大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備的研制

張田利，唐德渝，馮 標，李春潤，龍 斌

(中國石油集團工程技術研究院，天津 300451)

焊接設備

大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備的研制

張田利，唐德渝，馮 標，李春潤，龍 斌

(中國石油集團工程技術研究院，天津 300451)

為滿足儲罐施工企業對高質高效大型儲罐環縫焊接設備的需求，研制了一套采用雙電源單熔池雙絲雙弧埋弧焊技術的大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備及配套技術。針對大型儲罐環縫焊接現場施工特點和條件，研發了基于林肯DC1000單絲直流埋弧焊系統和米勒SUMMIT ARC1250單絲交流方波埋弧焊系統的雙電源單熔池雙絲雙弧埋弧橫縫焊接系統、雙絲電動同步升降機跟蹤調節機構和正裝焊車，并摸索和總結出配套的典型焊接工藝參數，使研制設備能夠滿足大型正裝儲罐現場施工要求，實現環縫的高質高效雙絲埋弧自動焊接。經工程應用表明，研制設備和工藝對現有的儲罐單絲埋弧橫焊設備及工藝有良好的兼容性，焊接效率比單絲埋弧橫焊提高50%以上，是一種便于推廣應用的實用型高效橫縫自動焊設備。

大型儲罐；雙絲雙弧；埋弧自動橫焊設備；研制

0 前言

隨著我國儲罐建造的大型化，儲罐建造主要工序焊接的工作量大幅提高，加之市場競爭加劇，為提高競爭力，儲罐施工企業對高效儲罐自動化焊接技術和設備的需求更加迫切。

環縫焊接是大型儲罐焊接的重要組成部分，其焊接效率的提高能有效提高儲罐施工效率，降低建造成本。而在儲罐環縫自動焊方面，我國施工企業主要采用單絲埋弧自動橫焊設備和技術，受焊接位置和單絲埋弧焊本身的技術特點限制，焊接效率很難再進一步提高，難以滿足施工企業要求。

雙絲埋弧焊技術同時使用兩根焊絲完成一條焊縫，可提高單次單道焊縫的金屬熔敷率，通過兩根焊絲的直徑、極性、間距、焊接規范等參數的組合和設置，可調整電弧的產熱和產力機構特性，改善熔池形狀和熔池內金屬的流動特性，從而滿足不同的焊接需求，實現焊縫的高質量高速焊接[1]，是一種高效焊接技術。該技術是提高儲罐焊接施工焊接效率的有效手段。研制大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備，對于提高我國大型儲罐自動化焊接的效率和技術水平，推進各施工單位儲罐建造的技術進步，降低工程成本都具有十分重要的意義。

1 研制方案的確定

單絲埋弧橫焊時，根據其焊接規范大、電流密度大、熔深大、熔敷率高的特點，為保證橫焊位置的焊縫成形和焊接質量，主要通過多層多道焊、較高焊接速度和焊接電流的合理匹配、控制焊縫成形和熔深，從而獲得高質量和高效率的橫焊焊縫。提高焊接效率的主要途徑是提高埋弧橫焊焊接電流和焊接速度。但單絲埋弧焊時，隨著焊接電流和焊接速度的提高，一方面，由于電弧對熔池金屬的后排作用加劇，熔池金屬在電弧力的作用下迅速向熔池尾部運動(見圖1a)，使弧坑很深，冷卻時無足夠的液體金屬補充，造成咬邊缺陷；另一方面，焊接電流和焊接速度的提高也會減小焊縫成形系數而容易出現熱裂紋缺陷[2]，從而使單絲埋弧焊很難進行大電流高速焊接，限制了單絲埋弧橫焊效率的提高。

