螺旋埋弧焊管新型外焊機構(gòu)的設(shè)計

王 洋，陳 楠，孫愛玢，谷海龍，劉晶晶

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，河北 青縣 062658）

1 概 述

螺旋埋弧焊管焊縫包括內(nèi)焊縫和外焊縫，內(nèi)焊縫焊接成型在以鋼管軸線為軸心的時鐘6 點鐘位置進行，外焊縫焊接成型在與內(nèi)焊位置相距二分之一螺距的時鐘12 點鐘位置進行[1]。焊接時，焊接機構(gòu)位置固定，即內(nèi)、外焊點位置不變，而成型螺旋鋼管隨著成型過程旋轉(zhuǎn)并直線移動[2]。

目前，國內(nèi)大型螺旋埋弧焊管生產(chǎn)廠家外焊焊接裝置形式大體相似，大多是通過簡單的機構(gòu)使焊槍空間位置滿足工藝要求。焊管機組生產(chǎn)不同規(guī)格鋼管時，受成型參數(shù)的影響[3]，焊槍位置參數(shù)只能依靠操作經(jīng)驗進行粗調(diào)，在調(diào)型焊接過程中再根據(jù)焊縫形貌等進行反復(fù)精調(diào)，工作繁瑣且效率低。

由于在線焊接的焊接工藝受機組影響往往不能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)[4]，在正常生產(chǎn)過程中出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題時，需熟練操作工根據(jù)具體情況進行摸索調(diào)整，產(chǎn)品質(zhì)量對焊接操作人員技能依賴性較強。因為焊接設(shè)備所有調(diào)整單元無相關(guān)量化標(biāo)尺，當(dāng)出現(xiàn)變動時，無法盡早獲知，容易出現(xiàn)批量缺陷。因此，本研究設(shè)計了一種螺旋縫埋弧焊管新型外焊機構(gòu)，以實現(xiàn)焊槍位置參數(shù)精確化控制，從而提高焊管的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[5]。

2 新型外焊機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

新型外焊機構(gòu)需解決的問題：①具備結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整靈活的特點；②焊絲間距可在焊接過程中進行調(diào)整；③焊槍位置參數(shù)均可精確化控制。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

外焊機構(gòu)由支撐框架、焊絲矯直器、焊槍及焊槍調(diào)整機構(gòu)組成。

2.2.1 支撐框架的設(shè)計

支撐框架結(jié)構(gòu)用于連接調(diào)整箱和送絲機，且送絲機可進行位置調(diào)整。先期支撐框架（圖1）的設(shè)計由于考慮到三絲焊工位安裝，框架整體設(shè)計體積較大，焊絲輸送距離長。在實際測試過程中出現(xiàn)了很多困難，首先由于外焊機構(gòu)整體質(zhì)量較大，外焊機構(gòu)連接的三維滑板負荷達到上限，長期使用可能造成三維滑板內(nèi)部磨損嚴重甚至斷裂。其次，由于外焊機構(gòu)體積較大，安裝送絲機位置高，焊絲輸送距離長，崗位人員更換焊絲比傳統(tǒng)焊接機構(gòu)操作時間增加1 倍，影響了焊管機組的生產(chǎn)效率。

圖1 前期設(shè)計的焊接機構(gòu)支撐框架

為此，采用了新的設(shè)計方案（圖2），將連接送絲機的弧形板改為簡易實用的滑桿，縮短了焊絲的輸送距離。滑桿安裝鎖緊螺絲，送絲機在固定位置上不易發(fā)生位置偏移，可達到弧形板連接送絲機的同樣效果。其次，去除焊絲輸送軟管連接部分，焊槍由先期的長焊槍改為導(dǎo)電塊、導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴組成的傳統(tǒng)焊槍，縮短了焊絲輸送距離。通過測試，焊接機構(gòu)的整體質(zhì)量可滿足三維滑板正常使用，更換焊絲達到正常時間值。

