提高固控罐瓦楞板焊接效率

芮 暉，龔治濱，王 皓，胡小剛，霍春亮

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北滄州 062450；3.中國石油集團渤海裝備制造有限公司石油機械廠，河北滄州 062552）

1 背景介紹

石油機械廠是固控系統專業生產廠家，年生產固控系統20套以上，平均每套系統8 個固控罐，全年罐體生產數量約200具。罐體四周的瓦楞板總焊縫長度達到60 m 左右，其焊接質量是決定固控罐體外觀質量的關鍵因素；目前的施工方式為手工電弧焊，工人勞動強度大，焊接缺陷多，產品質量不穩定。單個罐體焊接時間為16 個工時，焊接過程中需要經常性修理打磨，行吊配合調整焊接位置，成為制約工期的主要原因。近年來人工成本大幅上升，焊工日工資300～400 元，人工成本一直居高不下，進一步壓縮了利潤空間。

2 方案研究

2.1 研究目標

研制集機械、電氣控制于一體的安全、高效的自動焊接裝置，確定產品的結構設計、使用材料以及制作工藝，確保各項指標滿足要求。通過研究完成自動焊接裝置的原理、結構設計，完成樣機制作，通過廠內調試及現場試驗，各項技術指標達到或接近國內外同類產品。

2.2 研究內容

研究內容有：①調研自動焊小車、軌道，比較探針式接觸傳感器和激光距離傳感器對焊縫跟蹤的性能差別，實現針對瓦楞板主焊縫的連續跟蹤；②焊接小車、小車軌道的結構設計；③伺服電機、滑軌、電控箱、電氣元件、PLC 存儲器等外購件的選型；④PLC 控制系統的設計；⑤拓展焊接范圍，實現其他位置的焊接。

2.3 關鍵技術

關鍵技術有：①特殊軌道的結構及焊接小車輕量化的設計，使焊接小車便于移動、拆裝，適合固控罐內、外角焊縫焊接的要求；②焊縫跟蹤控制技術的應用；③焊槍進出瓦楞區域時，控制焊接小車變速功能的設計，保持焊接速度穩定；④PLC 控制程序的編制及調試，滿足焊接系統的各種控制功能。

3 樣機設計

3.1 主要技術指標

實現50 mm 深凹槽、45°大折彎角的激光跟蹤和角焊縫焊接。PLC 控制程序的編制及調試，滿足焊接系統的各種控制功能。特殊軌道的結構及焊接小車輕量化的設計，整機重量小于15 kg。可焊接罐體的內、外側共計120 m 瓦楞焊縫，焊接效率提高1 倍。

3.2 主要部件

自動焊接裝置主要由軌道、焊接軌道小車、電控系統等部分組成（圖1）。

圖1 自動焊接裝置

3.2.1 軌道

焊機軌道采用剛性支架梁及柔性齒條結構，可根據需要進行拼接，單組長度2 m。軌道固定方式采用多組強磁力座固定于被焊固控罐上。

軌道直線度和平面度都有極高的要求，齒孔一致性要求極高，針對這些問題，設置了數控加工工藝，通過數控加工中心一次裝夾完成所有加工邊及加工孔，保證了軌道直線度及平面度，同時保證了齒孔的一致性。軌道機加工完成再進行表面除油及鍍鋅處理，保證了軌道耐用性。

軌道裝配前所有零件必須清洗，對一些粗糙部位還應用細砂布打磨。首先用不銹鋼螺絲固定龍骨型材及軌道面，調整龍骨保證其平行度。然后安裝磁鐵固定支架，保證支架與軌道垂直。接下來安裝防撞磁鐵。最后將裝好的軌道置于平臺上進行直線度及平面度測量并進行調整。裝配好后，軌道面應與平面平行，各連接牢固。安裝好的焊機軌道如圖2 所示。

圖2 焊機軌道

3.2.2 焊接小車

焊接小車包括小車支架、行走機構和滑臺支架。

系統主架構采用鋁型材結構，在工位上的安裝與拆卸要簡潔、易行，方便移動操作。

行走機構采用齒輪齒條結構，焊接小車可以在軌道水平放置時正常行走。小車行走齒輪采用精磨工藝，保證了與軌道精密配合度，連接結構采用數控加工，保證了車體的精度。

焊接小車組裝時要保證直角傘輪嚙合良好，行走齒輪與軌道齒嚙合良好，4 個支撐光輪輪槽應在一個平面上。十字滑臺應保證與小車平面的垂直度與平行度。電機安裝必須平穩、牢固。行走離合器應分離結合良好。裝配好后，轉動軸應靈活，各部位不得有阻滯。如有阻滯，可調節法蘭密封墊厚度。激光掃描傳感器安裝到小車平面平行位置并與邊沿平齊。安裝好的焊接小車如圖3 所示。

