改造埋弧焊機(jī)為自動碳弧氣刨機(jī)的試驗*

趙 波，劉華光，陳紅昌，付彥宏，王 旭，侯樹林

（1.河北華油鋼管設(shè)計研究院有限公司，河北 青縣 062658；2.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

碳弧氣刨工藝在機(jī)械、鍋爐、壓力容器、管道等制造企業(yè)被廣泛用于焊接生產(chǎn)過程中的清根及開坡口等加工過程。20世紀(jì)80年代我國引進(jìn)了國外部分定型產(chǎn)品，如美國Arcair公司的N6000自動碳弧氣刨機(jī)。近些年國內(nèi)部分公司也研制出了國產(chǎn)自動碳弧氣刨機(jī)。但是，目前在國內(nèi)工廠中自動碳弧氣刨機(jī)應(yīng)用仍然很少，絕大多數(shù)是采用手工氣刨。如能將手工操作改為自動操作，則會減輕勞動強度，改善勞動環(huán)境和提高氣刨加工質(zhì)量。河北華油鋼管設(shè)計研究院有限公司利用美國林肯電氣公司生產(chǎn)的AC/DC 1000SD數(shù)字埋弧焊機(jī)和DC-1000模擬埋弧焊機(jī)，改裝了自動碳弧氣刨機(jī)，可自動送進(jìn)碳棒，并根據(jù)電弧電壓的變化自動調(diào)節(jié)送棒速度，使刨槽平滑均勻；此外，還可利用焊接操作機(jī)或者焊機(jī)小車進(jìn)行直線或環(huán)焊縫清根或開坡口，為下一步采用自動焊接打下良好基礎(chǔ)［1］。該設(shè)備經(jīng)一年多的生產(chǎn)使用，其使用效果良好，且性能可靠；因為該設(shè)備是在埋弧焊機(jī)機(jī)頭上僅作一點小改動，具有廣泛的實用價值。

1 碳弧氣刨原理與特點

碳弧氣刨的工作原理［2］如圖1所示，利用弧焊電源，以碳棒作為電極，與工件間產(chǎn)生電弧，將金屬熔化，并用壓縮空氣將熔化金屬吹掉，是一種高效的金屬表面加工坡口、清根、金屬熱切割的工藝方法，其效率比機(jī)械切削高得多。碳弧氣刨分手工碳弧氣刨和自動碳弧氣刨。

圖1 碳弧氣刨的工作原理示意

手工碳弧氣刨的特點有：①靈活性大，可進(jìn)行全位置操作；可達(dá)性好，非常簡便；②清除焊縫的缺陷時，可清楚觀察到缺陷的形狀、位置；③碳棒向下輸送和前進(jìn)靠工人手工控制，刨槽的深度、寬度、直線度波動較大，刨槽表面質(zhì)量較差，易夾碳；碳棒燒短后需停弧重新調(diào)整碳棒夾持長度，效率低；④碳棒廢棄部分較長，碳棒浪費量較大［3］。

自動碳弧氣刨的特點有：①采用自動焊電源，弧壓自動反饋控制碳棒自動送進(jìn)，弧長、弧壓穩(wěn)定，氣刨效率明顯高于手工碳弧氣刨；②由于送棒速度、行走速度均勻穩(wěn)定，所以切口表面光潔均勻，坡口尺寸一致性好，直線度相當(dāng)好，刨槽質(zhì)量接近機(jī)械加工，清渣容易；③采用自動氣刨專用的可插接碳棒，可以連續(xù)工作，氣刨速度非常高且可達(dá)手工氣刨的5倍，速度為800～1 400 mm/min；④由于碳棒的熔化速度遠(yuǎn)小于焊絲的熔化速度（流經(jīng)碳棒的電流密度遠(yuǎn)小于焊絲），在氣刨槍頭內(nèi)部采用彈性導(dǎo)電嘴夾持碳棒，碳棒消耗量很??；⑤自動碳弧氣刨機(jī)頭質(zhì)量和體積較大，使用靈活性、可達(dá)性比手工氣刨差，只適用于較長的直線、環(huán)焊縫等規(guī)則工件的氣刨，不適合一些短槽、曲面或挖補返修焊縫的場合。

2 自制自動碳弧氣刨機(jī)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電源外特性選擇

碳弧氣刨一般采用具有陡降外特性且動特性較好的直流弧焊機(jī)作為電源。由于碳弧氣刨一般使用的電流較大，且連續(xù)工作時間較長；因此，應(yīng)選用功率較大的焊機(jī)。

