自動焊系統控制及設計應用研究

蔡東楷

(廣東福維德焊接股份有限公司,廣東 廣州 510663)

自動化焊接系統憑借其焊縫焊接質量優良、防風性能較強以及外在施工條件較好等諸多優勢,在船舶制造產業、工業化工產業、油氣管道產業、機械制造產業以及建筑工程中鋼結構制造等領域獲得了廣泛應用。然而,傳統模式下的厚板多層多道焊接方式,往往需要一定量的加工坡口,且該坡口數據量隨著板厚度的增加而逐步變大,焊接過程所要去除的金屬物質也就越多,對應的焊接填充材料也就越多,導致整個焊接過程工作量較大,且工作效率嚴重低下,不利于成本控制與管理。隨著當代社會第四代、第五代移動網絡通信系統的應用,互聯網技術和大數據技術、物聯網經濟等的快速推廣,提升焊接效率實現焊接過程工況數據的實時交互而節省焊材以降低成本,使焊接數據和焊接過程上傳云端和終端數據設備的自動焊系統在整個焊接效率提升以及成本保障方面有著不可忽視的重要價值。在此背景下,本文對自動焊系統控制及設計應用的探討和研究,也就具備重要理論意義和現實價值。

1 焊接施工特征

焊接工藝是機械設備與制造中的重要內容,具備施工流動性強、施工場地復雜、施工環境惡劣多變、焊接設備精度要求較高、焊接過程難度較大以及焊接過程干擾因素較多等諸多特質。首先,機械產品制造進度不斷推進,產品焊接流動性增強,直接導致焊接作業處于全過程變化狀態。與固定廠房作業相比,增加了焊接難度和管理難度,而焊接設備要求精度較高主要是指焊接設備及輔助設備往往要求能在較嚴苛的外界工況條件下保持穩定運行狀態。

2 自動焊系統發展情況

20 世紀80 年代,我國首次開始在大型球罐體上進行自動焊接試驗研究,到90 年代初,逐步完善了球罐的自動焊接過程。在管道工程中,隨著西氣東輸工程以及近年來智慧管網理論體系的不斷成熟,涵蓋管網建設過程中設計、采購、施工、檢測、運行、維護等全過程的數據采集、傳輸、存儲與分析等工作,滿足智慧管網建設的基本目標,為智慧管網數據庫提供基礎支撐。在此情況下,傳統手工焊接或半自動化焊接方式已然不能滿足數據采集及分析要求,自動化系統應運而生。

3 自動焊系統控制及設計

3.1 控制調節原理

自動化系統作為依托計算機信息技術控制的重要焊接系統,主要包括焊接電源、電源組件以及兩臺由計算機控制的焊機機頭組件,圖1 即為該焊接系統架構示意圖。當焊機接頭安裝在某一鋼材料導軌上時,焊機機頭上方所裝有的直流電機和步進電機中的電流通過驅動系統到達焊接系統,根據已設定好的速度正常運行,而直流電機驅動行走系統時,焊機機頭將以另一速度參考值沿整個鋼結構材料運動,使步進電機通過減速箱在待焊接物體待焊接處橫向擺動焊槍,完成焊槍焊接的整個過程。在此過程中,自動焊系統的送絲和行走電機上的轉速值主要用于監測焊機中的送焊過程和行走速度,使兩個參數值符合預期目標,而通過焊機接頭上的按鈕控制的任意電機行為,也能夠借助檢查電源方式閉合的情況以及檢查焊機氣體電磁閥運動情況開始和停止自動焊系統的循環過程。當工作人員利用該自動焊系統進行焊縫的正確焊接時,在焊縫待焊接位置啟動和停止焊機接頭,通過焊縫處具體位置的橫向距離和縱向距離調節方式旋轉按鈕,完成對焊槍的橫向和縱向調整,保證焊機焊槍能夠在待焊處坡口內的正確調整,自動焊控制系統所具備的存儲和恢復焊機參數信息的功能以及焊機焊接過程參數信息功能的正常發揮,使焊接參數在輸入后無需進行計算機編程機即可實現整個自動焊過程。

