鋼管柱全位置自動(dòng)焊接裝置研究及應(yīng)用

鄧宗生　張貝

摘要：研發(fā)了一種軌道式管道全位置自動(dòng)焊接裝置，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜焊接作業(yè)工況改進(jìn)了密封防塵的水平/高低滑塊、多維調(diào)節(jié)焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒條式快速拆裝導(dǎo)軌等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)。使用該自動(dòng)焊裝置進(jìn)行了多組GMAW管道自動(dòng)焊接試驗(yàn)，獲得了成熟的焊接工藝參數(shù)，并進(jìn)行了宏觀金相、拉伸、側(cè)彎、沖擊等測(cè)試。工藝評(píng)定結(jié)果表明，該裝置可用于橋梁鋼管立柱的全位置對(duì)接自動(dòng)焊中。目前該裝置已應(yīng)用于黃陵項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)橋梁鋼管立柱對(duì)接自動(dòng)焊接作業(yè)中。

關(guān)鍵詞：鋼管柱;全位置;管道自動(dòng)焊;GMAW;軌道式

中圖分類號(hào)：TG439.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0052-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.08

0 前言

管道全位置自動(dòng)焊時(shí)管子固定不動(dòng)，焊接小車(chē)會(huì)繞管子整周轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)施焊接，主要用于石油、化工、建筑、橋梁等管道現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接中。由于全位置自動(dòng)焊的焊接質(zhì)量好、效率高，是管道現(xiàn)場(chǎng)焊接的發(fā)展方向，也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前管道全位置焊已經(jīng)取得了一些研究成果，并已應(yīng)用于生產(chǎn)中。曹俊芳等[1]為解決管道建設(shè)野外作業(yè)的自動(dòng)化焊接的難題，研制了一種導(dǎo)軌式管道焊接機(jī)器人。王志堅(jiān)等[2]成功開(kāi)發(fā)了LNG管線全位置焊接系統(tǒng)，并進(jìn)行了多種焊接方法組合的焊接工藝試驗(yàn)。吳海宏等[3]開(kāi)發(fā)了超大直徑鋼管內(nèi)環(huán)縫單面焊雙面成型的全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，并分析了焊接質(zhì)量影響因素。許立新等[4]結(jié)合船舶制造企業(yè)的現(xiàn)狀，從改進(jìn)全位置焊接小車(chē)電源、擺動(dòng)器和現(xiàn)場(chǎng)工藝等方面入手，解決了應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的困難。金玉章等[5]提出了一種軌道厚度和支撐個(gè)數(shù)的選擇表法，解決了管道全位置焊接機(jī)器人環(huán)形導(dǎo)軌的剛度與質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。韓贊東等[6]結(jié)合路徑示教、參數(shù)匹配及參數(shù)控制等技術(shù)，建立了管道環(huán)縫全位置焊接過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了焊接參數(shù)的合理匹配和有效控制難題。薛龍等[7]開(kāi)發(fā)出了一套適用于水下管道全位置焊接過(guò)程控制的專家系統(tǒng)。鄒勇等[8]研究了一種包括上位機(jī)焊接參數(shù)管理專家系統(tǒng)、焊接參數(shù)液晶輸入輸出模塊、焊接參數(shù)手控盒輸入輸出模塊的管道全位置焊接機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)。王克寬等[9]針對(duì)工廠化預(yù)制管道的焊接工藝特點(diǎn)，利用工業(yè)六軸焊接機(jī)器人擺動(dòng)焊接功能對(duì)管道進(jìn)行了全位置焊接工藝研究，獲得了良好的焊接結(jié)果。冷小冰等[10]研究了A-TIG在核電管道全位置焊接中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了6 mm厚的不銹鋼管道一次焊透，單面焊雙面成型。郭奇超[11]設(shè)計(jì)搭建了管道全位置超聲-MAG復(fù)合自動(dòng)焊接系統(tǒng)，在選定的工藝參數(shù)下完成了焊接試驗(yàn)。徐祥久等[12]針對(duì)SA-335

P91鋼大口徑管環(huán)縫，采用軌道式全位置熱絲TIG焊機(jī)進(jìn)行了窄間隙焊接，并對(duì)所獲焊接接頭的組織和性能進(jìn)行了研究。

本文針對(duì)中鐵寶橋集團(tuán)黃帝陵旅游風(fēng)景區(qū)觀光小火車(chē)項(xiàng)目鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)焊接需求，與北京石油化工學(xué)院合作，研發(fā)出了一種適用于現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境的管道全位置自動(dòng)焊接裝備，并進(jìn)行試驗(yàn)及應(yīng)用研究。

