基于計算機控制的自動焊接系統在長距離油氣管道焊接中的應用

周　杰

（揚州工業職業技術學院，江蘇揚州225127）

基于計算機控制的自動焊接系統在長距離油氣管道焊接中的應用

周杰

（揚州工業職業技術學院，江蘇揚州225127）

長距離油氣管道的焊縫為環形，在焊接過程中需要采用仰焊、立焊、平焊等幾種焊接方式。由于每一種焊接工藝都有各自不同的操作要領，因此長距離輸送管道的焊接較難實現自動化。并且長距離油氣管道一般在野外現場焊接，工作環境復雜，對焊接系統的穩定性要求較高。鑒于此，設計研發了一種基于計算機控制的全位置自動焊接系統。該系統采用自保護藥芯焊絲，除了能夠滿足仰焊、立焊和平焊等不同焊接工藝的要求，還具有電弧穩定、焊透性和焊渣剝離性良好、無需保護氣體等諸多優點。基于X-80管線鋼的焊接實驗表明：自動化焊接系統的使用明顯提高了焊接過程的連續性和穩定性，確保了焊接接頭的內在品質和外觀成形，降低了焊接工作強度，且降低了管道焊接的成本。

油氣管道；計算機控制；全位置自動焊接系統

0　前言

近年來，基于計算機控制的自動焊接系統憑借其自動化程度高，勞動強度低，焊接質量好，一次成功率高的優點，在長距離油氣輸送管道的焊接中得到了廣泛應用[1]。長距離油氣輸送管道的焊接為環縫焊接，在焊接過程中包含仰焊、立焊、平焊等多種焊接工藝，因此較難實現長距離輸送管道的自動化焊接。且長距離輸送管道一般在野外現場焊接，受風速等室外因素的影響較大[2]。鑒于此，設計研發了一種基于計算機控制的全位置自動焊接系統，該系統采用自保護藥芯焊絲，不僅能夠高質量的完成仰焊、立焊、平焊等多種焊接方式，而且能夠在小于8 m/s的風速下進行自保護焊接。

1　油氣管道自動化焊接技術介紹

長距離油氣管道由單位長度為12 m的鋼管焊接連接組成。焊接方式為全位置焊接，按照焊接順序依次為平面焊接、垂直焊接和仰焊接。在焊接過程中焊接參數會隨著焊接位置的改變而發生變化。

長距離油氣管道自動焊接系統工作原理是利用X-80管線鋼焊接過程中實驗數據，在計算機中編寫相應的控制程序，通過控制焊接設備運動來實現接頭位置的全位置焊接。焊接之前，需要使用管夾將焊接設備固定在待焊接頭附近[3]。

2　油氣管道自動焊接系統的設計

油氣管道自動焊接系統由管夾、導軌、計算機控制系統、焊接電源、送絲裝置、電焊機和驅動機構等組成，如圖1所示。

圖1　油氣管道自動焊接系統組成

2.1工作原理

全位置自動焊接系統工作原理如圖2所示。首先用管夾將焊接設備固定在接頭附近的鋼管上；然后啟動計算機控制系統，點動控制焊接設備在導軌上面運動，完成焊接初始位置的調整。同時在系統操作界面中完成焊槍工作空間、焊接速度、送絲速度、焊接電源參數的設置；最后控制電焊機在導軌上面移動，完成鋼管接頭的全位置自動焊接。焊接過程中，兩臺移動式電焊機先后從12點鐘方向運動到6點鐘方向。一臺電焊機逆時針方向運動，另外一臺則順時針方向運動。兩臺電焊機先后移動是為了避免工作空間產生干涉。焊接過程還要保證焊接接頭兩側的應力基本對稱，并且嚴格按照順序完成接頭的熱焊、填充焊、覆蓋焊的焊接過程。此外，為了保證焊縫的質量，每一次焊接完成后都要及時排渣。

圖2　全位置自動焊接系統的工作原理

2.2機構組成

全位置自動焊接系統的焊接設備由移動式電焊機和電機驅動機構組成。

2.2.1移動式電焊機

移動式電焊機位置調整機構由角度調節機構和橫向調節機構組成，如圖3所示。角度調節機構能夠實現焊槍的最佳擺動角度和擺動頻率，有效避免焊接過程中不完全熔透問題。電焊機的橫向調整機構能夠根據焊接接頭的寬度實現焊槍的上下和左右位置調節，滿足焊接管接頭不同位置管壁和管線之間長度和寬度的要求。