電源特性有陡降特性或垂降特性（恒流特性）和平特性（恒壓特性）兩種。僅從穩(wěn)定工作點的角度看，有時候采用平特性電源或陡降特性電源都可以，但是在實際應(yīng)用中并非如此。這主要是考慮到在實際焊接中電弧長度會由于外界因素引起波動，相應(yīng)的電弧伏安特性曲線也將發(fā)生變化。電源特性如圖2所示［2］。當(dāng)弧長變短，電弧伏安特性曲線由AV1變?yōu)锳V2時，陡降特性電源對應(yīng)的電流變化為ΔIab，其電流變化很微小，電源系統(tǒng)通過弧壓反饋控制降低碳棒送下的速度，使弧壓很快恢復(fù)到正常設(shè)定弧壓，又由于電流變化很小，所以刨槽深度變化很小，電流電壓始終處于微小的調(diào)整之中，因此可以實現(xiàn)非常穩(wěn)定的碳弧氣刨過程；而平特性電源對應(yīng)的電流變化為ΔIac，其電流變化很大，在氣刨中會造成刨槽深淺波動很大、電弧不穩(wěn)。如圖2所示，若使用平特性電源進(jìn)行自動氣刨，當(dāng)弧壓降低時，電流顯著增大，送棒速度也隨著突然增加，刨槽深度跟著突然加深，在氣刨速度不變的情況下，碳棒與刨槽前端母材很容易發(fā)生抵觸折斷，造成斷弧，如此反復(fù)該電源系統(tǒng)的弧壓、電流一直處于非常不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，根本無法穩(wěn)定氣刨。因此，自動碳弧氣刨電源應(yīng)該選擇陡降特性或垂降特性（恒流特性）的弧焊電源。

圖2 電源特性示意

2.2 電源極性選擇

碳弧氣刨一般采用直流反接，即工件接電源的負(fù)極。碳弧氣刨的電弧電壓波形如圖3所示［4］，碳弧氣刨的電弧形態(tài)如圖4所示［4］。從弧壓曲線（圖3a）可以看出，直流反極性電弧電壓波形比較穩(wěn)定，在電弧燃燒過程中，可觀察到陽極斑點在碳棒的整個端面上游動，陽極弧根發(fā)散。與正極性弧相比，弧柱較粗，且其亮度較暗，電弧的形態(tài)如圖4（a）所示。

圖3 碳弧氣刨的電弧電壓波形

圖4 碳弧氣刨電弧形態(tài)

由于陽極區(qū)析出大量的熱，使碳棒端部的物質(zhì)急劇蒸發(fā)和升華，形成一股較強的氣流，加上熔化金屬溫度高于正極性，流動性好于正極性和壓縮空氣的吹掃作用，將電弧下部熔化的金屬吹掉［5］。在該極性下，碳棒的端部呈圓柱狀，不易造成同工件短路，故在碳弧氣刨時電弧燃燒穩(wěn)定，電弧發(fā)出連續(xù)均勻的“嘶嘶”聲，從而形成寬窄一致、光滑明亮的刨槽，氣刨坡口為利于焊接的U形坡口。反極性氣刨槽熔渣清理前的外觀如圖5（a）所示，熔渣清理打磨后的外觀如圖5（b）所示。經(jīng)測定，其表面粗糙度小于25 μm，刨槽深度公差為±0.4 mm，寬度公差為0.3 mm。

圖5 反極性氣刨槽外觀

若采用正極性接法，電弧弧壓很不穩(wěn)定（圖3b），經(jīng)常發(fā)生短路現(xiàn)象，且發(fā)出斷續(xù)的“嘟嘟”聲。氣刨電流、速度匹配合適很困難，很容易出現(xiàn)頂斷碳棒的問題，整個氣刨過程不能穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)行。同時由于采用正極性，碳棒發(fā)熱很快并出現(xiàn)嚴(yán)重的燒損，碳棒及弧柱亮度比反極性顯著增加，正極性時碳棒端部和電弧的形態(tài)如圖4（b）所示。而熔池溫度偏低、熔化金屬流動性較差，排渣難度增加，在氣刨過程中聽不到穩(wěn)定連續(xù)的“嘶嘶”聲，刨槽的表面粗糙，造成刨槽內(nèi)出現(xiàn)很多熔渣殘留，刨槽兩側(cè)熔渣也出現(xiàn)很嚴(yán)重的粘連，很難清除，正極性氣刨槽外觀如圖6所示。

