管道筒體縱環(huán)縫全自動焊接設備設計應用分析

陳廷勇，張佩艷 ，劉興永

（1.湖南長沙智能專用車研究院有限公司，湖南 長沙 410001；2.河南豫光鋅業(yè)有限公司，河南 濟源 459000；3.湖南星通汽車制造有限公司，湖南 長沙 410001）

1 項目概述

某公司是管道配套生產(chǎn)企業(yè)，每天都進行管道筒體進行焊接，管道筒體強度等級高，管道筒體直徑范圍：Φ610～Φ2000mm；工件長度范圍：1000～3000mm；工件質(zhì)量：不大于5t；要求焊縫外形美觀，有較高比例的無損探傷檢驗要求，合格率達到100%；管道筒體工件成品示意圖1所示。

筒體首先完成拼接成圓，縱縫焊接完成后；筒體移動組對，設備自動完成環(huán)縫焊接。焊縫經(jīng)過實際驗證，生產(chǎn)制造的全自動焊接設備滿足了管道筒體的縱環(huán)縫焊接要求，效果良好。

2 管道筒體全自動焊接設備設計理念

2.1 全自動焊接機技術(shù)要求

為了滿足管道筒體縱縫，環(huán)縫焊接，結(jié)合從事焊接專機的生產(chǎn)及焊接工藝經(jīng)驗，管道筒體的自動換焊接設備必須達到如下技術(shù)要求：（1）設備必須能實現(xiàn)筒體的環(huán)縫焊接要求，使用十字梁焊接機能滿足此要求。（2）設備必須能實現(xiàn)筒體的組對要求，采用防竄組對滾輪架滿足此要求。（3）設備必須能實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)縫的焊接要求，采用滾輪架和十字梁焊接機滿足要求。（4）焊縫質(zhì)量良好，必須滿足較高比例的無損探傷要求，根據(jù)實驗結(jié)果，采用機械加工坡口，自動氬弧焊/STT打底、氣保、埋弧填充蓋面，完全滿足此要求。

2.2 全自動焊接設備組成及其特點

管道筒體縱縫全自動焊接設備由1套十字梁焊接機、1套主從動滾輪架、1套視屏監(jiān)控系統(tǒng)、1套焊縫跟蹤系統(tǒng)、1套電控系統(tǒng)等設備組成，設備組成如圖2所示；環(huán)縫焊接區(qū)由1套十字梁焊接機、1套組對滾輪架、1套防竄滾輪架、1套主動滾輪架、1套視屏監(jiān)控系統(tǒng)、1套焊縫跟蹤系統(tǒng)、1套電控系統(tǒng)等組成，設備組成如圖3所示。

圖2 縱縫全自動焊接設備結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 環(huán)縫全自動焊接設備結(jié)構(gòu)示意圖

（1）十字梁焊接機。設備由滑板箱、橫梁、立柱、底座等組成。如圖4所示。

圖4 十字梁焊接設備結(jié)構(gòu)示意圖

滑板箱整體結(jié)構(gòu)為雙H型。采用型材及板材焊接制造、去應力處理。整體剛性好，在使用過程中不會影響到焊縫質(zhì)量?；逑淦鹬鴻M梁伸縮和帶動橫梁上下移動的功能。內(nèi)部設置了用于防墜落保險裝置的安全機構(gòu)，避免鏈條斷裂造成傷害，提高安全性。其次在箱體上安裝了限位裝置，對橫梁伸縮有電氣限位和機械限位。箱內(nèi)傳動機構(gòu)由交流變頻電機和減速器組成，驅(qū)動橫梁伸縮。傳動機構(gòu)輸出為傳動齒輪，它與橫梁上的齒條進行嚙合，驅(qū)動橫梁伸縮。

橫梁根據(jù)十字梁規(guī)格，采用了“工”及“口”雙型材超強剛性的粱結(jié)構(gòu)。橫梁上配置了齒條和導軌，橫梁有效長度機械限位裝置。橫梁前端安裝焊接機頭，內(nèi)側(cè)安裝齒條，通過在滑板箱上的伺服電機和減速機驅(qū)動齒輪，實現(xiàn)橫梁移動。

立柱：根據(jù)十字梁規(guī)格，采用了“工”及“口”雙型材超強剛性的粱結(jié)構(gòu)。頂部配置了電機減速器，通過鏈條驅(qū)動滑板箱升降。

底座：箱式底座結(jié)構(gòu)，內(nèi)部安裝立柱電機回轉(zhuǎn)機構(gòu)，立柱鎖緊裝置。整個底座內(nèi)經(jīng)過處理，增加了重量，有效的降低了整個設備重心高度，提高了整臺設備的穩(wěn)定性。底座配置電機驅(qū)動裝置，實現(xiàn)軌道上自由行走。

橫梁前端配置焊接機頭電動拖板、夾槍機構(gòu)、擺動器、跟蹤及視屏監(jiān)控系統(tǒng)等。通過視屏監(jiān)控對焊槍調(diào)節(jié)，實現(xiàn)焊槍的上升、下降、左、右移動。

（2）組對滾輪架。組對滾輪架由1套固滾輪架和1套移動滾輪架、工作平臺，1個橫向伸縮油缸、4個滾輪架升降裝置組成和控制系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

