斜45°全位置自動TIG焊接設(shè)備研制及應(yīng)用

王彥坤，劉萬存，肖 鵬，高永光

(中國第一重型機(jī)械集團(tuán) 大連核電石化有限公司 技術(shù)中心,遼寧大連 116113)

0 引言

隨著重型石化壓力容器制造技術(shù)的發(fā)展，自動化程度的要求不斷提高，這對產(chǎn)品制造提出了新的挑戰(zhàn)[1-3]。某重型加氫反應(yīng)器中斜接管內(nèi)壁需要與不銹鋼襯管焊接，由于現(xiàn)場施工容器處于立式狀態(tài)，斜接管與水平面呈45°；同時焊縫距離襯管法蘭端面尺寸750 mm；且襯管和接管內(nèi)徑尺寸(?173 mm)較小，無法采用現(xiàn)有常規(guī)焊接設(shè)備和手工焊接方法，增加了產(chǎn)品焊接的難度[4]。為解決以上問題，研制開發(fā)出一種斜45°全位置自動焊接設(shè)備，主要針對在工況復(fù)雜、焊接難度大的現(xiàn)場環(huán)境，同時設(shè)備占用空間小、重量輕，便于拆裝和運(yùn)輸。

本文研制出一種斜45°全位置自動焊接設(shè)備，對其機(jī)械結(jié)構(gòu)和斜45°全位置TIG焊接工藝分別進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，通過控制程序?qū)π苯庸軆?nèi)壁焊縫全位置分區(qū)，并改變不同區(qū)域焊接工藝參數(shù)，可完成斜45°全位置的焊接。該設(shè)備的應(yīng)用可以有效解決在現(xiàn)場復(fù)雜工況下焊接難度大等問題，并且可顯著提高焊接質(zhì)量，降低生產(chǎn)制造成本，有助于提高石化容器產(chǎn)品制造的自動化程度。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 焊接結(jié)構(gòu)

某重型加氫反應(yīng)器中斜接管與襯管焊接結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中斜接管中心線與水平面呈45°，主體材料為12Cr2Mo1V，內(nèi)壁堆焊有E309L+E347不銹鋼耐蝕層。襯管材料為SA312 TP347，斜接管與不銹鋼襯管中心軸線需要裝配重合，進(jìn)一步焊接。

圖1 不銹鋼襯管與斜接管焊接結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic structure diagram for welding ofstainless steel liner and inclined nozzle

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)不銹鋼襯管的焊接結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計的焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 斜45°全位置自動焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic structure diagram of 45° inclinedall-position automatic welding equipment

無限回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計用于全位置焊接時的無限轉(zhuǎn)動，其主要包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動組件、回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電滑環(huán)、固定法蘭等組件；回轉(zhuǎn)驅(qū)動組件內(nèi)含有一個maxson 直流伺服電機(jī)減速器帶動一對齒輪驅(qū)使回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)連接的機(jī)頭部分轉(zhuǎn)動，可按全位置焊接工藝分區(qū)間設(shè)定工藝參數(shù)。全位置焊接時，焊接電源根據(jù)焊槍所處的位置設(shè)定該電機(jī)相關(guān)參數(shù)，來控制各區(qū)間的焊接速度[5-8]。回轉(zhuǎn)驅(qū)動組件內(nèi)裝有水電氣分配轉(zhuǎn)軸，用以完成水、電、氣管路的輸入、固定和分配；回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝滑環(huán)，能夠使水氣管路和控制線纜無限轉(zhuǎn)動。固定法蘭組件用來支撐定位整個機(jī)頭部分。一體式送絲機(jī)構(gòu)安裝在回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)上，送絲機(jī)由一臺maxson 電機(jī)減速器驅(qū)動主動送絲輪運(yùn)轉(zhuǎn)，可使用?0.8～1.2 mm的焊絲，送絲機(jī)構(gòu)隨同回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)一起回轉(zhuǎn)，解決了焊絲纏繞和不能無限轉(zhuǎn)動等問題。

為了滿足焊槍在焊縫徑向和軸向上的行程，設(shè)計的伸長臂組件由弧壓跟蹤裝置和伸長支撐臂組成。弧壓跟蹤裝置(見圖3)由兩個帶有步進(jìn)電機(jī)的線性模組反向連接而成，線性模組①靠一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠帶動螺母連桿軸向直線運(yùn)動，螺母連桿連接伸長支撐臂帶動焊槍徑向運(yùn)動。在焊接過程中通過采集電弧上的電壓并反饋到焊接電源，由焊接電源和設(shè)定的電弧電壓高低比較來控制該步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使弧長自動穩(wěn)定在一定高度上[9]。該裝置除了通過焊接電源自動調(diào)節(jié)弧長外，線性模組②通過上面的手輪來手動調(diào)節(jié)弧長，以及停焊時調(diào)節(jié)焊槍與工件表面的距離，兩者配合使用調(diào)節(jié)焊接回轉(zhuǎn)半徑，能夠滿足管件內(nèi)徑尺寸在?100～400 mm之間的焊接，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。伸長支撐臂長度可根據(jù)焊縫深度進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計。