圖3　焊接載體的機構組成

2.2.2驅動機構

驅動機構是全位置自動化焊接系統的核心，主要由行進機構和導軌組成[4]。行進機構與導軌的組合能夠使電焊機沿著管壁做圓周運動。行進機構主要由驅動電機、主皮帶輪、輔助皮帶輪、同步帶、張緊輪、機械主體、傳動齒輪軸和齒輪組成。行進機構的工作原理：驅動電機在張緊輪和同步帶的共同作用下將動力傳給齒輪軸，齒輪軸和導軌上面的齒進行嚙合傳動，實現行進機構的圓周運動。行進機構模型如圖4所示。

導軌為環形結構，由兩個被連接件連接的半圓形軌道和一個鎖緊手柄組成。在軌道上面設置有齒條用來實現與行進機構間的力和速度傳動，如圖5所示。鎖緊手柄用來實現導軌與鋼管間的固定。

圖4　行進機構模型

圖5　導軌的機構模型

2.3控制部分

全位置自動焊接系統采用工業計算機作為系統的主控制器，用來處理數據和控制運動[5]。

2.3.1焊接模式

采用自保護藥芯焊絲的全位置自動焊接系統的焊接流程包含熱焊、填充焊、覆蓋焊等。為實現油氣管道環形接頭的精確焊接，采用分段焊接模式，即把油氣管道沿周長方向分為24等份，分別記作0-0.5，0.5-1，1-1.5，…，11.5-12。每一等份都是環形接頭的一部分。焊接時，兩臺移動式電焊機會從兩側開始獨立焊接各自的12部分。在焊接每一部分時，自動焊接系統都會根據焊接設備的運動情況實時調整焊接參數，確保每一部分接頭的焊接質量。

2.3.2自動控制流程

自動控制的核心是計算機控制系統。在焊接設備工作之前，首先在計算機控制系統中完成焊接流程控制程序的編寫。焊接時，控制指令會通過計算機總線發送給控制終端，完成油氣管道的焊接任務。焊接過程中計算機控制系統不斷采集焊接設備的運動數據，并采用系統中預設的處理方法進行信號的轉換、調理，然后將新的控制信號發送給行進機構中的驅動電機，實現焊接過程的自動控制。

在全位置自動焊接系統中計算機發揮著數據采集處理、運動控制、運行狀態監控等作用，操作者也通過計算機向系統直接發布指令。

3　全位置自動焊接系統的應用

油氣管道一般采用X80管線鋼制作，為方便焊接，需要在管道末端加工凸緣，如圖6a所示，兩個鋼管的連接會呈現出U型槽形狀，如圖6b所示。X80管線鋼的焊接流程包括根焊、填充焊和蓋面焊。焊接開始時焊接設備處于水平面，并根據槽的寬度調節擺放角度。

3.1槽參數的確定

3.1.1槽的類型和參數

焊接實驗中兩根鋼管末端形成的U型槽，如圖6所示，U型槽包含以下參數：凹槽與8°（α）的弧相切，內部弧度角（β）為37.5°，高度（h）為12.5 mm± 0.15 mm，弧度半徑（R）為3.2mm，齒根面（e）為1.5 mm±0.15 mm；交錯的部分不超過1.5 mm，無縫管接頭的上開口的寬度（W）為9.5 mm±0.2 mm。

圖6　U形槽示意

3.1.2槽參數確定依據

槽的參數即油氣管道末端的凸緣的參數是依據X80管線鋼的焊接實驗得到。

（1）凹槽狹窄。此時，α=6°，W=8.5 mm，熱焊和填充焊中不需要調整焊接設備角度，焊槍可以筆直焊接，并且焊接效率很高。但存在一些問題：a.不利于熔融狀態的鐵在熔池中分離，容易造成夾渣等缺陷；b.焊絲可能接觸凹槽壁，點燃電弧，造成不穩定的焊接；c.不方便排渣，增加了排渣時間，增強了焊工的勞動強度。

（2）凹槽適中。此時，α=8°，W=9.5 mm，有利于熱焊、填充焊和蓋面焊焊接接頭的形成，能夠避免夾渣，利于排渣和提高焊接效率。

（3）凹槽寬。此時，α=10°，W=10.5 mm，有利于熔融鐵的分離和焊件的結渣，熱焊的焊縫美觀。但是這種方法填充焊層增加，材料浪費較多，勞動強度加大，并且寬凹槽結構需要焊接設備調整較大的擺角，可能破壞熔池的穩定性和連續性，導致邊緣不能熔透，焊接接頭的底部和中心出現局部凹陷，仰焊熔化的鐵水嚴重不足，導致成形質量下降。

