敷量增加、熔深減小、熔寬增加，焊速過小容易形成焊瘤，焊縫過渡角減小并容易形成焊腳處的應(yīng)力集中，焊縫成形惡化。焊速過高，單位長度上電弧傳給母材的熱量顯著降低，母材熔化減慢，隨著焊速提高，熔深和熔寬都減小，焊速過高有可能產(chǎn)生咬邊。因此，在焊接電流、電弧電壓等其他參數(shù)一定的時(shí)候，有一個(gè)最佳狀態(tài)的最大焊接速度，我們應(yīng)該選擇該焊接速度，這樣既可以提高焊接效率又保證了焊接成形及質(zhì)量。

（6）焊絲位置 焊絲與圓弧板的夾角應(yīng)保持在45°～50°內(nèi)，焊絲端部距離圓弧板0.5～1.5mm。選擇這個(gè)角度及距離，容易避免咬邊和金屬流淌，最利于平角焊縫的成形。

（7）焊絲伸出長度 應(yīng)根據(jù)焊絲直徑選擇較大的合適的焊絲伸出長度，適當(dāng)增加焊絲伸出長度可以增強(qiáng)焊絲的電阻熱作用，促進(jìn)熔滴過渡，可得到穩(wěn)定的噴射過渡并降低臨界電流，一般伸出長度選用15～25mm。焊絲伸出長度過長會(huì)導(dǎo)致電弧電壓下降，電弧吹力減小，熔敷金屬過多，焊縫成形不良，熔深減小，電弧不穩(wěn)定；反之，焊絲伸出長度過短，電弧易燒導(dǎo)電嘴，焊絲熔化速度降低，金屬飛濺易堵塞噴嘴。

選擇以上合適的焊接工藝，既可以保證穩(wěn)定焊接過程，又可以獲得最大焊絲熔化速度和焊接速度，獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量、美觀的焊縫成形。

4.結(jié)語

外包圓弧板前驢頭圓弧焊縫氣保焊專機(jī)結(jié)構(gòu)及焊接工藝設(shè)計(jì)合理，該專機(jī)具有自動(dòng)化程度髙，生產(chǎn)效率髙，焊接質(zhì)量好，操作簡便等顯著優(yōu)點(diǎn)，完全滿足前驢頭圓弧主焊縫焊接生產(chǎn)要求。

該項(xiàng)技術(shù)在抽油機(jī)制造業(yè)和類似產(chǎn)品的生產(chǎn)領(lǐng)域里具有很好的應(yīng)用前景。