圖3 弧壓跟蹤裝置示意Fig.3 Schematic diagram of arc voltage tracking device

根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)形式設(shè)計了專用槍頭組件，具有整體占用空間小、重量輕和絕緣性高等特點(diǎn)，以及擁有良好的導(dǎo)電、冷卻和氣體保護(hù)效果。由于深孔焊接無法直接觀測到焊槍位置情況，以及焊接過程中的電弧狀態(tài)，因此采用工業(yè)內(nèi)窺鏡和具有冷卻功能的支撐調(diào)整桿設(shè)計而成的攝像裝置。攝像裝置隨著伸長支撐臂轉(zhuǎn)動，通過手機(jī)可觀測焊槍在工件內(nèi)的位置和焊接過程中電弧狀態(tài)。

為了對整個機(jī)頭裝置支撐定位，以及使整個機(jī)頭在不銹鋼襯管軸線方向上往復(fù)運(yùn)動，設(shè)計了固定調(diào)節(jié)裝置，其主要包含直線滑軌，上、下定位法蘭、手動數(shù)顯調(diào)節(jié)裝置等，其中下定位法蘭設(shè)計有與法蘭端面和直線滑軌連接的定位槽，而上定位法蘭上的定位孔與無限回轉(zhuǎn)裝置中的固定法蘭組件連接，上、下定位法蘭對整個機(jī)頭裝置起定位作用。4根直線滑軌長度根據(jù)整個機(jī)頭長度和焊縫深度確定，4個滑塊連接上定位法蘭帶動整個機(jī)頭裝置在滑軌上運(yùn)動。固定調(diào)節(jié)裝置通過下定位法蘭、直線滑軌和上定位法蘭構(gòu)成了封閉的圓柱體結(jié)構(gòu)，為整個機(jī)頭裝置提供穩(wěn)定的支撐定位。手動數(shù)顯調(diào)節(jié)裝置主要采用梯形絲杠、螺母座和位置顯示器，整體固定在直線滑軌上，用以調(diào)節(jié)整個機(jī)頭裝置在直線滑軌上前后滑動，能夠在進(jìn)給方向自鎖并且顯示進(jìn)給量，精度為0.1 mm。

2 設(shè)備使用方法和焊接工藝

2.1 安裝使用方法

根據(jù)斜45°全位置自動焊接設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)，需要對設(shè)備安裝調(diào)試后進(jìn)行焊接試驗。

圖4 焊接設(shè)備安裝順序示意

焊接設(shè)備安裝順序見圖4，具體如下：(1)進(jìn)行固定調(diào)節(jié)裝置的安裝，將設(shè)計有定位槽的下定位法蘭直接卡入襯管法蘭端面并通過螺栓連接，可以減少整個設(shè)備的裝配偏差(見圖4(a))；(2)將4根直線滑軌安裝在下定位法蘭的安裝槽內(nèi)，通過滑軌上的滑塊與上定位法蘭連接，形成一個穩(wěn)定的圓柱形封閉結(jié)構(gòu)(見圖4(b))；(3)進(jìn)一步將手動數(shù)顯調(diào)節(jié)裝置安裝到直線滑軌側(cè)壁，并與上定位法蘭連接，通過轉(zhuǎn)動手動數(shù)顯裝置使上定位法蘭在直線滑軌上運(yùn)動(見圖4(c))；(4)將無限回轉(zhuǎn)裝置、伸長臂組件、焊槍組件、送絲機(jī)構(gòu)和攝像裝置根據(jù)設(shè)計依次組裝成一個整個機(jī)頭裝置，同時連接所有控制電源線纜和水氣管路(見圖4(d))；(5)最后將整個機(jī)頭裝置和上定位法蘭連接后與固定調(diào)節(jié)裝置組成整個設(shè)備，安裝完成后進(jìn)行整個設(shè)備校正，保證槍頭回轉(zhuǎn)軸線與襯管中心軸線一致。

