自動化焊切設(shè)備在電力鋼管塔行業(yè)中的應(yīng)用

孫杰

1.鋼管塔應(yīng)用前景及焊接難點

電力鋼管塔是近年來應(yīng)用于高壓、特高壓及大跨越輸電線路的一種新型鐵塔，這種電力鋼管塔采用部分鋼管與法蘭、角鋼、板材或全塔管材與板材的連接方式，具有節(jié)約材料、承載力大的特性，符合國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會宏觀政策，在未來特高壓工程建設(shè)中將被大量使用，市場前景樂觀。

隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)的開展，大容量、長距離、高電壓輸電線路越來越多，多回路同塔和大坡度鐵塔越來越多的被采用，使鐵塔的荷載越來越大，而鋼管塔金屬部件之間的連接都采用焊接工作完成，因此焊接技術(shù)將直接影響鋼管塔質(zhì)量的好壞。目前電網(wǎng)建設(shè)中應(yīng)用最多的熔化焊為CO2氣體保護(hù)焊、埋弧焊。但是在鋼管塔生產(chǎn)企業(yè)中仍存在著一些焊接方面的問題，主要表現(xiàn)為：鋼管塔部分生產(chǎn)企業(yè)沒有統(tǒng)一的焊接工藝、方法，并且焊工的執(zhí)行能力不統(tǒng)一，造成了焊接質(zhì)量的參差不齊；對供貨原材料加工要求不嚴(yán)格，造成焊接產(chǎn)品易產(chǎn)生因坡口不均、錯口、不打磨和不清根而帶來的焊接缺陷問題。

2.自動化焊切設(shè)備在鋼管塔制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

自動化焊切設(shè)備自動化程度高，可以節(jié)省大量的人工搬運工件時間，在減少操作者勞動強(qiáng)度和工作量的同時，大大提高了生產(chǎn)效率。

另外自動化焊切設(shè)備在鋼管塔制造中的應(yīng)用對原有的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了徹底的優(yōu)化和升級。原有生產(chǎn)方式采用天車吊裝進(jìn)行半成品的運轉(zhuǎn)，需要專人吊裝，對車間環(huán)境和空間要求較高，同時也存在安全隱患。生產(chǎn)過程多為手動操作，工藝復(fù)雜，不僅需要大量的人力和物力投入，而且勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低下。然而自動化焊切設(shè)備的應(yīng)用實現(xiàn)了鋼管塔生產(chǎn)的自動化功能，并實現(xiàn)實時的在線監(jiān)控功能。車間原材料自動上料切割、組對、焊接的物流生產(chǎn)線，整條生產(chǎn)線可覆蓋車間各個工區(qū)，既可整體運轉(zhuǎn)，也可在各個工區(qū)獨立運轉(zhuǎn)，因此提高了工作效率。而且整條生產(chǎn)線通過現(xiàn)場總線將車間各個工區(qū)控制單元相連接，實現(xiàn)了個體獨立、整體合一的現(xiàn)代化生產(chǎn)車間。某用戶車間全自動焊切設(shè)備生產(chǎn)線如圖1所示。

3.自動化焊切設(shè)備在鋼管塔制造中的應(yīng)用案例

針對電力鋼管塔行業(yè)工藝的復(fù)雜性以及焊接存在的難點，我公司研究開發(fā)了適用于鋼管塔行業(yè)的專用自動化焊切設(shè)備，并可以根據(jù)用戶的實際生產(chǎn)需求幫助用戶進(jìn)行整廠的生產(chǎn)工藝規(guī)劃。

（1）切割系統(tǒng) 主要由上料機(jī)構(gòu)、上料輸送線、鋼管火焰定長切割機(jī)、下料輸送線組成（見圖2）。該流水線配合實現(xiàn)工件的自動上下料，通過電氣系統(tǒng)及剛性跟蹤架實現(xiàn)鋼管的自動定長切斷。割炬擺動機(jī)構(gòu)可使割炬以豎直面為基準(zhǔn)正負(fù)擺動45°，實現(xiàn)管子的坡口切斷。本設(shè)備采用一套鋼管旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)，配備火焰切割系統(tǒng)，適應(yīng)大范圍的管徑和壁厚。

