淺談鈦及鈦合金管-管、管-法蘭自動焊接中心研制

俞沛

（寧夏德信恒通集團股份有限公司，寧夏 平羅 753400）

近年來，鈦材因其在海水和大部分酸堿鹽介質中具有優良的耐腐蝕性能，正在大量被應用于有耐腐蝕性要求的兩堿、PTA 等化工裝備管道上。而由于鈦材在焊接過程中，250℃開始吸氫、400℃開始吸氧，600℃開始吸氮，并且其吸收能力是隨溫度的升高而提高的。當鈦材吸收一定數量的氫、氧、氮等雜質時，它的屈服強度、延伸率等機械性能會大幅下降，焊縫變脆，在焊接應力下易產生冷裂紋。在現場施工中一般采用搭建臨時防風保溫棚，使焊接場所保持清潔，并保證一定的風速和環境溫度，這給焊接施工帶來諸多不便。目前，對于碳鋼、不銹鋼等材質管道的工廠化預制和自動焊接技術的應用已經很普遍了，但絕大部分的鈦材管道焊接技術仍然還停留在施工現場手工作業上，很大程度上影響著生產效率和焊縫質量。因此，對鈦材管-管、管法蘭工廠化預制自動焊接技術應用的研究具有十分重要的意義。

1 鈦管-管、管-法蘭焊接結構及工藝特點

本文所設計的焊接系統所針對的管-管焊接指的是管-管、管-彎頭、管-三通、管-異徑管、管-偏心管等對接接頭的焊接；管-法蘭焊接接頭為搭接，由內角焊縫和外角焊縫組成。其結構形式如圖1 所示。

按照焊接接頭的結構特征，焊縫均為環焊縫。目前有兩種焊接形式，一種是管子轉動的全位置焊接形式，另一種是管子不動的近似平位置焊接方式。由于近似平位置焊縫不僅能使焊縫成形好、焊接質量穩定，也更有利于應用自動焊接技術，所以一般采用管子轉動的近似平位置焊接方式。

圖1 鈦管-管、管-法蘭焊接接頭

鈦及鈦合金焊接過程中，在一定溫度下易受氫、氧、氮等氣體污染而致使焊接接頭出現脆化、氣孔等現象，因此在鈦及鈦合金焊接中對熱影響區域應充滿高純度的氬氣，一般工藝均采用氬氣保護拖罩裝置。

2 自動焊接中心的設計

2.1 焊接方法的選擇

鈦及鈦合金傳統的焊接方法以鎢極氬弧焊（TIG 焊）為主。而近年來等離子弧與鎢極氬弧復合焊（P+T）技術因其在保證單面焊雙面成形的同時具有高效率、低的焊接成本、良好的焊縫質量得到了廣泛的應用。由于等離子電弧穿透能力強，板厚8mm 以下不用開坡口，不僅省去了坡口加工時間還可以節省焊絲量，同時雙槍焊接可使生產效率得到大幅提高，等離子弧焊可達到單面焊雙面成形的效果，并且P+T 焊接的熱影響區小，焊縫晶粒度小，焊接接頭質量優良。P+T 焊接技術在本公司大口徑鈦及鈦合金直縫焊管生產線上已得到成功應用，焊縫成形美觀、焊接接頭質量完全滿足NB/T47013.2的100%RT 檢測Ⅱ級要求。在本文研究的鈦管-管、管-法蘭自動焊接中心仍采用P+T 焊接技術。

2.2 操作機設計

對于預制管道的生產，焊接中心應考慮一次裝夾，管子的兩端均能施焊。所以，操作機設計為兩臺各配置有焊槍的臂式操作機，底部設置移動臺車，布置在滑軌上可沿管子軸向移動，以適應不同管子長度，并可同時對管子兩端的焊縫進行施焊。