1 鋼管立柱特點(diǎn)及焊接要求

1.1 鋼管立柱特點(diǎn)

黃帝陵旅游風(fēng)景區(qū)觀光小火車(chē)軌道的鋼管立柱主要采用三種形式，分別為φ750×20、φ1 100×22、φ1 000×22的鋼管柱，材質(zhì)為Q345D，數(shù)量約300根。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每個(gè)立柱高度都不一樣，在橋位現(xiàn)場(chǎng)，鋼管立柱水平定位好后進(jìn)行全位置對(duì)接焊，焊接完成后再豎立安裝。

1.2 鋼管立柱焊接要求

鋼管立柱的主要焊接焊縫有：（1）鋼管立柱接長(zhǎng)對(duì)接焊縫;（2）下端鋼管立柱與法蘭板周圈K8角焊縫。

對(duì)接焊縫設(shè)計(jì)為熔透焊縫，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)，接頭設(shè)計(jì)為背面貼鋼襯墊的V型坡口（見(jiàn)圖2）;角焊縫為T(mén)型K8單側(cè)角焊縫。

采用CO2氣體保護(hù)焊接（FCAW），焊接材料為藥芯焊絲E501T-1L，φ1.2，配CO2氣體，亦可采用經(jīng)過(guò)設(shè)備商試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的焊接工藝及材料。

為確保焊縫質(zhì)量，減小返修帶來(lái)的施工難度，擬采用軌道式焊接機(jī)器人（環(huán)形軌道）進(jìn)行全位置自動(dòng)化焊接。

2 管道全位置自動(dòng)焊接系統(tǒng)

根據(jù)橋梁鋼管立柱焊接特點(diǎn)，結(jié)合北京石油化工學(xué)院已有的焊接機(jī)器人研究成果，提出如圖3所示的管道全位置自動(dòng)焊接系統(tǒng)。系統(tǒng)包括自動(dòng)焊接小車(chē)、焊接小車(chē)導(dǎo)軌、自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)、焊接操作控制盒、焊接工藝參數(shù)管理系統(tǒng)、焊接電源及送絲系統(tǒng)等。

其中焊接小車(chē)為自動(dòng)焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由小車(chē)行走機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、高低機(jī)構(gòu)和焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，可沿導(dǎo)軌自動(dòng)行走，實(shí)施焊接作業(yè)。焊接軌道是連接整個(gè)焊接系統(tǒng)和被焊接管道的橋梁，由導(dǎo)軌板和導(dǎo)軌支撐螺釘組成，安裝于管道外側(cè)。自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)控制焊接小車(chē)和焊接電源，同步實(shí)施管道焊接作業(yè)。焊接參數(shù)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)與自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)通訊，為全位置焊接過(guò)程提供工藝參數(shù)控制，焊接電流、電壓和位置傳感器為其提供控制過(guò)程反饋信息。

3 自動(dòng)焊接裝置關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使管道全位置自動(dòng)焊接裝置更加適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，本文對(duì)裝置中的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.1 密封防塵的水平/高低滑塊設(shè)計(jì)

管道全位置自動(dòng)焊接小車(chē)本體上搭載用于控制焊槍水平和高低位置的二維滑塊。其中水平滑塊直接安裝在焊接小車(chē)行走機(jī)構(gòu)上，用于控制焊槍的左右偏差。高低滑塊與水平滑塊一端連接，用于控制焊槍的高低偏差。由于焊接過(guò)程中存在大量的煙塵和粉塵，為延長(zhǎng)滑塊使用壽命，確保設(shè)備正常工作，需要對(duì)水平/高低滑塊進(jìn)行密封防塵設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的絲杠密封裝置如圖4所示。將滑塊外接的“工字形”連接板的上表面中部區(qū)域加工成一段圓弧面，圓弧面上端壓一細(xì)長(zhǎng)條帶鋼，帶鋼兩端固定在整個(gè)密封裝置的兩端;其余非運(yùn)動(dòng)連接區(qū)域用薄鋁板封堵，兩端均用螺釘緊固。在“工字形”連接板帶動(dòng)外部機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，壓在“工字形”連接板圓弧上表面的帶鋼的隆起部位隨著滑塊的運(yùn)動(dòng)而做相應(yīng)改變。由于整個(gè)密封裝置表面除帶鋼以外的部分均被完全固定密封，而圓弧引起的帶鋼的細(xì)小隆起因圓弧面的過(guò)渡作用以及連接蓋板和帶鋼壓板對(duì)帶鋼的壓緊作用，也對(duì)內(nèi)部的絲杠起到了很好的密封作用，從而使得整個(gè)裝置達(dá)到了絲杠防塵密封的目的。