（2）直管法蘭組對焊接生產(chǎn)線 主要由管法蘭裝配機(jī)、管法蘭焊接機(jī)及配料輸送系統(tǒng)三部分組成（見圖3）。

主要生產(chǎn)工藝流程如下：原料管經(jīng)過自動定長切割后，經(jīng)輸送物流線輸送至裝配機(jī)上料架；配送小車從上料架取料輸送至裝配工位進(jìn)行直管與法蘭裝配；人工將法蘭放置卡抓上并與定位銷相連，卡抓夾緊保證定位。兩端卡盤液壓頂進(jìn)，鋼管與法蘭間插接或?qū)樱ㄎ缓竿瓿桑潘芍鲝恼究ūP，卡盤退回到位。上料車下降到位，自動卸料，將管件自動放置在配料車，配料車自動輸送工件至焊接工位的上料架上。根據(jù)管件調(diào)整主從站車體間距，確保管件上料后放置在滾輪架上，調(diào)整滾輪間距，確保主從站滾輪間距相同，并符合當(dāng)前管件直徑要求。上料車自動上料，將上料架管件自動放置到焊接位滾輪架上。鎖緊小車，外焊槍自動提槍到位，滑臺前進(jìn)到位，調(diào)整跟蹤輪的位置，保證跟蹤輪與法蘭接觸點為垂直切線，調(diào)整導(dǎo)電體位置，保證導(dǎo)電體與法蘭的緊密接觸。

焊接操作方式分為插接管焊接、對接管焊接，插接管為內(nèi)外氣體保護(hù)焊，對接管分為內(nèi)外氣體保護(hù)焊和內(nèi)氣體保護(hù)焊外埋弧焊兩種方式，在人機(jī)界面選擇焊接方式進(jìn)行焊接。焊接完成后輸送小車自動卸料至成品區(qū)。

管法蘭焊接機(jī)勢主要特點包如下：

第一，管法蘭焊接機(jī)（實型專利號：20110468310.8），通過送料機(jī)構(gòu)和配料機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)工件的自動上下料和自動傳輸；減少了行車吊裝等輔助工時，提高了工作效率，同時減少了工件對設(shè)備的沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。

第二，設(shè)備為自動化操作模式，各工位均設(shè)有人機(jī)界面（觸摸屏）。通過人機(jī)界面可以對設(shè)備參數(shù)和焊接參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時能夠?qū)崟r監(jiān)控和查看設(shè)備的運行狀態(tài)，方便快捷（見圖4）；對于同種工件實現(xiàn)自動對槍，焊接完成后自動退槍功能，可提高批量生產(chǎn)效率；焊接形式中插接形式和對接形式均可實現(xiàn)4槍同時焊接（對接時，內(nèi)焊槍反面打底，外焊槍正面填充蓋面），大大提高了焊接效率；另外對于鋼管與法蘭的對接焊接，外焊槍設(shè)有提槍裝置，可實現(xiàn)不停弧多層焊接，提高了工作效率；控制系統(tǒng)還設(shè)有工藝焊接參數(shù)庫，可以根據(jù)工件參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的焊接參數(shù)，方便操作人員快速掌握焊接數(shù)據(jù)。

圖1 某用戶車間全自動焊切設(shè)備生產(chǎn)線

圖2 切割系統(tǒng)

