管路T形連接堆焊涂層自動化焊接技術(shù)研究

張磊　張文博

摘? ? 要：目前諸多工業(yè)設(shè)備均采用焊接工藝實現(xiàn)壓力容器與管道的連接。由于有些管道連接處的形狀復(fù)雜（如馬鞍形等）、高應(yīng)力集中，在生產(chǎn)和維修中很難實現(xiàn)自動化焊接。為解決這一難題并且使其低成本化，需要掌握自動化TIG堆焊涂層的關(guān)鍵技術(shù)，通過對T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術(shù)的研發(fā)，可以徹底解決上述難題，從而實現(xiàn)高端焊接技術(shù)和設(shè)備的國產(chǎn)化、低成本化。本文以具體的實驗結(jié)果，介紹這種技術(shù)的優(yōu)勢與特點。

關(guān)鍵詞：管道焊接;T形連接;馬鞍形焊縫;自動化焊接

中圖分類號：U671.83 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： At present， most of industrial equipment use welding technology to realize the connection of pressure vessel and pipeline. Due to the complex shape and high stress concentration of some pipe joints， it is difficult to realize automatic welding in production and maintenance. In order to solve this problem with low cost， it is necessary to master the key technology of automatic TIG overlay coating. Through T-type connection saddle the above problems can be solved thoroughly by the research and development of the automatic technology of the welding track， so as to realize the localization and low cost of high-end welding technology and equipment. This paper introduces the advantages and characteristics of this technology based on the specific experimental results.

Key words： Pipe welding; T-type connection; Saddle weld; Automatic welding

1? ? 前言

T形連接馬鞍形軌跡自動化焊接多數(shù)是機械手編程配合旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)工件來實現(xiàn)的，在一些無法旋轉(zhuǎn)的大型設(shè)備或施工現(xiàn)場還是以人工焊接為主。人工焊接方法不僅施工效率低，而且還存在飛濺多及焊接過程中易形成氣泡等問題，整體質(zhì)量很難保證，一旦發(fā)現(xiàn)問題返修特別困難。

目前很多行業(yè)的工業(yè)設(shè)備多采用焊接工藝來實現(xiàn)壓力容器與管道的連接，并且有些管道連接處的形狀復(fù)雜，存在高應(yīng)力集中等問題，很難實現(xiàn)自動化焊接;而人工手動焊接的質(zhì)量又難以保證，時常出現(xiàn)裂紋、斷裂等事故。

堆焊涂層技術(shù)是在現(xiàn)有的材料上堆焊一層或多層相同或不同的材料來實現(xiàn)特種需要，目前在核電、石油、船舶、化工管道，火電等維修中具有廣泛的應(yīng)用。TIG堆焊涂層技術(shù)由于設(shè)備的復(fù)雜性和操作的高要求，導(dǎo)致國內(nèi)很少有公司能提供相關(guān)服務(wù);而采用國外的技術(shù)服務(wù)，又造成經(jīng)濟成本很高。所以目前國內(nèi)幾乎全部采用人工手動挖補或人工手動焊接的工藝，難以保證質(zhì)量的穩(wěn)定性。

本文介紹一種針對不同管徑的T形連接馬鞍形焊縫的自動化焊接技術(shù)，如圖1、圖2所示。此技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用便利，通過軟件控制焊頭對焊縫的自動化跟蹤，完成對T形連接馬鞍形軌跡焊縫的現(xiàn)場自動化焊接，具有國際領(lǐng)先技術(shù)水平。

2? ? T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術(shù)

若要實現(xiàn)T形連接馬鞍形焊接軌跡的TIG自動化堆焊涂層技術(shù)（見圖3、圖4），需要掌握三個技術(shù)關(guān)鍵：電弧長度自動化跟蹤技術(shù);軌跡法線方向自動化調(diào)節(jié)技術(shù);移動熱源堆焊涂層的有限元分析技術(shù)。

2.1? 電弧長度自動化跟蹤技術(shù)

TIG自動焊接以恒電流的方式進行焊接，電流決定了金屬的熔化率、電壓決定了電弧的長度、電弧長度變化的穩(wěn)定程度決定了焊接質(zhì)量?，F(xiàn)有技術(shù)是以測量鎢極與工件之間的電壓、并與預(yù)先設(shè)定值比較，以差值為參數(shù)動態(tài)地驅(qū)動焊槍驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)電弧長度的恒定。這種方法以假設(shè)電流是恒定值為前提條件，誤差較大。

電弧長度跟蹤技術(shù)的本質(zhì)是保持熱輸入的穩(wěn)定，而實際工作中由于焊機質(zhì)量、環(huán)境等因素影響，電流并不是一個恒定值，一般會有3%～10%的波動。電弧長度自動跟蹤技術(shù)就是同時測量電壓和電流，并考慮氣流變化因素來計算熱輸入的變化，將其與預(yù)先設(shè)定的熱輸入值比較，用差值作為控制輸入信號控制焊頭驅(qū)動機構(gòu)，更能實現(xiàn)熱輸入的恒定，從而提高焊接質(zhì)量。其工作原理如圖5、圖6所示。

2.2? ?軌跡法線方向自動化調(diào)節(jié)技術(shù)