該密封裝置不僅能有效實(shí)現(xiàn)絲杠的防塵隔離密封，且密封件的結(jié)構(gòu)緊湊，能較大地延長(zhǎng)絲杠在高溫、高輻射等惡劣工作環(huán)境中的使用壽命。

3.2 多維調(diào)節(jié)焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)與高低機(jī)構(gòu)相連，用于在焊接過(guò)程中夾持焊槍，與行走機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)特定擺姿的擺動(dòng)焊接。通常焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括與高低滑塊機(jī)構(gòu)連接的連接板、角擺器、角擺器電機(jī)以及焊槍夾持件。角擺器直接夾持焊槍進(jìn)行直線或弧線擺動(dòng)，這樣僅能在一個(gè)維度上直接地調(diào)整焊槍位置，不利于焊接過(guò)程中焊槍位置的微調(diào)控制。

本文設(shè)計(jì)了一種可以多維度調(diào)節(jié)焊槍位置的焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖5所示，包括連接板、角擺器、角擺器電機(jī)、焊槍夾持件以及半工字形框架。該半工字形框架包括上板、下板和底板，并通過(guò)底板安裝至連接板上，其中上板和下板之間安裝一立軸，使轉(zhuǎn)塊能夠繞立軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，角擺器固定在轉(zhuǎn)塊的側(cè)表面上，角擺器電機(jī)固定在轉(zhuǎn)塊的上表面上。

利用上述結(jié)構(gòu)，角擺器可以在R1向上調(diào)整焊槍位置，帶動(dòng)焊槍進(jìn)行直線或弧線擺動(dòng)。轉(zhuǎn)塊相對(duì)于立軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以在R2向上即繞立軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的方向上調(diào)整焊槍位置。此外，采用可在連接板上轉(zhuǎn)動(dòng)的框架轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在R3向上即繞垂直于連接板的線轉(zhuǎn)動(dòng)的方向上調(diào)整焊槍位置，從而實(shí)現(xiàn)夾持在擺動(dòng)器上的焊槍多維度調(diào)整。

3.3 齒條式快速拆裝導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的管道全位置自動(dòng)焊接裝置配套齒條式快速拆裝導(dǎo)軌如圖6所示，采用兩個(gè)半圓形結(jié)構(gòu)，利用合頁(yè)連接，并在合頁(yè)連接的軸向?qū)?yīng)點(diǎn)安裝簡(jiǎn)便快捷的鎖緊裝置，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。

導(dǎo)軌由本體、齒條、合頁(yè)裝置、兩側(cè)導(dǎo)軌鎖緊裝置以及焊接小車(chē)行走輪導(dǎo)向環(huán)道組成。導(dǎo)軌本體和焊接小車(chē)行走輪導(dǎo)向環(huán)道的軸徑尺寸適應(yīng)配合管道的軸徑尺寸，焊接小車(chē)行走輪導(dǎo)向環(huán)道的寬度按用戶需要或焊接小車(chē)行走輪的尺寸來(lái)確定;左合頁(yè)、右合頁(yè)由兩條內(nèi)插銷軸連接構(gòu)成合頁(yè)裝置，并與導(dǎo)軌本體通過(guò)螺栓進(jìn)行連接;鉸支座、鎖緊齒以及由鎖緊上扣和鎖緊下扣，由銷軸連接構(gòu)成的鎖緊扣通過(guò)提拉螺栓連接組成兩側(cè)導(dǎo)軌鎖緊裝置，并與導(dǎo)軌本體通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，如圖7所示。

4 管道全位置自動(dòng)焊接試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 管道全位置自動(dòng)焊接試驗(yàn)