圖3 焊接小車

3.2.3 電控系統

電控系統包括PLC 主控系統、激光跟蹤系統（Y/Z 軸）、X/Y/Z 軸電機系統、焊槍擺動控制系統，有以下功能：①可設定參數，跟蹤距離、焊接速度、擺動速度、跟蹤高度、跟蹤誤差等，并能顯示當前工作時的焊接工況參數；②可存儲多組焊接工藝，方便焊接時調用；③焊接開始時，自動根據輸入的參數完成進槍、起弧、焊接、停弧；④斷絲斷弧檢測功能，檢測到斷絲斷弧后，停止焊接并報警；⑤根據波腹板變化在行程范圍內自動完成焊縫二維跟蹤；⑥可隨時中斷焊接狀態，然后原位繼續焊接。

系統包括主控箱（圖4）、遠程操作盒（圖5）等。

圖4 焊接控制箱

圖5 遠程操作盒

主控箱的控制柜開孔，要保證開孔符合安裝尺寸要求。然后依次安裝主控制器、觸摸屏、電機驅動器、傳感器。再根據設計連接各電器部件。接下來進行通電測試，檢查各電器部件工作情況。最后手控盒開孔，安裝各按鈕。并進行聯機測試，確保各部件工作符合要求。

3.3 整機技術要求

3.3.1 控制系統

（1）控制部分整個控制系統的設計、制作等過程中執行相關安全標準。

（2）能夠實現瓦楞板自動焊接所要求的控制動作，具備焊縫的激光跟蹤、焊槍的焊接擺動功能。

（3）控制系統要具有現場系統狀態顯示、報警等指示裝置；具有現場焊接參數調節、存儲等功能；配置遠距離操作、控制等功能。

3.3.2 機械部分

（1）軌道固定方式采用多組強磁力座固定于被焊固控罐上。

（2）焊接軌道系統主架構采用鋁型材結構，在工位上的安裝與拆卸簡易，方便移動操作，軌道可根據需要進行拼接，單組長度2 m，最長可達14 m。

（3）行走機構采用齒輪齒條結構，小車可以在軌道水平放置時正常行走。

4 現場實驗及應用

焊接過程中出現的主要問題是焊槍的出絲長度與擺動距離的不匹配，容易造成焊接立板部位的咬邊甚至焊透現象，原程序為防止在焊接過程中出現誤操作現象，鎖定手動調整焊槍Y、Z調節。經過研究，新加入焊接過程中的焊接微調，在焊接過程中人為干預調整量限制在±5 mm，對于焊接過程中的微小偏差方便及時調整，保證焊接質量。

4.1 直線焊接質量對比

圖6 給出手工焊、自動焊及調整后自動焊焊縫質量，可以看出手工焊焊接接頭多，焊縫成型質量差；自動焊焊接接頭少，但是由于焊接電壓低，造成焊縫成型質量不理想，在適當調整電壓后，焊縫成型質量優良。

圖6 直線焊縫質量對比

4.2 瓦楞區域大折彎角焊縫焊接質量對比

圖7 給出了手工焊和自動焊大折彎角處的焊縫質量，可以看出手工焊焊縫成型質量較差，焊縫寬度較不均勻；自動焊焊縫成型好，焊縫寬度均勻度較好。

圖7 大折彎角焊縫質量對比

經過實測對比該裝置在瓦楞板焊接作業過程中，12 m 的焊縫采用手工焊接耗時75 min，采用該裝置后焊接耗時40 min，生產效率提高近一倍。且焊縫成型質量好，沒有需要打磨的接頭和缺陷，極大減輕了工人的勞動強度。該裝置在操作方面，簡單方便，容易上手，同時設備輕便，便于生產中的搬運。

5 結語

瓦楞板自動焊接裝置性能可靠、結構簡單、操作維護方便。在實際應用過程中，充分體現出其高效、省時的性能特點，焊接質量得到很大的提高。該裝置實現了瓦楞板的自動焊接，替代手工焊接后，極大地提高生產效率，優化了人員配置，改善了操作人員的勞動強度和條件，也為固控罐焊接質量的提高提供了良好的技術保障。同時該方法可在類似的鋼結構罐體焊接中進行推廣應用。