3.2焊絲選擇

焊絲選擇主要根據焊接實驗結果和焊接接頭力學性能檢驗結果。Hobart[6]等人通過大量焊接試驗，證明選擇自保護藥芯焊絲作為自動焊接系統的焊絲能夠提高電弧的穩定性和焊縫的成形質量。并且自保護藥芯焊絲能夠抵抗8 m/s風速，可以不采用擋風板和保護氣體，降低了電焊機的制造和使用成本。

3.3焊接參數

3.3.1焊接設備

采用全位置自動焊接系統，包括兩套移動焊接設備、導軌、送絲裝置、計算機控制系統、焊接電源。

3.3.2焊接參數

全位置自動焊接系統的焊接參數如表1所示。在熱焊、填充焊和蓋面焊中應注意：0～2部分為平面焊接，焊接電壓和電流要稍稍高一點。2～4部分為垂直焊接，熔池不穩定，熔融的鐵容易滑落，最好采用較低的焊接電壓，提高焊接電流和焊接速度。4～6部分為仰焊，焊接電壓和電流都要小一些，焊接速度應相對慢一些。

表1　采用自保護藥芯焊絲的自動焊接系統的參數

4　實驗結果

全位置自動焊接系統具有焊接過程穩定、焊接接頭成形好的特點，所獲焊接接頭的抗拉強度、橫向彎曲性能、剛度、沖擊耐力和其他機械性能均符合X80管線鋼焊接標準。焊接接頭和熱影響區沖擊實驗數據如表2所示。采用自保護的焊絲的自動焊接系統能夠降低焊接工作強度，降低焊接成本。

5　結論

全位置管道自動焊接系統能夠高質量的完成仰焊、立焊和平焊等焊接流程，焊接自動化程度高，焊接過程流暢。自動化焊接系統的使用明顯提高了焊接過程的連續性和穩定性，確保了焊接接頭的內在品質和外觀成形，降低了焊接工作強度和焊接成本。采用自保護藥芯焊絲，提高了全位置自動焊接系統的室外焊接適應能力。

[1]熊祥，邢敏周，康清周.長輸管道建設焊接設備解決方案[J].電焊機，2014，44（11）：4-6.

[2]范玉然，汪鳳，張希悉.影響自保護藥芯焊絲焊縫韌性因素[J].電焊機，2014，44（11）：47-51.

[3]朱永平，殷高瞻，邱欣華，等.基于計算機控制自動鋁母線焊接機的研究[J].湖北工業大學學報，2010（2）：87-90.

[4]曾惠林，王長江，楊雪梅，等.油氣長輸管道全位置自保護藥芯焊絲自動焊接技術[J].天然氣工業，2014（1）：20-23.

[5]曾惠林，皮亞東，王新升，等.長輸管道全位置激光-電弧復合焊接技術[J].焊接學報，2012（11）：56-59.

[6]Hobart.Experimental research on all-position thick steel tube using self-shielded flux-wire welding[J].Science and Technology of Welding&Joining，15（4）：4-6.

Automatic welding system and application research of welding in the long distance oil and gas pipeline based on computer control

ZHOU Jie
（Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China）

The long-distance oil and gas pipeline weld is circular,the welding process requires the use of overhead welding，vertical welding，welding and other types of flat welding.Since each welding process have different operating essentials，so the long-distance pipeline welding difficult to automate.And long-distance oil and gas pipelines are usually welded in the field,work environment is complex，so the stability of the welding system request is higher.In view of this，design and develop an all-position automatic welding system based on computer-controlled.The system uses a flux cored wire with self-protection function，in addition to meet the overhead welding，welding and other peaceful vertical welding different welding process requirements，but also has the advantages like arc stability，penetration and weld slag peeling is good，don't need protect gas.Welding experiments based on X80 pipeline show that,the use of automated welding systems would significantly improve the continuity and stability of the welding process，ensure the inherent quality of welded joints and the appearance of forming，reduce the intensity of the welding work，and reduce the cost of the entire pipeline welding.

oil and gas pipelines；computer-controlled；all-position automatic welding system

TG409

A

1001－2303（2016）04－0045-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.10

2015－03－24；

2015－05－26

周杰（1981—），男，江蘇揚州人，講師，工程師，碩士，主要從事計算機控制方面的研究工作。