管道全位置自動(dòng)焊接裝置在正式應(yīng)用前進(jìn)行了大量工藝試驗(yàn)研究。

全位置焊接試驗(yàn)試件規(guī)格為φ750×20鋼管，材質(zhì)為Q345D。V型坡口，坡口角度45°，采用機(jī)械加工，鋼襯墊。焊接方法為直流GMAW，保護(hù)氣體CO2，氣體流量為15～18 L/min，焊絲為ER50-6，直徑為1.2 mm。焊接電流130～160 A，電弧電壓20～24 V，焊接速度7～16 cm/min。

焊接順序及焊道布置如圖8所示，鋼管全位置焊接時(shí)共焊6層，后一道焊縫焊接方向與前一道相反。

全位置自動(dòng)焊接場(chǎng)景和焊縫成形如圖9所示。

按NB/T 47014-2011規(guī)定對(duì)焊縫進(jìn)行取樣，并進(jìn)行宏觀金相、拉伸、側(cè)彎、沖擊等評(píng)定試驗(yàn)，如圖10所示。評(píng)定結(jié)果表明，所焊焊縫合格。

4.2 橋梁鋼管立柱全位置自動(dòng)焊接應(yīng)用

本文研制的新型管道全位置自動(dòng)焊設(shè)備已在黃陵項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)橋梁鋼管立柱對(duì)接自動(dòng)焊接作業(yè)中應(yīng)用，如圖11所示。該設(shè)備性能穩(wěn)定、軌道輕型化，操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，焊縫成形良好、焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5 結(jié)論

本文研發(fā)了一種軌道式管道全位置自動(dòng)焊接裝置，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜焊接作業(yè)工況設(shè)計(jì)了密封防塵的水平/高低滑塊、多維調(diào)節(jié)焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒條式快速拆裝導(dǎo)軌等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)部件。

采用該全位置自動(dòng)焊接裝置進(jìn)行了系列管道自動(dòng)焊接試驗(yàn)，工藝評(píng)定結(jié)果表明，該裝置可用于橋梁鋼管立柱的全位置對(duì)接自動(dòng)焊中。目前該裝置已應(yīng)用于黃陵項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)橋梁鋼管立柱對(duì)接自動(dòng)焊接作業(yè)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹俊芳，蔣力培，孫亞玲. 管道全位置焊接機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)研制[J]. 電焊機(jī)，2006，36（12）：10-12，42.

[2] 王志堅(jiān)，關(guān)幼耕，李艷艷，等. LNG管線全位置自動(dòng)焊焊接系統(tǒng)及工藝的研制與應(yīng)用[J]. 金屬加工（熱加工），2017（S1）：1-5.

[3] 吳海宏，周忠明. 超大直徑鋼管單面焊雙面成型全位置自動(dòng)焊接技術(shù)試驗(yàn)[J]. 廣東水利水電，2019（2）：44-47.

[4] 許立新，張亮，王錢(qián)浦，等. 全位置焊接小車(chē)的研究與應(yīng)用[J]. 金屬加工（熱加工），2017（14）：34-37.

[5] 金玉章，張建，朱思俊. 管道全位置焊接機(jī)器人導(dǎo)軌設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（1）：254-257.

[6] 韓贊東，都東，陳強(qiáng)，等. 管道全位置焊接參數(shù)控制系統(tǒng)[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2003（5）：1-4，9.

[7] 薛龍，王德國(guó)，鄒勇，等. 水下管道全位置焊接過(guò)程控制專家系統(tǒng)[J]. 電焊機(jī)，2014，44（7）：64-67.

[8] 鄒勇，蔣力培，薛龍，等. 管道全位置焊接機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)[J]. 電焊機(jī)，2009，39（4）：56-58.

[9] 王克寬，?；⒗?，張建護(hù)，等. 基于六軸機(jī)器人的管道全位置焊接工藝研究[J]. 石油工程建設(shè)，2018，44（3）：5357.

[10] 冷小冰，張瑞華，王海濤，等. A-TIG焊在核電管道全位置焊接中的應(yīng)用[J]. 電焊機(jī)，2009，39（8）：14-16.

[11] 郭奇超. 管道全位置超聲波-MAG復(fù)合自動(dòng)焊接系統(tǒng)[J].焊接技術(shù)，2015，44（3）：52-55.

[12] 徐祥久，張宇，黃超，等. SA-335 P91鋼全位置窄間隙熱絲TIG焊接工藝及接頭性能研究[J]. 壓力容器，2019，36