圖1 單、雙弧焊焊弧及熔池特點

針對單絲埋弧橫焊技術的不足，分析和研究現有較成熟的雙絲埋弧焊技術，采用雙電源單熔池雙絲雙弧埋弧焊技術，焊絲前后排列時，后行電弧阻止熔池金屬向尾部運動(見圖1b)，可避免大而深的弧坑，且后行焊絲提供了更多的熔敷金屬，前后電弧的參數設置和焊速的匹配，可控制和調整焊縫成形及其成形系數，從而有效避免單絲埋弧焊高速焊接時產生咬邊、熱裂紋等缺陷[2]，實現大焊接電流高速埋弧橫焊，提高埋弧橫焊效率。

綜上所述，通過雙絲埋弧橫焊模擬實驗驗證，結合長期大型儲罐單絲埋弧橫焊設備的研制和現場應用的技術積累和經驗，確定研制方案如下：

(1)采用雙電源單熔池雙絲雙弧埋弧橫焊技術，雙焊絲前后排列，前絲直流反接，后絲交流電弧；(2)鑒于當前儲罐建設的大型化，多采用正裝施工工藝，研制大型正裝儲罐雙絲埋弧橫焊設備；(3)鑒于當前的大型正裝儲罐單絲埋弧橫焊設備已非常成熟，其設備組成方式、結構和施工方式能與現行正裝儲罐施工工藝相適應，最大的滿足現有現場施工要求，正裝儲罐雙絲埋弧橫焊設備將采用與正裝儲罐單絲埋弧橫焊設備相同的基本架構和工作方式；(4)采用獨立雙絲埋弧焊協調控制系統聯接和控制兩個分別獨立完整的直流和交流單絲埋弧焊系統，使其協調工作實現雙絲橫焊的雙絲埋弧焊系統架構。

2 設備研制

2.1 設備構成和工作方式

研制的大型正裝儲罐雙絲埋弧橫焊設備如圖2所示，由雙絲焊接電源、正裝焊車、以及連接兩者的焊接電纜和控制電纜三部分組成。正裝焊車由焊車車架和行走系統組成的焊車車體、安裝在焊車車體內的雙絲埋弧橫焊機頭及其調節系統、雙焊絲盤、焊劑循環系統、焊車頂輪系統、以及雙絲焊接和設備總體協調控制組成的設備電控系統七個模塊裝配在一起構成。

設備在罐壁上沿為軌道行走，焊車掛靠在罐壁上，乘坐于焊車內的焊工進行埋弧焊操作實現橫縫焊接。

2.2 雙絲埋弧橫縫焊接系統的構建

雙絲埋弧橫縫焊接系統是本設備研制的基礎，決定了研制設備焊接性能的優劣，以及設備機械系統和控制系統的研制難度。根據研制方案，參考現有成熟的雙絲埋弧平焊技術和設備，構建的雙電源單熔池雙絲埋弧橫焊焊接系統如圖3所示。系統由林肯DC1000直流電源+林肯NA-3S控制和送絲系統組成的主直流埋弧焊接系統，米勒SUMMIT ARC1250交直流兩用弧焊電源+HDC1500DX控制系統+RAD400送絲機頭組成的從交流方波埋弧焊系統，以及PLC雙絲協調控制系統三個子系統構成。其中林肯主直流埋弧焊接系統和米勒從交流方波埋弧焊系統構成LM基礎雙絲埋弧橫焊平臺。

圖2 大型儲罐雙絲雙弧埋弧橫焊設備

圖3 雙電源單熔池雙絲雙弧埋弧焊接系統構成框圖

該系統的特點為：

(1)采用主弧直流，從弧交流方波的組合方式，從弧焊接過程中產生一個規律變化的交變磁場，可減輕兩電弧的相互干擾，有利于防止電弧偏擺[3]，提高雙電弧的穩定性。

(2)從弧采用交流方波焊接系統，提高了從弧的可控性和穩定性，有利于雙弧的焊接參數調節和穩定性。

(3)構成雙絲系統的林肯直流和米勒交流埋弧焊系統均采用晶閘管技術，性價比高，技術成熟，具有較完善的系統接口和擴展能力，均為美制設備，接口的定義基本相同，可提高兩系統連接的方便性和減小協調控制的難度。兩系統均為單絲埋弧橫焊設備普遍采用的埋弧焊系統，具有良好的焊接性能和系統穩定性，特別是在野外惡劣施工條件下具有良好的可靠性，使該雙絲焊接系統能滿足現場施工條件。