圖1 焊接系統示意圖

3.2 自動化控制的優勢

自動焊系統的自動化控制過程,能夠實現待焊接物體的高效節能。由于自動焊系統焊接前需鋪設小車軌道調整焊接機頭運轉位置,利用焊接參數把控焊接機頭的全過程,因此,在焊接前的準備時間往往長于實際焊接過程時間,但自動焊系統的電流密度卻遠遠高于實際焊接過程的電流密度,表1 即為自動焊系統焊接電流參數示意,由此可知,利用自動焊系統能夠大幅度提高待焊接部位焊機的實際融化速度,也就增加了待焊接部位的填充效率,使焊接過程以及自動焊系統運行過程無需頻繁更換焊條或重新進行引弧工作就能從待焊接部位的起點到終點,一次性完成所有焊接工作。在此過程中,金屬粉焊接的焊縫過程由于其表面焊渣較少,能夠省去大量的脫渣時間,使焊接效率大幅度提升。此外,由于自動化系統為全位置自動焊接方向,能夠利用金屬粉芯作焊接焊絲,焊接坡口更能自動根據焊頭大小以及焊機可達性能等,實現焊縫不同坡口角度的選擇和優化。由此可知,當將待焊接部位坡口由60°優化到40°時,整個待焊接部位與焊接過程仍舊具備較好的融通性,且焊接過程不易產生其它雜質,能夠以自動焊接材料消耗量減少方式大幅度提升焊接生產效率,達到節能的基本目標。另一方面,自動化焊接過程工藝參數可控制性較強,自動焊系統運行時的焊接電流、焊接速度等均由自動化控制系統調節控制,方便快捷,與以往普通模式下的電弧焊相比,焊接過程中的能量數據始終處于可控制狀態,能夠有效避免工作人員片面追求效率而導致的損害機械產品或者焊接工藝參數記錄不可靠而引起的其他問題。

表1 自動焊系統焊接電流參數

4 實際應用

利用自動焊系統進行焊接時,可借助自動焊系統的可操作性與科學性降低工作人員焊接強度,充分發揮自動化系統的自動調節功能和可控功能,完成項目管線焊接施工任務,為后期該管道項目復合型坡口和大厚度管壁、較長管道焊接過程的良好形成搭建扎實的技術基礎和人員基礎。為進一步檢測自動焊系統的應用效果,對焊接后的管道進行材料的力學性能研究,以彎曲試驗、沖擊試驗和刻槽錘斷試驗為標準,探究了該管道項目利用自動焊系統的實際應用。就彎曲試驗而言,其試驗結果如表2 所示,由表可知在經過自動焊系統的焊接后,八組實驗組僅僅有一組存在著表面裂縫情況,沖擊試驗過程如表3 所示,由表可知四組試驗組的沖擊功平均值均符合預期,就刻槽錘斷試驗而言,其試驗結果如表4 所示,可知四組試驗組的焊縫截面都不存在明顯缺陷。總而言之,在利用全新的自動焊系統后,焊接工作人員在流水作業后,焊接產品檢測合格率高達98.86%,較以往普通焊接模式有所提升,自動焊系統也就具備其應有價值。

表2 彎曲試驗結果

表3 沖擊試驗結果

表4 刻槽錘斷試驗結果

5 結論與展望

自動焊系統具備效率較高、綠色環保和功能穩定、操作便捷等諸多優勢,在發達國家的船舶制造產業、管網運輸產業甚至零部件制造等產業得到了廣泛應用。我國焊接,尤其是長輸管道焊接仍舊采用手工半自動化形式,自動焊系統使用頻率遠遠低于其它發達國家,而隨著當代社會設備精巧度的不斷提升以及自動化技術的進一步發展與創新,自動焊系統在眾多產業中必將發揮出更大質量優勢,為我國機械制造和工業經濟發展做出應有的貢獻。