基于計算機控制的自動焊接系統(tǒng)在長距離油氣管道焊接中的應(yīng)用

周　杰

（揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225127）

基于計算機控制的自動焊接系統(tǒng)在長距離油氣管道焊接中的應(yīng)用

周杰

（揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225127）

長距離油氣管道的焊縫為環(huán)形，在焊接過程中需要采用仰焊、立焊、平焊等幾種焊接方式。由于每一種焊接工藝都有各自不同的操作要領(lǐng)，因此長距離輸送管道的焊接較難實現(xiàn)自動化。并且長距離油氣管道一般在野外現(xiàn)場焊接，工作環(huán)境復(fù)雜，對焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。鑒于此，設(shè)計研發(fā)了一種基于計算機控制的全位置自動焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自保護藥芯焊絲，除了能夠滿足仰焊、立焊和平焊等不同焊接工藝的要求，還具有電弧穩(wěn)定、焊透性和焊渣剝離性良好、無需保護氣體等諸多優(yōu)點?；赬-80管線鋼的焊接實驗表明：自動化焊接系統(tǒng)的使用明顯提高了焊接過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，確保了焊接接頭的內(nèi)在品質(zhì)和外觀成形，降低了焊接工作強度，且降低了管道焊接的成本。

油氣管道；計算機控制；全位置自動焊接系統(tǒng)

0　前言

近年來，基于計算機控制的自動焊接系統(tǒng)憑借其自動化程度高，勞動強度低，焊接質(zhì)量好，一次成功率高的優(yōu)點，在長距離油氣輸送管道的焊接中得到了廣泛應(yīng)用[1]。長距離油氣輸送管道的焊接為環(huán)縫焊接，在焊接過程中包含仰焊、立焊、平焊等多種焊接工藝，因此較難實現(xiàn)長距離輸送管道的自動化焊接。且長距離輸送管道一般在野外現(xiàn)場焊接，受風(fēng)速等室外因素的影響較大[2]。鑒于此，設(shè)計研發(fā)了一種基于計算機控制的全位置自動焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自保護藥芯焊絲，不僅能夠高質(zhì)量的完成仰焊、立焊、平焊等多種焊接方式，而且能夠在小于8 m/s的風(fēng)速下進行自保護焊接。

1　油氣管道自動化焊接技術(shù)介紹

長距離油氣管道由單位長度為12 m的鋼管焊接連接組成。焊接方式為全位置焊接，按照焊接順序依次為平面焊接、垂直焊接和仰焊接。在焊接過程中焊接參數(shù)會隨著焊接位置的改變而發(fā)生變化。

長距離油氣管道自動焊接系統(tǒng)工作原理是利用X-80管線鋼焊接過程中實驗數(shù)據(jù)，在計算機中編寫相應(yīng)的控制程序，通過控制焊接設(shè)備運動來實現(xiàn)接頭位置的全位置焊接。焊接之前，需要使用管夾將焊接設(shè)備固定在待焊接頭附近[3]。

2　油氣管道自動焊接系統(tǒng)的設(shè)計

油氣管道自動焊接系統(tǒng)由管夾、導(dǎo)軌、計算機控制系統(tǒng)、焊接電源、送絲裝置、電焊機和驅(qū)動機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1　油氣管道自動焊接系統(tǒng)組成

2.1工作原理

全位置自動焊接系統(tǒng)工作原理如圖2所示。首先用管夾將焊接設(shè)備固定在接頭附近的鋼管上；然后啟動計算機控制系統(tǒng)，點動控制焊接設(shè)備在導(dǎo)軌上面運動，完成焊接初始位置的調(diào)整。同時在系統(tǒng)操作界面中完成焊槍工作空間、焊接速度、送絲速度、焊接電源參數(shù)的設(shè)置；最后控制電焊機在導(dǎo)軌上面移動，完成鋼管接頭的全位置自動焊接。焊接過程中，兩臺移動式電焊機先后從12點鐘方向運動到6點鐘方向。一臺電焊機逆時針方向運動，另外一臺則順時針方向運動。兩臺電焊機先后移動是為了避免工作空間產(chǎn)生干涉。焊接過程還要保證焊接接頭兩側(cè)的應(yīng)力基本對稱，并且嚴格按照順序完成接頭的熱焊、填充焊、覆蓋焊的焊接過程。此外，為了保證焊縫的質(zhì)量，每一次焊接完成后都要及時排渣。