(4)系統采用模塊化架構，可很好的兼容現有單絲埋弧橫焊設備，設備可同時具有單絲和雙絲焊功能，且方便將單絲設備升級為雙絲設備，成本較低，便于推廣應用。

2.3 機械系統研制

機械系統主要包括焊車車架、焊車行走系統、雙絲埋弧橫焊機頭及其調節系統、焊劑循環系統四部分。其中，焊車車架采用高度可調的拉拔式模塊化設計結構，以滿足不同板幅的橫焊要求；焊劑循環采用吸入式焊劑循環系統。這兩系統均沿用現有單絲埋弧橫焊設備通常采用的技術和設計，變化不大。

2.3.1 焊車行走系統

焊車行走的平穩性和可靠性是影響埋弧橫焊焊縫成形和內在質量的重要因素。為滿足雙絲埋弧橫焊高速焊接對更高焊車行走穩定和可靠性的要求，研制設備采用行走雙驅動設計(見圖2)，即前后行走輪均有電機提供動力驅動，同步轉動帶動焊車行走的設計。

行走輪設計如圖4所示，由行走輪主體、減速器和電機三部分構成。前后行走輪分別通過行走輪主體頂部的轉軸與焊車車架上的行走梁軸連接，可根據罐板弧度調節轉動角度。為簡化設計和提高傳動平穩性，減速器選用成品斜齒蝸輪減速器；選用交流變頻調速電機，以降低雙電機同步控制的復雜度和難度。

2.3.2 雙絲埋弧橫焊機頭及其調節系統

雙絲埋弧橫焊機頭及其調節系統是焊接時焊工操作的主要部件，其設計的優劣直接影響設備操作使用性能。根據研制方案，系統采用機械調節機構聯接林肯NA-3S和米勒RAD400單絲埋弧焊機頭的雙絲埋弧橫焊機頭構成和調節方案。分析雙絲埋弧橫焊工藝和操作需求，以及系統在焊車內的安裝和操作需求，雙絲埋弧橫焊機頭及其調節系統除應具有雙絲間距、雙絲垂直角度、雙絲位置調整以及雙絲同步升降等功能，以實現焊前的雙焊絲位置調整和焊接中的焊縫跟蹤，使雙焊絲在焊接時能以適當的角度和間距對準焊縫外，還應結構緊湊、盡量小型化、以便于焊工的調節操作和焊縫跟蹤觀察。

圖4 行走輪設計

設計的雙絲埋弧橫焊機頭及其調節系統如圖5所示，系統由電動升降橫梁，具有焊槍上下、前后和垂直面角度三自由度手動調節功能的林肯NA-3S埋弧焊機頭調節機構，具有焊槍上下、前后、左右、垂直面角度和水平角度五自由度手動調節功能的米勒RAD400埋弧焊機頭調節機構和焊劑托輥四個子機構組成。其特點為：(1)系統采用電動升降橫梁帶動焊劑托輥、林肯NA-3S埋弧焊機頭調節機構和米勒RAD400埋弧焊機頭調節機構同步升降，實現焊接過程中的雙焊絲和焊劑托帶的同步升降調節，滿足高速焊接所需的快速焊縫跟蹤要求，且焊接操作簡捷、省力，可降低焊工勞動強度，有利于提高焊縫跟蹤的準確度；(2)電動升降橫梁采用電動剪式升降結構，以焊車車架圓立柱為導軌，使機構結構扁平緊湊，操作方便，能合理利用焊車內部空間，提高設備的可操作性；(3)林肯NA-3S埋弧焊機頭調節機構和米勒RAD400埋弧焊機頭調節機構為兩個獨立模塊，均具有獨立的焊槍姿態和位置調節功能，通過兩焊槍位置和姿態的分別調節，雙絲能在焊前準確對準焊縫，且兩機構均通過定位卡固定在升降橫梁上，可根據需要簡便的安裝和卸下，以適應單絲和雙絲埋弧橫焊需求。

