大口徑直管焊接自動化設(shè)備研制

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

隨著焊接自動化水平的提高，先進管系加工車間已有在焊接中采用自動焊工藝，如采用軌道式焊接小車、焊接搖擺機和焊接機器人等。焊接機器人在國內(nèi)管子焊接的應(yīng)用并不多，且對原材料的質(zhì)量精度要求比較嚴，后期維護中費用較高，對與國產(chǎn)大部分管子、特別是大口徑有縫鋼管并不適用。

為此，考慮將托架與搖擺機進行結(jié)合，降低施工難度，提高效率、提高焊接質(zhì)量。同時，從數(shù)據(jù)源頭抓起，在圖紙分解階段，把圖紙細化成純直管、純彎管、鑲管等，為管系制作提供有力的數(shù)據(jù)支撐；采購搖擺機、滾輪架以及控制速度裝置等相關(guān)設(shè)備并利用船廠現(xiàn)有資源和技術(shù)對焊接工藝進行改進。針對焊接搖擺機的單獨使用已經(jīng)非常成熟，這次計劃建立一條以焊接搖擺機為主的能夠形成規(guī)模化規(guī)范化的焊接流水線，運用搖擺機與焊接滾輪架的交錯、創(chuàng)新組合，以達到管子兩側(cè)同時施焊，焊縫成型質(zhì)量良好的效果。

1 現(xiàn)場調(diào)研

1.1 焊接搖擺機

計劃采購國產(chǎn)的焊接搖擺機和滾輪架。國內(nèi)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，且相比之前國外進口的焊接設(shè)備成本低很多，后期維護也方便。

1.2 焊接滾輪架

目前市面上管子法蘭焊接的自動化設(shè)備越來越多，與焊接設(shè)備配套的管子滾動裝置必不可少。有關(guān)管子滾動裝置各種各樣，但歸并類型大致是滾輪架式和夾取卡盤式。

1)普通滾輪架。由2組或多組滾輪并聯(lián)起來以達到承載且滾動管狀類物體動作的目的，見圖1。

圖1 滾輪架

普通的焊接滾輪架使用時，管子在滾動時就會向軸側(cè)漸漸移出，或是當管子稍有一點不圓，滾動時也會往軸向一邊漸漸滾移出來，特別是應(yīng)用在大口徑管子時，國產(chǎn)管子管徑406 mm以上的大多都為有縫鋼管，當滾輪在接觸鋼管焊縫時就會出現(xiàn)跳振現(xiàn)象。因此在作為配套自動化焊機精準焊接工作時，這類滾輪架不適宜使用。

2)卡盤式滾輪設(shè)備。是由一個圓盤上安裝3組或3組以上夾爪的卡盤，通過夾爪夾住管子一端滾動的設(shè)備裝置，見圖2。

圖2 卡盤時滾輪

該類型夾爪卡盤有一個缺點，其通過夾住管子法蘭一端帶動整個管子滾動，但是只要法蘭與管子裝配稍有一絲垂直度的偏差，則管子的另一端將會呈喇叭形擺動，根本無法使用自動化焊接設(shè)備焊接；而如果只在卡盤一端焊接時，也只能焊接外圓焊縫，內(nèi)圈焊縫則被卡盤擋住無法焊接。

因此，當用于配套自動化焊機精準焊接工作時，這類卡盤裝置也不適合使用。

需要一種滾輪架，可以在解決裝配法蘭的直管子在應(yīng)用自動化設(shè)備焊接時，其滾動狀態(tài)能夠保持穩(wěn)定、不偏移、不振動，同時能夠不受管子自身缺陷(不圓、饒度差)、裝配精度偏差等影響，使支撐管子的滾動裝置能夠在焊接自動化設(shè)備中達到最佳配合應(yīng)用狀態(tài)。

2 方案確定

2.1 初步方案

1)搖擺機?？紤]到國內(nèi)的焊接搖擺機的技術(shù)[1]已經(jīng)日漸成熟，因此，采用國產(chǎn)化的焊接搖擺機和焊接滾輪架。

使用三角鐵制作焊接搖擺機和焊接滾輪架的軌道，合理制定幾組搖擺機和焊接滾輪架間距，便于后期管段在焊接時兩端可以同時焊接。

2)滾輪架。經(jīng)觀察，對滾輪架的一側(cè)滾輪做改進設(shè)計，將滾輪由圓柱形改為V形，在焊接管子時將管子一側(cè)法蘭卡在V形槽中(見圖3)。如此，管子轉(zhuǎn)動不會產(chǎn)生滑移。

圖3 V形槽滾輪

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

2.2.1 新型滾輪架

通過V形滾輪一定深度的V形結(jié)構(gòu)面，接觸法蘭立面，利用V形槽將法蘭控制在滾輪結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且不影響相互滾動作用；V形槽的設(shè)計深度考慮到最大法蘭厚度范圍，因此適合各種規(guī)格法蘭使用。當管子法蘭卡在由2個V形滾輪組成的滾輪架上時，V形滾輪只接觸作用于法蘭側(cè)邊，運轉(zhuǎn)時帶動法蘭滾動，管子的整個滾動運轉(zhuǎn)過程將不受管子不圓、有縫、或管子與法蘭裝配的精度偏差所影響，且V形槽將法蘭卡在槽內(nèi)，管子滾動時不會延管子軸向移動偏出，見圖4。

滾輪架A2個V形滾輪上分別安裝馬達，可以根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)滾輪轉(zhuǎn)速； 2個V形滾輪之間可調(diào)節(jié)距離(根據(jù)擺放物件的大小)。

