管道筒體縱環縫全自動焊接設備設計應用分析

陳廷勇，張佩艷 ，劉興永

（1.湖南長沙智能專用車研究院有限公司，湖南 長沙 410001；2.河南豫光鋅業有限公司，河南 濟源 459000；3.湖南星通汽車制造有限公司，湖南 長沙 410001）

1 項目概述

某公司是管道配套生產企業，每天都進行管道筒體進行焊接，管道筒體強度等級高，管道筒體直徑范圍：Φ610～Φ2000mm；工件長度范圍：1000～3000mm；工件質量：不大于5t；要求焊縫外形美觀，有較高比例的無損探傷檢驗要求，合格率達到100%；管道筒體工件成品示意圖1所示。

筒體首先完成拼接成圓，縱縫焊接完成后；筒體移動組對，設備自動完成環縫焊接。焊縫經過實際驗證，生產制造的全自動焊接設備滿足了管道筒體的縱環縫焊接要求，效果良好。

2 管道筒體全自動焊接設備設計理念

2.1 全自動焊接機技術要求

為了滿足管道筒體縱縫，環縫焊接，結合從事焊接專機的生產及焊接工藝經驗，管道筒體的自動換焊接設備必須達到如下技術要求：（1）設備必須能實現筒體的環縫焊接要求，使用十字梁焊接機能滿足此要求。（2）設備必須能實現筒體的組對要求，采用防竄組對滾輪架滿足此要求。（3）設備必須能實現內外環縫的焊接要求，采用滾輪架和十字梁焊接機滿足要求。（4）焊縫質量良好，必須滿足較高比例的無損探傷要求，根據實驗結果，采用機械加工坡口，自動氬弧焊/STT打底、氣保、埋弧填充蓋面，完全滿足此要求。

2.2 全自動焊接設備組成及其特點

管道筒體縱縫全自動焊接設備由1套十字梁焊接機、1套主從動滾輪架、1套視屏監控系統、1套焊縫跟蹤系統、1套電控系統等設備組成，設備組成如圖2所示；環縫焊接區由1套十字梁焊接機、1套組對滾輪架、1套防竄滾輪架、1套主動滾輪架、1套視屏監控系統、1套焊縫跟蹤系統、1套電控系統等組成，設備組成如圖3所示。

圖2 縱縫全自動焊接設備結構示意圖

圖3 環縫全自動焊接設備結構示意圖

（1）十字梁焊接機。設備由滑板箱、橫梁、立柱、底座等組成。如圖4所示。

圖4 十字梁焊接設備結構示意圖

滑板箱整體結構為雙H型。采用型材及板材焊接制造、去應力處理。整體剛性好，在使用過程中不會影響到焊縫質量。滑板箱起著橫梁伸縮和帶動橫梁上下移動的功能。內部設置了用于防墜落保險裝置的安全機構，避免鏈條斷裂造成傷害，提高安全性。其次在箱體上安裝了限位裝置，對橫梁伸縮有電氣限位和機械限位。箱內傳動機構由交流變頻電機和減速器組成，驅動橫梁伸縮。傳動機構輸出為傳動齒輪，它與橫梁上的齒條進行嚙合，驅動橫梁伸縮。

橫梁根據十字梁規格，采用了“工”及“口”雙型材超強剛性的粱結構。橫梁上配置了齒條和導軌，橫梁有效長度機械限位裝置。橫梁前端安裝焊接機頭，內側安裝齒條，通過在滑板箱上的伺服電機和減速機驅動齒輪，實現橫梁移動。

立柱：根據十字梁規格，采用了“工”及“口”雙型材超強剛性的粱結構。頂部配置了電機減速器，通過鏈條驅動滑板箱升降。

底座：箱式底座結構，內部安裝立柱電機回轉機構，立柱鎖緊裝置。整個底座內經過處理，增加了重量，有效的降低了整個設備重心高度，提高了整臺設備的穩定性。底座配置電機驅動裝置，實現軌道上自由行走。

