彎游梁抽油機前驢頭圓弧主焊縫氣保焊專機的研制

中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司 （河北青縣 062658） 趙 波 趙 濤 孫 奇 曹貴貞

在國內廣大抽油機生產廠家中，游梁結構基本都采用了埋弧焊，因為游梁主體多是用鋼板或型鋼組成的方箱結構或“工”字截面結構，其主焊縫都為直線焊縫，應用埋弧焊焊接小車即可較容易地實現自動焊接。但前驢頭結構件的圓弧形主焊縫則不能直接使用自動焊小車，實現自動焊接，因此國內大部分抽油機生產廠家基本采用焊條電弧焊或半自動氣保焊焊接。

為了提高焊接生產效率和質量，降低生產成本和工人勞動強度，我們于1997年先后設計了圓弧板板內陷式前、前驢頭圓弧焊縫埋弧焊專機。其中前驢頭埋弧焊專機于1998年8月應用于生產，在國內抽油機生產制造企業中率先實現了前驢頭圓弧主焊縫的埋弧焊，獲得了很好的應用效果。

近年來，我們又設計了專門用于彎游梁抽油機圓弧板外包式前驢頭圓弧主焊縫焊接的氣保焊專機，本文將對該機設計及應用情況進行介紹。

1.彎游梁抽油機簡介

彎游梁抽油機是公司設計開發制造的高效節能型專利產品，是中國石油天然氣集團公司向全國重點推廣的機型之一，在國內和國外都得到廣泛應用。它主要由前驢頭、彎游梁、尾游梁、橫梁、連桿、曲柄、平衡塊、減速器、支架、底座、電動機及剎車裝置等組成。國內抽油機中的前驢頭幾乎全部采用的是內陷圓弧板結構，而該機型中的前驢頭采用了外包圓弧板結構。彎游梁游梁抽油機的結構如圖1所示。

圖1 彎游梁式抽油機結構

2.抽油機前驢頭圓弧焊縫氣保焊專機簡介

該焊接專機主要由500A氣保焊電源、送絲機、焊槍、焊接平臺、中心軸、定位塊、墊鐵、連桿、連接架、焊接小車、氣動直線導軌、夾槍裝置及仿形輪等組成（見圖2）。

圖2 前驢頭氣保焊專機結構示意

圖3 前驢頭氣保焊專機俯視圖

（1）工作原理 彎游梁抽油機前驢頭是等半徑圓弧形結構件，如圖3所示，圓弧半徑為R，圓心為O，圓弧夾角為α。根據外包圓弧板式前驢頭結構特點，我們設計采用了“圓規畫圓”的原理，利用連桿對焊接小車的運動軌跡進行控制，再配合氣動直線導軌、夾槍裝置、仿形輪機構，從而實現了氣保焊槍焊絲對等半徑圓弧焊縫的自動仿形跟蹤與焊接。

（2）結構特點 對埋弧焊小車進行技術改造，拆除原焊接小車上的立柱及其上面固定的懸臂、埋弧焊機頭、焊絲盤等裝置，僅使用原埋弧焊小車底部行走小車，保留小車底盤及行走驅動機構。

利用一根連桿和一個連接架將焊接小車與焊接平臺上處于前驢頭圓弧圓心的中心軸連接起來，然后通過位于前驢頭圓弧線處的定位塊1、定位塊2，對前驢頭的擺放位置進行定位，從而實現焊接小車上氣保焊槍焊絲對圓弧形焊縫軌跡的粗略跟蹤。由于原埋弧焊焊接小車主動輪、從動輪軸線相互平行，小車行走輪與焊接平臺之間除了滾動摩擦，還有滑動摩擦，使得焊接小車轉向阻力很大并且產生振動，會對焊接造成嚴重干擾，以及工裝裝配間隙誤差和前驢頭圓弧圓弧板組合半徑方向偏差的存在，使得單一的連桿牽引導向系統跟蹤焊縫的準確性受到較大影響。如果不能實現焊槍焊絲對焊縫的精確跟蹤，還是無法實現前驢頭圓弧焊縫的自動焊接。為解決這一關鍵技術問題，我們又對焊接小車結構進行了下述的改造。

將原埋弧焊小車兩個從動輪換成萬向輪，即將原小車兩側從動輪拆除，利用該處螺紋孔固定兩個“┌”型支撐架，用以安裝固定萬向輪。這樣使焊接小車在連桿的牽引下能夠靈活地轉向，大大減小了轉向阻力和振動，增強了焊接小車的運行平穩性。

在焊接小車連接架焊接側安裝固定了一套氣動直線導軌，可伸縮導軌前端連接有氣保焊槍夾槍裝置和仿形輪。其中夾槍裝置中的焊槍夾頭可以調節氣保焊槍與前驢頭圓弧板之間的夾角，也可以調節焊槍的高度，這樣可以方便地將氣保焊槍調整到最合適的平角焊姿態。調整仿形輪懸臂的伸出量，可以保證焊槍前端焊絲與前驢頭圓弧板之間的最佳距離。仿形輪軸心、焊槍軸線投影和連桿投影重合在一條直線上。這樣在焊接中，氣動直線導軌裝置正向通氣時，使得仿形輪始終以一定的壓力頂緊在前驢頭圓弧板上，實現焊槍前端焊絲對前驢頭圓弧角焊縫的精確跟蹤，從而實現前驢頭便半徑圓弧焊縫的氣保焊自動焊接。