管連接管BOSS頭軌跡是馬鞍形曲線，在堆焊涂層的各個位置法線方向是一個連續(xù)變化的過程，只有保證焊頭鎢極在法線方向上才能實現(xiàn)焊接熱輸入的連續(xù)穩(wěn)定，從而得到高質(zhì)量的焊接結(jié)果?，F(xiàn)階段尚沒有TIG自動焊機能實現(xiàn)法線方向的自動跟蹤，軌跡法線方向自動調(diào)節(jié)技術(shù)，就是在焊頭驅(qū)動機構(gòu)中增加一個可旋轉(zhuǎn)的自由度和一個微型的焊接攝像鏡頭，鏡頭實時采集圖像，計算機采用模式識別的方法提取焊接表面輪廓曲線、計算輪廓曲線各點的法線方向控制焊頭驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)焊頭鎢極實時跟蹤在焊接軌跡的法線方向上，以得到最高質(zhì)量的焊接效果。其原理如圖7、圖8所示。

2.3? 移動熱源堆焊涂層的有限元分析技術(shù)

以GOLDAK的雙橢圓熱源為基本原理的焊接有限元模擬分析技術(shù)，在WSI、SI、WESTINGHOUSE等少數(shù)幾個國外公司的工程中得到應(yīng)用，但在國內(nèi)還沒有實際的工程應(yīng)用例子。

在馬鞍形軌跡的焊接過程中引入有限元模擬分析技術(shù)，首先要解決焊接過程動態(tài)熱源的模擬分析技術(shù)，模擬焊接開始、焊接過程、焊接結(jié)束、焊后熱處理等各個階段的熱輸入對工件熱變形的影響和熱影響區(qū)的變化，將模擬分析的結(jié)果與實際焊接樣件測量值比較，修正模擬輸入?yún)?shù);重復(fù)以上的有限元計算過程，直到有限元模擬分析結(jié)果與實際焊接樣件的測量值一致為止。

3? ?T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術(shù)工藝實驗

3.1? 實驗設(shè)備

為了試驗的穩(wěn)定性，我們自主研發(fā)了實驗設(shè)備，并且采用多次、多規(guī)格焊件進行試驗，最終對比試驗數(shù)據(jù)總結(jié)試驗結(jié)論;同時，我們也搭載了對應(yīng)的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)焊縫軌跡的完全自動化。

3.2 實驗環(huán)境

整個實驗都在實驗車間進行，焊接時施焊環(huán)境的風速和相對濕度、焊件的溫度等均符合標準規(guī)定。

3.3 施焊

對于T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化焊接，屬于脈沖自動TIG焊。主要工藝參數(shù)有：焊接電流（包括峰值電流、基值電流、峰值時間、基值時間）、電弧電壓、焊接速度、送絲速度、氬氣流量、噴嘴直徑、鎢極直徑、焊槍高度等。對于這些參數(shù)的不同，都會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，施焊過程中應(yīng)嚴格遵守焊接工藝要求。焊接時開U形坡口，先用手工TIG焊打底，再用自動化焊機蓋面。

對于不銹鋼管道的全自動TIG焊而言，焊接工藝很復(fù)雜，而不同的焊層、不同的焊接區(qū)段，規(guī)范參數(shù)勢必有所變化，因而確定一套合理的規(guī)范參數(shù)并非易事。本文實驗為僅針對不銹鋼管φ168*4、φ219*4、φ140*4等幾種管子的試驗焊接。具體的實驗參數(shù)可參見表1。

按照上述規(guī)范參數(shù)焊接，焊縫軌跡從0°～90°，內(nèi)部成型美觀;90°～220°，200°～360°，外部焊縫成型均勻、光滑、無裂紋、氣孔等缺陷。

4? ? 結(jié)束語

堆焊涂層技術(shù)是在現(xiàn)有的材料上堆焊一層或多層相同或不同的材料，實現(xiàn)特種需要。自動化的堆焊涂層技術(shù)，涉及精密機械結(jié)構(gòu)、高精度控制、熱輸入控制、金屬材料和制造工藝等多學科的高度集成，經(jīng)濟成本很高。目前TIG堆焊涂層技術(shù)應(yīng)用上只有美國的WSI、PCI、AREVA和法國的POLYSOUDE等少數(shù)幾個外國公司可以提供服務(wù)，國內(nèi)尚未見有應(yīng)用實例。

目前國內(nèi)大部分應(yīng)用T形連接馬鞍形軌跡的自動化焊接，多數(shù)是靠機械手編程配合旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)工件來實現(xiàn)，在一些無法旋轉(zhuǎn)的大型設(shè)備或施工現(xiàn)場還是以人工焊接為主。本文所介紹的T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術(shù)，能夠在這種條件下替代人工進行自動焊接，解決了施工效率低和工人在特殊條件下手工操作困難的問題，并且自動化堆焊涂層技術(shù)采用的是計算機精密控制，遠比手動堆焊高效、節(jié)能、環(huán)保，并大大減少了焊接中產(chǎn)生的飛濺、氣孔等缺陷，提高了焊接質(zhì)量，使工廠的綜合效益大大提高。

參考文獻

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