臂式操作機包含有自動弧壓跟蹤系統、焊頭擺動集成裝置、整機電氣控制系統、激光焊縫跟蹤系統等主要系統。

自動弧壓跟蹤系統，采用全閉環反饋及計算機控制技術實現焊接過程中的自動弧壓跟蹤功能。焊頭擺動集成裝置，實現焊槍沿焊縫方向左右擺動，改善焊縫成型和提高生產效率。整機電氣控制系統采用可編程控制器作為主控單元和觸摸式人機操作界面，焊接速度、工件直徑等參數可在控制面板上集中輸入、調整，控制系統能滿足焊接工藝要求的焊接速度、焊槍提升等參數調整要求。激光視覺跟蹤傳感器安裝在焊槍運動的前方，完成焊縫的識別和偏差的提取，傳給運動控制系統，組成激光焊縫跟蹤系統，亦可手動二維托板調節激光視覺跟蹤傳感器與焊槍間的位置關系，由于工件的焊接工藝的特殊性，第一道跟蹤為實時焊接跟蹤；第二道蓋面為第一道的焊縫數據采樣跟蹤（和第一道的焊縫軌跡（左右）一樣的軌跡跟蹤）。

2.3 管子裝夾回轉裝置設計

對于管子裝夾回轉裝置，一般常用滾輪架的形式，也有帶夾緊的回轉裝置。考慮到有三通、彎頭等工件存在一定的轉定慣量的特點以及滾輪架本身存在的易竄動、跑偏的缺點，本文研究的鈦及鈦合金管-法蘭、管-管焊接中心采用夾緊回轉的形式，即主驅動回轉端設置夾緊機構，而從動端為軸向自由的滾輪架形式，如圖2 所示。

圖2 回轉裝置的布置

為滿足一次裝夾的裝卸便捷，專門設計開發了一套基于開口形式的夾緊回轉裝置。如圖5 所示，由于回轉體為開口形式，其傳動設置了兩個蝸輪蝸桿嚙合，以保證其中一個處于開口位置時另一個仍處于嚙合狀態。減速器輸出端的傳動采用了兩對錐齒，改變了傳動軸方向并同時保證了兩個蝸桿相對渦輪回轉體的旋轉方向。因回轉體開口，設計了專門的滾動支撐體（圖3），滾動支撐體采用V 型鐵形式，保證了回轉體軸向和徑向限制，在V 型口與回轉體接觸面設置了圓柱滾動體，從而形成滾動支撐。在回轉體圓周上設置5 個滾動支撐，保證了不因回轉體開口而失去徑向限制作用。

圖3 夾緊回轉裝置

2.4 管內壁氬氣保護（背氣保護）裝置

針對管-管（管件）焊接工序，背氣保護一般有兩種形式：手工作業、懸臂形式。手工作業的形式是人工手持拖罩在管內進行氣體保護作業，其一般適用于施工現場較大口徑的手工焊接作業。懸臂的形式是在懸臂上安裝拖罩，將懸臂伸入管內至焊縫處，管子轉動，懸臂固定不動。針對自動焊接中心來說，懸臂形式更適用，但對彎頭管件焊接時，懸臂會很長，甚至如果管子兩端都有彎頭時，懸臂形式就無法使用了。為此，我們考慮采用管道爬行機器人的形式來實現背氣保護作業。爬行機器人采用沿管徑向輻射狀布置若干可調節伸出長度的滾輪，在管內爬行至焊縫位置后撐緊管內壁，在機器人上安裝有可繞管子軸心旋轉的拖罩裝置，與管子旋轉方向相反，其轉速反饋與管子轉速比較，形成閉環控制，以保證拖罩與焊頭相對靜止。

3 結語

本文針對鈦及鈦合金管-管、管-法蘭等工廠預制化生產中焊接工序實現自動焊接，通過焊接工藝方法的選擇，焊接操作機和夾緊回轉裝置的設計中心的研究與開發，以及對控制系統、焊縫跟蹤系統等的選型，設計集成了適用于鈦及鈦合金管道工廠預制化焊接中心。通過對焊接接頭的無損檢測、力學性能試驗、金相分析等試驗，焊接接頭滿足GB50235《工業金屬管道工程施工及驗收規范》、GB50236《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》、SH3502《鈦管道施工及驗收規范》等規范。仍需解決的問題：由于回轉體為開口形式，夾緊裝置又須置于回轉體上，在回轉過程中難以實現動力源（氣、液壓油或電）的不間斷輸入，目前無法實現自動夾緊。