圖2 改進后的焊接機構(gòu)支撐框架

2.2.2 焊絲矯直器的設(shè)計

圖3 傳統(tǒng)焊絲矯直器

圖4 新型焊絲矯直器

傳統(tǒng)焊絲矯直器如圖3所示，新型焊絲矯直器在此基礎(chǔ)上，通過增加矯直輪數(shù)量，使焊絲充分矯直，且能平滑前行，送絲時也比較平穩(wěn)，達到了理想效果。新型焊絲矯直器如圖4所示。焊絲從焊絲盤輸出后有一定的塑性變形，需通過矯直器后才能保證輸送平穩(wěn)。由于新型焊接機構(gòu)送絲機距導(dǎo)電嘴相對距離較長，焊絲矯直不充分便會對焊絲的輸送產(chǎn)生較大阻力，阻力過大就會使送絲速度和焊接規(guī)范不穩(wěn)定[6]，因此對焊絲的矯直效果要求比較嚴格。

2.2.3 焊槍調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

焊槍調(diào)整機構(gòu)由調(diào)整箱和槍夾構(gòu)成，主要用于焊絲間距和傾角的調(diào)整。

調(diào)整箱結(jié)構(gòu)如圖5所示，調(diào)整箱內(nèi)部滑塊與水平位置的絲桿配合，滑塊連接槍夾，調(diào)整箱外漏端設(shè)有旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕轉(zhuǎn)動絲桿可調(diào)節(jié)滑塊位置，旋鈕上設(shè)置鎖緊裝置，防止焊槍位置發(fā)生移動?；瑝K的移動范圍為0～100 mm，調(diào)整箱上裝有刻度尺，精確度為1 mm，焊槍位置移動可在焊接過程中進行調(diào)整，通過刻度尺上的數(shù)值反映位置變化，從而間接實現(xiàn)焊絲間距定量化。

槍夾和焊槍結(jié)構(gòu)及位置如圖6所示，槍夾一端連接調(diào)整箱上的滑塊另一端連接焊槍，焊槍可在槍夾上旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整范圍 0°～30°，槍夾上裝有角度尺，精確度1°。焊槍旋轉(zhuǎn)角度不能在線調(diào)整，角度調(diào)整設(shè)置鎖緊裝置，防止焊槍角度發(fā)生變化。角度尺可測量焊槍的實際傾角，實現(xiàn)了焊絲傾角的定量化。

圖5 外焊機調(diào)整箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 槍夾和焊槍結(jié)構(gòu)示意圖

3 應(yīng)用效果

新型焊接機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、焊槍調(diào)整靈活準(zhǔn)確。焊槍采用原焊管機組通用的導(dǎo)電塊、導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴組成的傳統(tǒng)焊槍，省去后期焊槍采購的成本。通過調(diào)整箱旋鈕調(diào)整焊槍間距，前后絲間距實現(xiàn)精確控制，且可以在焊接過程中進行調(diào)整，減少因焊絲間距調(diào)整產(chǎn)生的非工藝停車。

通過調(diào)節(jié)送絲機構(gòu)在支撐架上、焊槍在絲距調(diào)整箱上的位置，使送絲機構(gòu)與焊槍在同一直線，同時調(diào)整相鄰焊槍間的夾角，從絲距調(diào)整箱刻度尺確定焊槍的間距，調(diào)整焊槍在轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)機構(gòu)上的角度，利用角度尺精確確定焊槍、焊絲的傾角。

對焊接工藝幾何參數(shù)做了規(guī)定（表1），將焊接工藝中的幾何參數(shù)進行定量化，減少人為失誤造成的焊接缺陷，從而實現(xiàn)耗材低、速度快、質(zhì)量好的螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)目標(biāo)[7-10]。

表1 焊槍位置參數(shù)規(guī)定

4 結(jié) 論

（1）螺旋埋弧焊管外焊縫新型焊接機構(gòu)的焊槍橫向調(diào)整范圍 0～100 mm，精確度 1 mm，焊絲傾角調(diào)整范圍 0°～30°，精確度 1°，焊槍調(diào)整靈活，鎖緊功能可靠，可滿足生產(chǎn)需求。

（2）可實現(xiàn)焊絲間距在焊接過程中的在線調(diào)整，通過調(diào)整箱的外漏旋鈕即可完成，方法簡單便捷。可減少焊管機組的停車次數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

（3）可使焊縫質(zhì)量不再依賴焊工的操作技能，減少由于人為失誤產(chǎn)生的焊縫缺陷，為焊接生產(chǎn)的正常進行提供了可靠的設(shè)備保障。

（4）焊槍位置參數(shù)的精確化控制，推動了標(biāo)準(zhǔn)化控制技術(shù)在焊管生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。