圖6 正極性氣刨槽外觀

使用交流焊接電源進(jìn)行碳弧氣刨時，由于電流過零時間較長會引起電弧不穩(wěn)，故在實際生產(chǎn)中一般不使用。交流方波焊接電源，尤其是逆變交流方波焊接電源的過零時間極短，且動特性和控制性能優(yōu)良，也可以應(yīng)用于碳弧氣刨。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在分析研究了碳弧氣刨的特點后，利用埋弧焊機(jī)采用電弧電壓反饋自動控制焊絲送進(jìn)速度，起到自動穩(wěn)定電弧電壓的作用，將輸送焊絲改為輸送碳棒，從而實現(xiàn)碳弧氣刨的自動控制作用，在確定規(guī)范電流情況下，焊機(jī)的控制系統(tǒng)控制碳棒送進(jìn)速度與碳棒熔化速度相等，達(dá)到穩(wěn)定的氣刨狀態(tài)；當(dāng)電弧電壓有變動時，由系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)作用改變碳棒送進(jìn)速度，強制使系統(tǒng)自動回復(fù)到原來電弧電壓數(shù)值，起到了自動穩(wěn)定電弧電壓的作用，根據(jù)這一原理進(jìn)行了自動碳弧氣刨機(jī)的設(shè)計及制作［6］。

自動碳弧氣刨機(jī)系統(tǒng)由直流埋弧焊電源、電源控制箱、空氣壓縮機(jī)、碳弧氣刨行走小車（操作機(jī)）、自動碳弧氣刨機(jī)頭5部分組成，其中改裝的自動碳弧氣刨機(jī)頭結(jié)構(gòu)如圖7所示，實物如圖8所示。碳弧氣刨電源采用美國林肯電氣公司生產(chǎn)的直流埋弧焊電源，碳棒自動送棒機(jī)采用埋弧焊系統(tǒng)原裝自動送絲機(jī)，只是自主設(shè)計開發(fā)了專用自動氣刨槍，該自動氣刨槍采用可拆式連接，易損件和導(dǎo)電嘴可以隨時更換。自動氣刨槍主要由氣刨槍管、壓緊彈簧、進(jìn)風(fēng)嘴、導(dǎo)電接線板、彈性分瓣導(dǎo)電夾頭、噴嘴等構(gòu)成。因目前市場供應(yīng)的自動氣刨碳棒直徑誤差較大，一般在0.3 mm左右，為保證碳棒與導(dǎo)電嘴接觸良好，采用了彈簧壓緊+彈性分瓣導(dǎo)電夾頭的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，可以保證氣刨過程中的導(dǎo)電穩(wěn)定性。

圖7 改裝的自動碳弧氣刨機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意

圖8 自動碳弧氣刨機(jī)頭實物

整個系統(tǒng)具有下列特點：電弧長度控制精度高；氣刨過程中具有碳棒反抽功能，因而當(dāng)鋼板不平時也能有效地防止“頂碳”，并保證刨槽深淺寬窄均勻；送風(fēng)方式為碳棒同軸環(huán)向送風(fēng)，因而壓縮空氣吹掃距離鋼板很近，所以壓力集中，熔化金屬吹除強勁，刨槽內(nèi)表面光滑平整，邊緣掛渣清除容易。

在實際操作中，碳棒伸出長度可以通過控制器上的手動冷送絲按鈕調(diào)節(jié)；碳棒氣刨時的偏置量可通過操作機(jī)上的橫向電動調(diào)節(jié)裝置或焊接小車上的手動橫向調(diào)節(jié)絲杠手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)；碳棒氣刨傾斜角可通過送絲機(jī)頭轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)；在自動氣刨過程中，碳棒的熔化速度很慢，需要根據(jù)前一根碳棒的消耗情況，適時地在前一根碳棒尾孔內(nèi)插接新的碳棒。當(dāng)氣刨發(fā)出連續(xù)穩(wěn)定的“嘶嘶”聲音，表明氣刨規(guī)范較為穩(wěn)定、合理，刨槽深淺、寬窄都較均勻，否則氣刨過程不穩(wěn)定，刨槽質(zhì)量下降。良好氣刨質(zhì)量也為后續(xù)的埋弧焊自動跟蹤提供了有利條件。