圖4 滾輪架

滾輪架B 2個圓柱形滾輪之間可根據(jù)擺放物件的大小調(diào)節(jié)距離。

滾輪架A和B之間可調(diào)節(jié)距離，見圖5。

2.2.2 焊接搖擺機調(diào)試

設(shè)計、制作直管焊接搖擺機，保證焊絲在接口兩邊停留的時間相等，減少因受熱不均而造成應(yīng)力集中；對直管兩端的搖擺焊接機進行現(xiàn)場焊接試驗、調(diào)試、改進，最后定型，使搖擺機在搖擺過程中焊絲在接縫兩邊停留的時間相等，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

使用焊接搖擺機時，對于不同管徑、不同壁厚，所采用焊接電流、電壓以及焊接速度需要通過大量的實驗找到依據(jù)，保證焊接質(zhì)量。某管材規(guī)格為508×10，焊絲直徑1.2 mm，焊接電流采用190～200 A，電壓采用29～30 V，相關(guān)參數(shù)確定見表1。

圖5 滾輪架俯視圖

焊接位置打底轉(zhuǎn)速/(r·min-1)打底用時蓋面轉(zhuǎn)速/(r·min-1)蓋面用時外圈25711 min 50 s19914 min 22 s內(nèi)圈437～4456 min 46 s203～22813 min 20s

實驗還測量了多種規(guī)格的管子，直管自動化焊接受上道工序校管質(zhì)量以及精度的影響比較大，在焊接前，校管裝配的焊縫寬度需保證15～18 mm，如此才能保證焊接質(zhì)量以及焊接效率；同時，焊接時，需先進行外圈焊接，之后再焊接內(nèi)圈焊接；內(nèi)焊的過程中，焊槍放置在7點位置反向逆時針打底焊接，打底時，焊槍位置不宜過高。

3 產(chǎn)品及應(yīng)用

3.1 主要技術(shù)指標及成果

大口徑直管焊接流水線是由焊接搖擺機、焊接滾輪架、及導軌架等組合而成，參照焊接機器人的加工原理，按照現(xiàn)場實際情況運用焊接搖擺機進行創(chuàng)新，經(jīng)過多次試驗，管子內(nèi)、外表焊縫成型質(zhì)量良好，焊接效率高。

經(jīng)過多次試驗，管子內(nèi)、外表焊縫成型質(zhì)量良好，焊接效率高；直管焊接效率提高60%以上；焊縫美觀，很少出現(xiàn)氣孔和應(yīng)力不均等現(xiàn)象。焊接后的成品見圖6。

圖6 完工后的成品

3.2 應(yīng)用

該產(chǎn)品可在直管焊接中普及應(yīng)用；由于薄板在焊接中極易焊穿等缺陷，可以利用搖擺機均勻快速搖擺，避免薄板焊穿。同時，在焊接級別管對接的時候也能得到充分應(yīng)用，Ⅰ、Ⅱ級管的對接焊縫質(zhì)量的好壞是管系焊接的核心[2-3]，是船舶或者其他鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在日常管系制作過程中，Ⅰ、Ⅱ級管的對接焊完工之后，要進行拍片，做無損探傷，氣孔、咬邊、焊瘤、夾雜等焊接缺陷無所遁形，尤其是大口徑管的對接焊，人工問題尤為突出，是焊接過程中重要難題。

在搖擺機的研究過程中，發(fā)現(xiàn)通過進行搖擺機調(diào)試，能夠進行Ⅰ、Ⅱ級管對接，充分利用搖擺機及焊接變位器，焊接變位器設(shè)備范圍內(nèi)，管徑508 mm以下的Ⅰ、Ⅱ級管對接焊均能在設(shè)備上，通過搖擺機進行半自動化焊接，保證Ⅰ、Ⅱ級管的對接焊縫質(zhì)量，減少返修。

經(jīng)過大量試驗，焊接數(shù)據(jù)見表2。試焊后所得焊縫成形美觀，焊后余高滿足要求，焊縫兩邊無氣孔、咬邊和未熔合等缺陷。焊后進行X光探傷表明，焊縫內(nèi)部無任何焊接缺陷，探傷照片評定級別為1 級，合格率高達100%。

表2 焊接檢查表

4 結(jié)論

制作完成的V形滾輪架，在使用中完全可以達到配合自動化焊接設(shè)備精準焊接的目的，并且配以兩組同時使用，使自動化焊接設(shè)備同時施焊管子兩端法蘭，成倍的提高了焊接效率，焊接質(zhì)量更是比人工手工焊接提高不少。

第一階段的大管直管流水線已投入使用，大口徑直管自動化焊接率已經(jīng)提高了5.46%，1年可節(jié)約82.6萬元。后面將繼續(xù)推進管子制作的焊接自動化率，將大口徑管小組立和大口徑管Ⅰ、Ⅱ級管的對接焊應(yīng)用到實踐當中，同時規(guī)劃不銹鋼管等有色金屬管的自動化焊接和中口徑管的自動化焊接。

后續(xù)的自動化焊接，作業(yè)區(qū)也準備好了計劃和方案，一方面，緊緊圍繞著不銹鋼、雙相不銹鋼、銅鎳合金管等有色金屬管子進行自動化焊接，通過現(xiàn)代化的設(shè)備，提高有色金屬管子制作質(zhì)量以及效率；另一方面，擴大搖擺機的應(yīng)用，把大口徑直管焊接流水線應(yīng)用到中口徑上面，提高中口徑管子的焊接效率以及焊接質(zhì)量。