橫梁前端配置焊接機頭電動拖板、夾槍機構、擺動器、跟蹤及視屏監控系統等。通過視屏監控對焊槍調節，實現焊槍的上升、下降、左、右移動。

（2）組對滾輪架。組對滾輪架由1套固滾輪架和1套移動滾輪架、工作平臺，1個橫向伸縮油缸、4個滾輪架升降裝置組成和控制系統等組成，如圖5所示。

圖5 組對滾輪架結構示意圖

滾輪架的滾輪胎由電機減速機驅動，實現無極變速，滿足工件轉動要求；固定滾輪架安裝工作平臺面上，移動滾輪架配置由導套，可以在工作平臺上直線移動，滿足筒體在軸線方向移動，調整筒體間焊接面間隙，滿足焊接要求；工作平臺內安裝伸縮油缸和鎖軌器，內安裝由滑軌和伸縮油缸，實現移動滾輪架與固定滾輪架的間隙調整和鎖定；舉升裝置可以分別實現兩組滾輪胎的間距，滿足不同工件直徑需求，其次還能對工件在徑向方向調整，滿足焊接圓跳動。

（3）防竄滾輪架。防竄滾輪架由1組舉升滾輪架、行走平臺、感應系統、控制系統等組成，如圖6所示。

圖6 防竄滾輪架

行走平臺在軌道可以實現移動，適應不同長度筒體支撐需求。舉升滾輪架由液壓油缸，油泵、油箱等組成，通過油缸伸縮實現滾輪胎間距變化，適應不同工件直徑需求；感應系統由機械接觸裝置和光距離感應裝置，安裝裝置，電控裝置組成。機械接觸裝置與筒體保持接觸，通過接觸行程變換產生電信號控制舉升滾輪架油缸運動，實現工件在軸線方向的緩慢前進和后退，保證組對筒體對接焊縫均在組對滾輪架相應位置，實現連續焊接要求。

（4）視頻監控系統。采用動態工業攝像頭（140dB），成像清晰，360防飛濺鏡頭保護裝置，遠程監控，能觀察到熔池、焊縫和周圍情況等。

（5）焊縫跟蹤系統。采用智能實時，非接觸跟蹤模式，傳感器測量焊縫偏移，控制電動拖板移動，實現焊槍上下，左右移動定位，引導焊槍自動焊接，解決焊縫偏差問題，實現焊縫成型美觀牢固。

（6）焊接系統。采用林肯全自動焊接系統、精準控制焊接工藝、電弧穩定、有效減少生產焊接成本，固態電動控制與焊接電源配套使用，提高工作效率，性能穩定。

2.3 電控系統

主控為PLC，可對焊接過程和工藝規范參數進行自動控制或手動控制。控制系統設計人性化，方便操作、檢修和更換。對自動起弧、焊接自動停止、焊縫跟蹤和防竄等進行調整和控制。能夠實現遠程控制，配有手持控制盒和中央處理控制臺。

3 管道筒體焊接要求

根據筒體的不同厚度，在具體實施中具體制定了焊接順序。當鋼板厚度為25～50mm時，焊縫坡口形式為X型，內環縫和內縱縫焊采用埋弧焊進行焊接，當焊接結束后，不進行焊縫清根，使用埋弧焊對外環縫和外縱縫進行焊接填充蓋面。

3.1 焊接參數

單弧單絲焊：焊絲Φ4.0mm，焊接電流550～750A，焊接電壓29～35V，焊速30～60cm/min。

單弧雙絲：焊絲Φ4.0mm，焊接電流550～750A，焊接電壓29～35V，焊速30～60cm/min。

雙弧雙絲：前焊絲直流反接Φ4.0mm，焊接電流600～750A，焊接電壓29～32V；后焊絲交流Φ3.2mm，焊接電流550～650A，焊接電壓33～37V；焊速30～70cm/min。

雙弧四絲：前焊絲直流反接Φ4.0mm，焊接電流600～750A，焊接電壓29～32V；后焊絲交流Φ3.2mm，焊接電流550～650A，焊接電壓33～37V；焊速30～70cm/min。

3.2 部分坡口形狀（圖7）

圖7

4 焊接設備現場使用效果

全自動焊接設備投入現場進行生產，設備質量達到技術要求。設備操作簡單方便，焊槍調節靈敏，員工勞動強度小，焊縫質量完全合格。設備完全滿足縱環縫自動化焊接生產要求，給企業帶來了良好的經濟和社會效益。

5 設備優勢

5.1 機械設備

設備結構合理，具有很好的穩定性、可靠性、耐久性和抗震性。整個設備操作簡便，維護方便。整體采用型材與板焊接后去應力處理，整體剛性好。構件經過數控設備加工而成，滿足尺寸精度要求。

5.2 電氣設備

相對于繼電器等電器元件實現的控制系統，采用PLC可編輯邏輯控制器抗干擾能力強、壽命長、接口豐富、體積小、可靠性高。通過系統分析反饋信息，自動實現焊縫填充，在行業領域屬于領先地位，保證了高質量焊接，焊縫完全合格。