第三，自動焊接設(shè)備具有焊縫的自動補(bǔ)償功能和自動跟蹤功能（發(fā)明專利號：201110023079.6），通過檢測法蘭軸向和直管徑向數(shù)據(jù)可自動調(diào)整擺動幅度、焊接電流、電弧電壓等參數(shù)，解決了由于中國市場管道原材料橢圓度造成的裝備間隙不均勻問題，避免了焊縫質(zhì)量不高的缺陷。在焊接過程中，焊接飛濺小，不僅縮短焊接后的打磨工時，而且確保焊縫的均勻一致，從而大大提高了焊接質(zhì)量并保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。而對于鋼管與法蘭的對接焊接，擺動系統(tǒng)采用仿弧狀擺和直線擺兩種方式，提高了焊接質(zhì)量。管法蘭焊接機(jī)中的內(nèi)焊縫檢測系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 管法蘭焊接機(jī)自動操作畫面

圖5 管法蘭焊接機(jī)中的內(nèi)焊縫檢測系統(tǒng)

第四，根據(jù)鋼管塔工藝需要焊接系統(tǒng)及其硬件外部留有埋弧焊接接口，可隨時根據(jù)焊接工藝切換，方便快捷。

（3）連板焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要由上下料配送輸送線、焊接主機(jī)、機(jī)器人焊接系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)組成（見圖6）。

圖6 連板焊接機(jī)器人系統(tǒng)

生產(chǎn)工藝流程：將連板組對定位焊好后的工件自動輸送至連板自動焊接工位，在人機(jī)界面中的自動畫面設(shè)置并選擇工件對應(yīng)的程序號。移動兩側(cè)夾緊裝置將工件定位，設(shè)置到自動狀態(tài)，按下運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備和主程序起動，檢查工件是否固定可靠。雙手按下啟動按鈕，機(jī)器人自動調(diào)用相應(yīng)程序進(jìn)行焊接，焊接結(jié)束后，機(jī)器人回待機(jī)位置，工件夾緊裝置自動放松，輸送車自動輸送焊好的工件至卸料區(qū)。連板焊接機(jī)器人系統(tǒng)操作界面如圖7所示。

連板焊接機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)勢特點：該系統(tǒng)采用龍門結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)在運行過程中機(jī)械部分的穩(wěn)定性。選用日本松下最新推出的弧焊機(jī)器人TM1400；工件旋轉(zhuǎn)采用松下外部軸電機(jī)驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，與機(jī)器人協(xié)調(diào)精確； 機(jī)器人本體選用新型交流伺服電機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、可靠性高、運動平滑靈活，效率高，動作范圍更廣泛。

圖7 連板焊接機(jī)器人系統(tǒng)操作界面

圖8 TKAS數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)軟件樣例界面

此外，在連板焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，我公司研發(fā)并成功應(yīng)用了TKAS數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)，讀取由通用設(shè)計信息（可二維、三維、數(shù)據(jù)輸入），通過施工焊道生成引擎，登錄想要實施作業(yè)的加工路徑，根據(jù)實施作業(yè)種類選擇機(jī)器人動作類型，同時選擇作業(yè)的施工條件。生成焊接從程序，輸出機(jī)器人動作程序到現(xiàn)場，對工件進(jìn)行自動焊接。TKAS數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)軟件樣例界面如圖8所示。

這樣利用計算機(jī)上機(jī)器人模型，加上離線示教功能，以CAD三維設(shè)計為基礎(chǔ)。通過自動生成機(jī)器人的動作數(shù)據(jù)，減輕操作者示教負(fù)擔(dān)，并使機(jī)器人能適用于多品種少量、單品種單臺的生產(chǎn)需求。

4.結(jié)語

自動化焊切設(shè)備已經(jīng)成為了電力鋼管塔行業(yè)加工生產(chǎn)必不可少的一部分。而且我國電力鋼管塔加工制造企業(yè)正在朝自動高效、集控、綠色環(huán)保方面轉(zhuǎn)型，面對日趨激烈的市場競爭，如何提高企業(yè)競爭力，提升企業(yè)品牌，自動化焊切設(shè)備的應(yīng)用將會是明智的選擇。