3 碳弧氣刨工藝

3.1 氣刨電流與碳棒直徑

氣刨電流I與碳棒直徑D成正比關(guān)系，一般可參照經(jīng)驗公式I=（30～50）D選擇氣刨電流，碳棒橫斷面形狀均為圓形，其規(guī)格與氣刨電流對應(yīng)關(guān)系見表 1［7］。

表1 碳棒規(guī)格與氣刨電流對應(yīng)關(guān)系

對于一定直徑的碳棒，如果氣刨電流較小，則電弧不穩(wěn)，且易產(chǎn)生夾碳；適當(dāng)增大氣刨電流，可提高氣刨速度，刨槽表面光滑，刨槽寬度增大。在實際應(yīng)用中，一般選用較大的氣刨電流，但氣刨電流過大時，碳棒燒損很快，甚至?xí)刍?，并造成?yán)重滲碳。碳棒直徑的選擇主要根據(jù)所需的刨槽寬度而定，碳棒直徑越大，則刨槽越寬。

3.2 氣刨速度

氣刨速度對刨槽尺寸、表面質(zhì)量和氣刨過程都有一定影響。氣刨速度取決于碳棒直徑、氣刨的材料、壓縮空氣壓力、電流大小、碳棒與工件的夾角，應(yīng)與刨槽深度相匹配。氣刨速度太快，易造成碳棒與金屬相撞，使碳棒黏在刨槽頂部，形成夾碳。同時，隨著氣刨速度增大，刨槽深度將會減小。通常氣刨速度以0.5～1.2 m/min為宜。

3.3 壓縮空氣壓力

壓縮空氣的壓力會直接影響氣刨速度和刨槽表面質(zhì)量。壓力高，能迅速吹走液體金屬，可提高氣刨速度和刨槽表面的光滑程度，使氣刨過程順利進(jìn)行，當(dāng)氣刨電流增大時，被熔化的金屬量也隨之增多，為迅速吹除熔化金屬，就要相應(yīng)增大壓縮空氣壓力，這樣才能使熔化金屬停留時間不致過長，從而得到表面光滑的刨槽；壓力低，則容易造成刨槽表面粘渣［7］。一般要求壓縮空氣壓力為0.40～0.60 MPa。氣刨電流與壓縮空氣壓力的關(guān)系見表2［5］。

表2 氣刨電流與壓縮空氣壓力的關(guān)系

3.4 碳棒的外伸長量

碳棒從導(dǎo)電嘴到碳棒端點的長度為外伸長量。自動氣刨時，碳棒外伸長量偏大，壓縮空氣噴嘴距電弧遠(yuǎn)，造成風(fēng)力不足，不能將熔渣順利吹除，而且碳棒也容易折斷。外伸長量取60～80 mm為宜。

3.5 碳棒與工件的夾角

碳棒與工件的夾角大小會影響刨槽深度和氣刨速度。夾角增大，則氣刨深度增加，氣刨速度減小。自動碳弧氣刨時碳棒與工件的夾角一般取35°～45°，夾角過大會增加坡口深度，碳棒容易折斷，特別是在行走裝置運行不穩(wěn)時，而且鐵渣不易吹凈。夾角過小會使碳棒伸出部分變長，碳棒同樣容易折斷，而且刨槽深度會很淺，顯著降低氣刨效率［7］。

4 結(jié) 語

（1）自制自動碳弧氣刨機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作效率高、成本低的特點，配合工藝改進(jìn)成功地解決了焊管、管件環(huán)焊縫和縱焊縫清根的關(guān)鍵問題，刨槽尺寸均勻、表面光滑，使后續(xù)的焊接質(zhì)量得到保證。

（2）自動碳弧氣刨機(jī)利用弧壓反饋原理，具有結(jié)構(gòu)合理，高效節(jié)能、實用等特點，具有較好的使用價值。

（3）由于自動碳弧氣刨具有良好的氣刨質(zhì)量，為實現(xiàn)埋弧自動焊的自動跟蹤提供了良好條件，因而可以大大改善焊縫的成形、焊接質(zhì)量。

（4）自制自動碳弧氣刨機(jī)的應(yīng)用還為厚壁、長直或規(guī)則曲線焊縫焊前加工坡口及焊后清根提供了應(yīng)用經(jīng)驗，因此具有一定的推廣價值。