圖2　全位置自動焊接系統(tǒng)的工作原理

2.2機構(gòu)組成

全位置自動焊接系統(tǒng)的焊接設(shè)備由移動式電焊機和電機驅(qū)動機構(gòu)組成。

2.2.1移動式電焊機

移動式電焊機位置調(diào)整機構(gòu)由角度調(diào)節(jié)機構(gòu)和橫向調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，如圖3所示。角度調(diào)節(jié)機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍的最佳擺動角度和擺動頻率，有效避免焊接過程中不完全熔透問題。電焊機的橫向調(diào)整機構(gòu)能夠根據(jù)焊接接頭的寬度實現(xiàn)焊槍的上下和左右位置調(diào)節(jié)，滿足焊接管接頭不同位置管壁和管線之間長度和寬度的要求。

圖3　焊接載體的機構(gòu)組成

2.2.2驅(qū)動機構(gòu)

驅(qū)動機構(gòu)是全位置自動化焊接系統(tǒng)的核心，主要由行進機構(gòu)和導(dǎo)軌組成[4]。行進機構(gòu)與導(dǎo)軌的組合能夠使電焊機沿著管壁做圓周運動。行進機構(gòu)主要由驅(qū)動電機、主皮帶輪、輔助皮帶輪、同步帶、張緊輪、機械主體、傳動齒輪軸和齒輪組成。行進機構(gòu)的工作原理：驅(qū)動電機在張緊輪和同步帶的共同作用下將動力傳給齒輪軸，齒輪軸和導(dǎo)軌上面的齒進行嚙合傳動，實現(xiàn)行進機構(gòu)的圓周運動。行進機構(gòu)模型如圖4所示。

導(dǎo)軌為環(huán)形結(jié)構(gòu)，由兩個被連接件連接的半圓形軌道和一個鎖緊手柄組成。在軌道上面設(shè)置有齒條用來實現(xiàn)與行進機構(gòu)間的力和速度傳動，如圖5所示。鎖緊手柄用來實現(xiàn)導(dǎo)軌與鋼管間的固定。

圖4　行進機構(gòu)模型

圖5　導(dǎo)軌的機構(gòu)模型

2.3控制部分

全位置自動焊接系統(tǒng)采用工業(yè)計算機作為系統(tǒng)的主控制器，用來處理數(shù)據(jù)和控制運動[5]。

2.3.1焊接模式

采用自保護藥芯焊絲的全位置自動焊接系統(tǒng)的焊接流程包含熱焊、填充焊、覆蓋焊等。為實現(xiàn)油氣管道環(huán)形接頭的精確焊接，采用分段焊接模式，即把油氣管道沿周長方向分為24等份，分別記作0-0.5，0.5-1，1-1.5，…，11.5-12。每一等份都是環(huán)形接頭的一部分。焊接時，兩臺移動式電焊機會從兩側(cè)開始獨立焊接各自的12部分。在焊接每一部分時，自動焊接系統(tǒng)都會根據(jù)焊接設(shè)備的運動情況實時調(diào)整焊接參數(shù)，確保每一部分接頭的焊接質(zhì)量。

2.3.2自動控制流程

自動控制的核心是計算機控制系統(tǒng)。在焊接設(shè)備工作之前，首先在計算機控制系統(tǒng)中完成焊接流程控制程序的編寫。焊接時，控制指令會通過計算機總線發(fā)送給控制終端，完成油氣管道的焊接任務(wù)。焊接過程中計算機控制系統(tǒng)不斷采集焊接設(shè)備的運動數(shù)據(jù)，并采用系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的處理方法進行信號的轉(zhuǎn)換、調(diào)理，然后將新的控制信號發(fā)送給行進機構(gòu)中的驅(qū)動電機，實現(xiàn)焊接過程的自動控制。

