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| 压力钢管全位置自动化焊机 | |
| 葛巩坝集团 漆卫国 张为明 雷家琦 | |
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摘要：通过分析在大直径厚壁压力钢管焊接施工中应用全位置自动化焊接技术的困难，吸取国内外同类焊机的成功经验，研制出全位置自动焊机。该焊机具有焊矩摆幅自适应坡口宽度和自动跟踪功能，焊机整体设计合理，作稳定可靠，外形美观，机构紧凑轻便，在湖北省兴山县古洞口水电工程引水压力钢管及三峡二期工程左厂ll#～14＃压力钢管焊接施工中得以成功应用。
关键词：压力钢管；全位置自动化焊机；研制；应用
长期以来，水电站压力钢管的焊接一直采用传统、简单而繁重的焊条电弧焊技术，只有少量的制作场纵缝采用埋弧自动焊技术，压力钢管的全位置自动化焊接技术尚属空白。随着水电建设的高速发展和机组参数的不断增大，大直径厚壁压力钢管的焊接必须采用先进的全位置自动化焊接技术才能适应施工生产的需要。
压力钢管全位置自动焊不仅要实现焊接小车沿焊缝的自动行走，焊丝的自动输送、凋整，摆动及对中等机电控制过程，而且要解决焊丝的熔滴过渡形式，保证全位置焊接的焊缝成型质量，特别是对各种位置的焊接规范自动调整等一系列自动控制技术；而更重要的是现场拼装的焊缝对装质量差、施工环境恶劣，较难满足自动化焊接施工的要求。目前，压力钢管 全位置自动化焊接技术在大直径厚壁压力钢管焊接中全面应用尚有一定难度，其主要原因是：
(1)大直径厚壁压力钢管的安装环缝组装难以达到均匀一致的高精度，这就要求全位置自动焊设备能根据坡口尺寸及偏差自动凋整有关工艺参数，以降低或消除不均匀参数对焊接质量的影响；
(2)焊缝空间位置不断变化，要求焊接系统能根据焊炬所在位置自动及时调整焊接工艺参数，实现各处焊接成型基本一致；
(3)要实现坡口尺寸、焊接熔地形状，焊接规范参数实寸调节三者匹配，保证焊缝质量，其自动控制技术难度较大。
因此，如何选择造价低、适应性强、操作简单、焊接效率高的全位置自动化焊接设备是解决上述问题的唯一途径。针对水电站压力钢管的焊接特点，我们开发研制了一套独具特色的全位置自动焊机，并在湖北省兴山县古洞口水电站压力钢管及三峡二期工程左厂11#14#压力钢管纵缝的焊接施工中获得了成功应用。
1 全位置自动焊机的主要研制内容及其实施方案
全位置自动焊机研制主要包括机械和电气控制两大部分内容。
1.1 机械设计与制造
整机机械设计包括爬行轨道、爬行小车，焊炬摆动机构及摆幅自适应坡口宽度传感器结构设计。
1.1.1 爬行轨道
爬行道轨由不锈钢薄板、分体式齿块组成的齿条和固定道轨于工件表面的水磁铁块组成。爬行小车和焊炬摆动的控制拖车分别借助左右共四对滚动轴承对夹持道轨边缘，从而使两者可以沿道轨平稳灵活地移动，借助爬行小车内的行车电机输出轴上的小齿轮与道轨上的齿条啮合并通过两侧联杆使爬行小车与焊炬摆动控制拖车联成一体，使两者可以在道轨上可靠、平稳地运行，实行全位置爬行的功能。
1.1.2 爬行小车
爬行小车分主动驱动的行走小车和被动行走的焊炬摆动控制拖车两部分。它们分别在底板下方两侧各有两对互成60°的轴承轮夹紧轨道边缘，运动灵活可靠。夹持轨道的两侧轴承轮中的其中一侧可以通过螺杆和滑块作横向移动以实现小车在轨道上夹持与拆卸，使小车在轨道上装卸十分方便。
1.1.3 焊炬摆动机构
焊炬摆动机构是实现焊接电弧横向运动的机构。本系统采用一空心薄壁不锈钢方管。其上固定有条状不锈钢板和齿条作摆杆，摆杆端部安装有焊炬夹紧和传感器固定及调节机构。依靠摆杆上条状不锈钢板两侧有倒角的边缘与安装于立板上的四只轴承外套的V型滚轮相啮合，组成了摆动十分灵活、轻巧、刚度好、间隙小、工作稳定可靠、拆卸十分方便的摆动机构。
1.1.4 摆幅自适应坡口宽度和焊接自动跟踪两用传感器
摆幅和跟踪两用传感器是为了适应在水电站现场施工条件下，大直径厚壁压力钢管的环缝坡口装配很难做到间隙均匀，而且全位置自动化焊接时轨道的铺设也很难与焊缝完全平行而设计的。本机传感器采用探针机械接触坡口侧壁获取信号，这是一种工作可靠、抗干扰能力最强的获取信号方式，然后通过传感器内部的摆杆系统产生光电信号，经逻辑电路分辨控制焊炬摆动电机转向和停留，实现了焊炬摆幅自适应坡口宽度的功能。
1.2 电气控制系统研制
焊机电气控制系统设计功能的完善、工作稳定可靠、抗干扰性好对于确保焊机工作质量十分重要。本焊机充分考虑了全位置自动化焊机所必须的基本功能和参考国内外同样先进焊机的功能，开发了具有自身特点的摆幅自适应坡口宽度和自动跟踪焊接控制功能。本机具备的主要控制功能如下：
1)焊炬摆幅自动与手动选择；
2)焊炬摆幅设定与自适应选择；
3)焊炬摆动两侧停留时间调节；
4)焊炬摆速调节；
5)焊接电弧运动轨迹选择；
6)焊接方向选择；
7)焊接速度凋节；
8)设定摆幅工作方式下始摆方向选择；
9)设定摆幅工作方式下电弧纠偏调节；
10)焊接行车小车近控与遥控。
其电气控制原理如下图所示：
2 整机主要技术参数
小车电源： 220V 50HZ
小车爬行速度 0～450mm/min
焊炬摆动幅度 0～±40mm
焊炬摆动速度 250～3000mm/min
焊炬摆动方式 1)直线形；2)锯齿形；3)梯形；4)矩形
焊炬两侧停留时间 0～5sec
自动跟踪精度 ±0.5sec
焊炬调整自由度 6个
焊接钢管曲率半径 ≥1500mm
焊机重量 18.5 kg
本焊机适应的焊接方法不受限制，可以根据需要采用CQ2气体保护焊、药芯焊丝气保焊、药芯焊丝自保焊、MAG焊、MIG焊、TIG焊等方法，只需配以相应特性的焊接电源和焊炬。
3 工程应用与效果
3.1 应用工程简介
古洞口水电站位于湖北省兴山县古夫河下游，电站总装机容量为4.5万kW，多年平均发电量为1.24亿kwh，其压力钢管直径为5m，壁厚为16～40mm不等，全长600余m。全部采用国产16Mn低合金结构钢制造。
三峡工程是举世瞩目的水电工程，其装机总容量为1 820万kW，年发电量达847亿kwh，其压力钢管直径为12.4m，壁厚为26～541mm，单管长度122.5m，采用国产16MnR低合金结构钢和进口600MPa级低碳调质高强钢板制造。
3.2 全位置自动焊工艺
全位置自动焊工艺参数见表1。 表1 全位置自动焊工艺参数表 （图片）表2 全位置自动焊应用效果对比表 （图片） | |
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