3.前驢頭圓弧焊縫的焊接參數

由于前驢頭結構件太大不易側向轉動，所以不方便使焊縫置于船形位置進行焊接。也不適宜將前驢頭立放，進行爬坡焊和下坡焊，主要是因為不利于實現自動焊接，并且焊縫成形不易控制，所以前驢頭的兩條圓弧焊縫選擇釆用平角焊。其優點是焊接中不需要側向轉動工件，對圓弧板和側板之間組合間隙大小不敏感，焊縫成形易于控制，焊縫外觀成形平滑美觀。

平角焊的缺點是單道焊焊角最大不能超過8mm，所以當需要焊角＞8 mm時，只能采用多層多道焊。但是由于自動氣保焊電流密度大，熔深大，所以與焊條電弧焊相比，焊腳高度可以適當降低。目前生產的6－16型雙驢頭都采用8mm的焊腳高度即可滿足設計強度要求。另外，焊縫成形與焊絲對工件的相對位置有很大關系，當焊絲位置不當時，易產生咬邊或未熔合。

為獲得較理想的焊縫形狀，應特別注意以下幾點：

（1）焊絲直徑 可以采用φ1.2mm或1.6mm的實芯焊絲，焊絲直徑越細，產生噴射過渡的臨界電流越小，同樣焊接電流下電流密度越大，焊絲熔化速度越快，越容易得到細顆粒的穩定的噴射過渡。綜合考慮推薦選擇較細的φ1.2mm焊絲最合適。

（2）極性 為了得到穩定而且熔滴尺寸細小的熔滴過渡，通常都采用直流反接即焊絲接正極。直流反接時，陽極斑點的分布被約束在熔滴縮頸以下的液體金屬表面有豐富金屬蒸汽產生的區域，全部電流都流過熔滴。此時將產生較大的促進熔滴過渡的電磁收縮力，軸向性強，同時產生的熔深大于直流正接時所產生的熔深。

（3）保護氣 保護氣采用Ar80%+CO220%的富氬氣。在富氬氣中焊接，既具有電弧穩定、飛濺小、容易獲得軸向噴射過渡等特點，又具有氧化性，克服了氬氣焊接時表面張力大、液體金屬粘稠、斑點易漂移等問題，同時對焊縫蘑菇形熔深有所改善。保護氣流量大小應適當，氣體流量過大或過小都會造成紊流，保護效果惡化，容易產生氣孔、飛濺增大，使焊縫成形變差。

（4）焊接電流、電壓 當焊絲直徑確定后，焊接電流選擇能夠產生穩定噴射過渡的較大電流，電流應大于噴射過渡臨界電流而小于旋轉射流過渡的臨界電流。電弧電壓應與焊接電流相匹配，選擇合適的保護氣流量，以避免產生氣孔、飛濺和咬邊等缺陷。

（5）焊接速度 其他條件不變時，熔深隨焊速的增加而增加，并有一個最大值。焊速減小時，單位長度上填充金屬熔敷量增加、熔深減小、熔寬增加，焊速過小容易形成焊瘤，焊縫過渡角減小并容易形成焊腳處的應力集中，焊縫成形惡化。焊速過高，單位長度上電弧傳給母材的熱量顯著降低，母材熔化減慢，隨著焊速提高，熔深和熔寬都減小，焊速過高有可能產生咬邊。因此，在焊接電流、電弧電壓等其他參數一定的時候，有一個最佳狀態的最大焊接速度，我們應該選擇該焊接速度，這樣既可以提高焊接效率又保證了焊接成形及質量。

（6）焊絲位置 焊絲與圓弧板的夾角應保持在45°～50°內，焊絲端部距離圓弧板0.5～1.5mm。選擇這個角度及距離，容易避免咬邊和金屬流淌，最利于平角焊縫的成形。

（7）焊絲伸出長度 應根據焊絲直徑選擇較大的合適的焊絲伸出長度，適當增加焊絲伸出長度可以增強焊絲的電阻熱作用，促進熔滴過渡，可得到穩定的噴射過渡并降低臨界電流，一般伸出長度選用15～25mm。焊絲伸出長度過長會導致電弧電壓下降，電弧吹力減小，熔敷金屬過多，焊縫成形不良，熔深減小，電弧不穩定；反之，焊絲伸出長度過短，電弧易燒導電嘴，焊絲熔化速度降低，金屬飛濺易堵塞噴嘴。

選擇以上合適的焊接工藝，既可以保證穩定焊接過程，又可以獲得最大焊絲熔化速度和焊接速度，獲得優良的焊接質量、美觀的焊縫成形。

4.結語

外包圓弧板前驢頭圓弧焊縫氣保焊專機結構及焊接工藝設計合理，該專機具有自動化程度髙，生產效率髙，焊接質量好，操作簡便等顯著優點，完全滿足前驢頭圓弧主焊縫焊接生產要求。

該項技術在抽油機制造業和類似產品的生產領域里具有很好的應用前景。