在全位置自動焊接系統(tǒng)中計算機發(fā)揮著數(shù)據(jù)采集處理、運動控制、運行狀態(tài)監(jiān)控等作用，操作者也通過計算機向系統(tǒng)直接發(fā)布指令。

3　全位置自動焊接系統(tǒng)的應(yīng)用

油氣管道一般采用X80管線鋼制作，為方便焊接，需要在管道末端加工凸緣，如圖6a所示，兩個鋼管的連接會呈現(xiàn)出U型槽形狀，如圖6b所示。X80管線鋼的焊接流程包括根焊、填充焊和蓋面焊。焊接開始時焊接設(shè)備處于水平面，并根據(jù)槽的寬度調(diào)節(jié)擺放角度。

3.1槽參數(shù)的確定

3.1.1槽的類型和參數(shù)

焊接實驗中兩根鋼管末端形成的U型槽，如圖6所示，U型槽包含以下參數(shù)：凹槽與8°（α）的弧相切，內(nèi)部弧度角（β）為37.5°，高度（h）為12.5 mm± 0.15 mm，弧度半徑（R）為3.2mm，齒根面（e）為1.5 mm±0.15 mm；交錯的部分不超過1.5 mm，無縫管接頭的上開口的寬度（W）為9.5 mm±0.2 mm。

圖6　U形槽示意

3.1.2槽參數(shù)確定依據(jù)

槽的參數(shù)即油氣管道末端的凸緣的參數(shù)是依據(jù)X80管線鋼的焊接實驗得到。

（1）凹槽狹窄。此時，α=6°，W=8.5 mm，熱焊和填充焊中不需要調(diào)整焊接設(shè)備角度，焊槍可以筆直焊接，并且焊接效率很高。但存在一些問題：a.不利于熔融狀態(tài)的鐵在熔池中分離，容易造成夾渣等缺陷；b.焊絲可能接觸凹槽壁，點燃電弧，造成不穩(wěn)定的焊接；c.不方便排渣，增加了排渣時間，增強了焊工的勞動強度。

（2）凹槽適中。此時，α=8°，W=9.5 mm，有利于熱焊、填充焊和蓋面焊焊接接頭的形成，能夠避免夾渣，利于排渣和提高焊接效率。

（3）凹槽寬。此時，α=10°，W=10.5 mm，有利于熔融鐵的分離和焊件的結(jié)渣，熱焊的焊縫美觀。但是這種方法填充焊層增加，材料浪費較多，勞動強度加大，并且寬凹槽結(jié)構(gòu)需要焊接設(shè)備調(diào)整較大的擺角，可能破壞熔池的穩(wěn)定性和連續(xù)性，導(dǎo)致邊緣不能熔透，焊接接頭的底部和中心出現(xiàn)局部凹陷，仰焊熔化的鐵水嚴重不足，導(dǎo)致成形質(zhì)量下降。

3.2焊絲選擇

焊絲選擇主要根據(jù)焊接實驗結(jié)果和焊接接頭力學(xué)性能檢驗結(jié)果。Hobart[6]等人通過大量焊接試驗，證明選擇自保護藥芯焊絲作為自動焊接系統(tǒng)的焊絲能夠提高電弧的穩(wěn)定性和焊縫的成形質(zhì)量。并且自保護藥芯焊絲能夠抵抗8 m/s風(fēng)速，可以不采用擋風(fēng)板和保護氣體，降低了電焊機的制造和使用成本。

3.3焊接參數(shù)

3.3.1焊接設(shè)備

采用全位置自動焊接系統(tǒng)，包括兩套移動焊接設(shè)備、導(dǎo)軌、送絲裝置、計算機控制系統(tǒng)、焊接電源。

3.3.2焊接參數(shù)