圖5 組對滾輪架結(jié)構(gòu)示意圖

滾輪架的滾輪胎由電機減速機驅(qū)動，實現(xiàn)無極變速，滿足工件轉(zhuǎn)動要求；固定滾輪架安裝工作平臺面上，移動滾輪架配置由導套，可以在工作平臺上直線移動，滿足筒體在軸線方向移動，調(diào)整筒體間焊接面間隙，滿足焊接要求；工作平臺內(nèi)安裝伸縮油缸和鎖軌器，內(nèi)安裝由滑軌和伸縮油缸，實現(xiàn)移動滾輪架與固定滾輪架的間隙調(diào)整和鎖定；舉升裝置可以分別實現(xiàn)兩組滾輪胎的間距，滿足不同工件直徑需求，其次還能對工件在徑向方向調(diào)整，滿足焊接圓跳動。

（3）防竄滾輪架。防竄滾輪架由1組舉升滾輪架、行走平臺、感應系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖6所示。

圖6 防竄滾輪架

行走平臺在軌道可以實現(xiàn)移動，適應不同長度筒體支撐需求。舉升滾輪架由液壓油缸，油泵、油箱等組成，通過油缸伸縮實現(xiàn)滾輪胎間距變化，適應不同工件直徑需求；感應系統(tǒng)由機械接觸裝置和光距離感應裝置，安裝裝置，電控裝置組成。機械接觸裝置與筒體保持接觸，通過接觸行程變換產(chǎn)生電信號控制舉升滾輪架油缸運動，實現(xiàn)工件在軸線方向的緩慢前進和后退，保證組對筒體對接焊縫均在組對滾輪架相應位置，實現(xiàn)連續(xù)焊接要求。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用動態(tài)工業(yè)攝像頭（140dB），成像清晰，360防飛濺鏡頭保護裝置，遠程監(jiān)控，能觀察到熔池、焊縫和周圍情況等。

（5）焊縫跟蹤系統(tǒng)。采用智能實時，非接觸跟蹤模式，傳感器測量焊縫偏移，控制電動拖板移動，實現(xiàn)焊槍上下，左右移動定位，引導焊槍自動焊接，解決焊縫偏差問題，實現(xiàn)焊縫成型美觀牢固。

（6）焊接系統(tǒng)。采用林肯全自動焊接系統(tǒng)、精準控制焊接工藝、電弧穩(wěn)定、有效減少生產(chǎn)焊接成本，固態(tài)電動控制與焊接電源配套使用，提高工作效率，性能穩(wěn)定。

2.3 電控系統(tǒng)

主控為PLC，可對焊接過程和工藝規(guī)范參數(shù)進行自動控制或手動控制。控制系統(tǒng)設計人性化，方便操作、檢修和更換。對自動起弧、焊接自動停止、焊縫跟蹤和防竄等進行調(diào)整和控制。能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制，配有手持控制盒和中央處理控制臺。

3 管道筒體焊接要求

根據(jù)筒體的不同厚度，在具體實施中具體制定了焊接順序。當鋼板厚度為25～50mm時，焊縫坡口形式為X型，內(nèi)環(huán)縫和內(nèi)縱縫焊采用埋弧焊進行焊接，當焊接結(jié)束后，不進行焊縫清根，使用埋弧焊對外環(huán)縫和外縱縫進行焊接填充蓋面。

3.1 焊接參數(shù)

單弧單絲焊：焊絲Φ4.0mm，焊接電流550～750A，焊接電壓29～35V，焊速30～60cm/min。

單弧雙絲：焊絲Φ4.0mm，焊接電流550～750A，焊接電壓29～35V，焊速30～60cm/min。

雙弧雙絲：前焊絲直流反接Φ4.0mm，焊接電流600～750A，焊接電壓29～32V；后焊絲交流Φ3.2mm，焊接電流550～650A，焊接電壓33～37V；焊速30～70cm/min。

雙弧四絲：前焊絲直流反接Φ4.0mm，焊接電流600～750A，焊接電壓29～32V；后焊絲交流Φ3.2mm，焊接電流550～650A，焊接電壓33～37V；焊速30～70cm/min。

3.2 部分坡口形狀（圖7）

圖7

4 焊接設備現(xiàn)場使用效果

全自動焊接設備投入現(xiàn)場進行生產(chǎn)，設備質(zhì)量達到技術(shù)要求。設備操作簡單方便，焊槍調(diào)節(jié)靈敏，員工勞動強度小，焊縫質(zhì)量完全合格。設備完全滿足縱環(huán)縫自動化焊接生產(chǎn)要求，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟和社會效益。

5 設備優(yōu)勢

5.1 機械設備

設備結(jié)構(gòu)合理，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性和抗震性。整個設備操作簡便，維護方便。整體采用型材與板焊接后去應力處理，整體剛性好。構(gòu)件經(jīng)過數(shù)控設備加工而成，滿足尺寸精度要求。

5.2 電氣設備

相對于繼電器等電器元件實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，采用PLC可編輯邏輯控制器抗干擾能力強、壽命長、接口豐富、體積小、可靠性高。通過系統(tǒng)分析反饋信息，自動實現(xiàn)焊縫填充，在行業(yè)領域?qū)儆陬I先地位，保證了高質(zhì)量焊接，焊縫完全合格。