組裝完成后進(jìn)行設(shè)備測試，通過手控盒進(jìn)行所有電機(jī)動作測試和水電氣控制測試。按照提前預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行模擬焊接無誤后，進(jìn)行焊接準(zhǔn)備工作。首先控制送絲電機(jī)將焊絲送入導(dǎo)絲組件內(nèi)，調(diào)節(jié)導(dǎo)絲組件角度方位使焊絲輸送到鎢極下方合適位置；然后，轉(zhuǎn)動手動數(shù)顯調(diào)節(jié)裝置將焊槍深入到襯管內(nèi)部待焊接位置，同時調(diào)節(jié)弧壓跟蹤裝置使焊槍鎢極與焊縫保持適當(dāng)距離；最后，調(diào)整攝像組件位置，使其能夠觀測到焊縫和槍頭鎢極部位，通過連接手機(jī)觀測焊槍在襯管內(nèi)模擬焊接時的位置，適當(dāng)調(diào)整無誤后，待焊接。設(shè)備安裝調(diào)試和焊接照片如圖5所示。

圖5 斜45°全位置自動焊接設(shè)備安裝和焊接照片F(xiàn)ig.5 Installation and welding photos of 45° inclinedall-position automatic welding equipment

2.2 斜 45°焊接工藝

設(shè)備采用銳弧400數(shù)字化電源進(jìn)行控制焊接，為實(shí)現(xiàn)全位置焊接過程，需要對全位置分若干個區(qū)并進(jìn)行焊接程序的設(shè)定[10-11]。鑒于斜45°全位置焊接主要存在著立向上焊、立向下焊和仰焊，研究表明[12]，在全位置焊接過程中熔池主要受電弧力、重力、表面張力的影響，立向下焊時，在電弧熱的作用下，熔池具有下淌趨勢。為保證全位置焊道厚度和寬度均勻，以及單位距離內(nèi)具有相近的熔覆金屬量，在保持恒定的送絲速度和焊接速度下，可通過適當(dāng)增大峰值電流、減低電弧電壓來實(shí)現(xiàn)。在立向上焊時具有一定相反趨勢，可通過逆向調(diào)整參數(shù)保證焊道成形均勻。在實(shí)際試驗調(diào)試過程中，先對斜45°全位置不分區(qū)焊接，根據(jù)不同區(qū)域焊道寬度和厚度的差異，進(jìn)行調(diào)節(jié)焊接分區(qū)數(shù)量和相應(yīng)焊接參數(shù)，同時需要確認(rèn)起始焊接位置的直徑和換道移距。

通過對斜45°全位置焊接試驗，將全位置分為3個區(qū)域，以6點(diǎn)鐘方向為起點(diǎn)順時針3等分，最后焊接結(jié)束時需要多焊1°～2°的收弧焊道，獲得的焊接工藝參數(shù)見表1。通過攝像裝置拍攝的照片，獲得了焊接厚度均勻、成型良好的焊縫(如圖6所示)，并且滲透檢測(PT)合格。其中，氣體流量15 L/min，鎢極直徑3.2 mm，焊接材料為ER347焊絲(符合ASME 第Ⅱ卷C篇SFA-5.9要求)，焊絲直徑0.8 mm。

表1 斜45°全位置自動焊接工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of all-position automatic welding with an inclined angle of 45°

(a)組焊底部焊接照片

(b)組焊頂部焊接照片圖6 斜45°全位置自動焊接成型照片F(xiàn)ig.6 Photo of all-position automatic welding forming withan inclined angle of 45°

3 設(shè)備實(shí)際應(yīng)用

目前，該設(shè)備已成功應(yīng)用在某3 000 t超級漿態(tài)床鍛焊加氫反應(yīng)器和數(shù)臺常規(guī)漿態(tài)床加氫反應(yīng)器的接管焊接中，有效解決了常規(guī)焊接設(shè)備和手工焊接方法無法使用的問題，并且顯著提高焊接質(zhì)量。該設(shè)備不僅適用于現(xiàn)場復(fù)雜工況，也可應(yīng)用在各類石化容器接管內(nèi)壁堆焊中。同專業(yè)設(shè)備廠家的報價和制造周期相比，該設(shè)備的研制有效降低生產(chǎn)制造成本和周期，有助于提高重型石化容器產(chǎn)品制造的自動化程度。

4 結(jié)語

通過斜45°全位置自動TIG焊接設(shè)備研制及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了深孔接管類產(chǎn)品復(fù)雜工況下的自動化焊接，且全位置分為3個焊接區(qū)域，對不同焊接區(qū)域工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，獲得了厚度均勻、成型良好的焊縫，并且在多個重大項目上得以應(yīng)用。該設(shè)備的應(yīng)用不僅提高了自動化水平和焊接質(zhì)量，縮短了制造工期，降低了生產(chǎn)成本，也極大降低了勞動強(qiáng)度。