全位置自動焊接系統(tǒng)的焊接參數(shù)如表1所示。在熱焊、填充焊和蓋面焊中應(yīng)注意：0～2部分為平面焊接，焊接電壓和電流要稍稍高一點。2～4部分為垂直焊接，熔池不穩(wěn)定，熔融的鐵容易滑落，最好采用較低的焊接電壓，提高焊接電流和焊接速度。4～6部分為仰焊，焊接電壓和電流都要小一些，焊接速度應(yīng)相對慢一些。

表1　采用自保護藥芯焊絲的自動焊接系統(tǒng)的參數(shù)

4　實驗結(jié)果

全位置自動焊接系統(tǒng)具有焊接過程穩(wěn)定、焊接接頭成形好的特點，所獲焊接接頭的抗拉強度、橫向彎曲性能、剛度、沖擊耐力和其他機械性能均符合X80管線鋼焊接標準。焊接接頭和熱影響區(qū)沖擊實驗數(shù)據(jù)如表2所示。采用自保護的焊絲的自動焊接系統(tǒng)能夠降低焊接工作強度，降低焊接成本。

5　結(jié)論

全位置管道自動焊接系統(tǒng)能夠高質(zhì)量的完成仰焊、立焊和平焊等焊接流程，焊接自動化程度高，焊接過程流暢。自動化焊接系統(tǒng)的使用明顯提高了焊接過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，確保了焊接接頭的內(nèi)在品質(zhì)和外觀成形，降低了焊接工作強度和焊接成本。采用自保護藥芯焊絲，提高了全位置自動焊接系統(tǒng)的室外焊接適應(yīng)能力。

[1]熊祥，邢敏周，康清周.長輸管道建設(shè)焊接設(shè)備解決方案[J].電焊機，2014，44（11）：4-6.

[2]范玉然，汪鳳，張希悉.影響自保護藥芯焊絲焊縫韌性因素[J].電焊機，2014，44（11）：47-51.

[3]朱永平，殷高瞻，邱欣華，等.基于計算機控制自動鋁母線焊接機的研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010（2）：87-90.

[4]曾惠林，王長江，楊雪梅，等.油氣長輸管道全位置自保護藥芯焊絲自動焊接技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2014（1）：20-23.

[5]曾惠林，皮亞東，王新升，等.長輸管道全位置激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)[J].焊接學(xué)報，2012（11）：56-59.

[6]Hobart.Experimental research on all-position thick steel tube using self-shielded flux-wire welding[J].Science and Technology of Welding&Joining，15（4）：4-6.

Automatic welding system and application research of welding in the long distance oil and gas pipeline based on computer control

ZHOU Jie
（Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China）

The long-distance oil and gas pipeline weld is circular,the welding process requires the use of overhead welding，vertical welding，welding and other types of flat welding.Since each welding process have different operating essentials，so the long-distance pipeline welding difficult to automate.And long-distance oil and gas pipelines are usually welded in the field,work environment is complex，so the stability of the welding system request is higher.In view of this，design and develop an all-position automatic welding system based on computer-controlled.The system uses a flux cored wire with self-protection function，in addition to meet the overhead welding，welding and other peaceful vertical welding different welding process requirements，but also has the advantages like arc stability，penetration and weld slag peeling is good，don't need protect gas.Welding experiments based on X80 pipeline show that,the use of automated welding systems would significantly improve the continuity and stability of the welding process，ensure the inherent quality of welded joints and the appearance of forming，reduce the intensity of the welding work，and reduce the cost of the entire pipeline welding.

oil and gas pipelines；computer-controlled；all-position automatic welding system

TG409

A

1001－2303（2016）04－0045-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.10

2015－03－24；

2015－05－26

周杰（1981—），男，江蘇揚州人，講師，工程師，碩士，主要從事計算機控制方面的研究工作。