圖5 雙絲埋弧橫焊機頭及其調節機構設計

2.4 控制系統的研制

雙絲雙弧的協調控制是本設備研制的關鍵技術和主要內容，它關系著設備研制的成敗。研制的基于PLC控制技術的雙絲雙弧協調控制系統體積小、抗干擾性強、可靠性高，能夠滿足焊接系統的控制要求，且系統控制功能通過軟硬件結合實現，便于系統開發和以后設備的功能擴展。

2.4.1 雙絲雙弧協調控制需求的分析和確定

埋弧自動焊自動控制主要由引弧、焊接和熄弧三個階段的控制組成。雙電源單熔池方式下的雙絲雙弧埋弧焊控制的主要目標為：在雙電弧強相互作用下，雙電弧的可靠一次引燃及引弧點質量控制，焊接階段雙電弧的穩定性和單弧可控性控制，熄弧階段粘絲的防止、弧坑的填滿以及避免焊接缺陷。

采用前述的LM雙絲埋弧焊平臺，參考單絲埋弧橫焊工藝，林肯直流和米勒交流方波焊接系統均采用等速送絲方式和恒壓電源外特性，焊絲前后排列，前絲與林肯系統直流反接，后絲與米勒交流方波系統連接，正負半波比50／50，經過大量的雙絲埋弧橫焊試驗表明：

(1)雙絲引弧階段。前后絲間距15～30mm時，采用前絲林肯直流焊絲回抽引弧方式，并先起弧，后絲米勒交流焊絲延時起弧，待前絲進入焊接狀態后，立即采用慢送絲引弧方式引燃后絲電弧，則可保證雙絲可靠一次引燃，并能夠通過控制后絲起弧延時時間，實現起弧點焊接成形和質量的控制。

(2)雙絲焊接階段。LM雙絲埋弧橫焊平臺可按選定的焊接參數穩定焊接，且在焊接過程中參數可調，只是林肯和米勒系統達到需要的電流電壓參數所需的調節旋鈕調節量和響應速度，較單絲時略大和略慢，但對焊接成形和質量基本無影響。這說明林肯和米勒各系統本身的焊接自動控制系統具有良好的系統穩定性和抗干擾能力，能夠適應雙絲埋弧焊要求。

(3)雙絲熄弧階段。接到停止焊接指令后，前絲直流電弧立即采用焊絲返燒熄弧方式熄弧，焊車繼續按焊速行走，后絲交流電弧保持焊接狀態，直至前絲最終熄弧點，焊車停止行走，后絲也采用焊絲返燒熄弧方式熄弧，則可保證雙絲熄弧均不粘絲，弧坑飽滿且無缺陷。

因此，基于LM平臺的雙絲埋弧橫焊雙弧協調控制系統的主要控制需求為：系統焊接參數的檢測，判斷系統交直流電弧所處的工作階段和狀態，控制林肯NA-3S主直流埋弧焊控制系統和MILLER HDC1500DX交流埋弧焊控制系統以及焊車，使其按照系統各控制階段的要求，實現相應的時序控制、系統動作的協調控制、參數調整以及異常工作狀態的處理。

2.4.2 雙絲雙弧埋弧橫焊協調控制系統的實現

研制的基于PLC技術的雙絲埋弧橫焊協調控制系統框圖如圖6所示。系統以OMRON SYSMAC CPM2A可編程控制器和OMRON CPM1A-MAD02-CH模擬量輸入／輸出單元為核心。交／直流兩電弧的焊接電流和電壓信號值經采樣電路采樣，輸入CPM2A可編程序控制器，利用控制軟件判定焊接系統所處的工作階段和狀態，并根據相應的控制要求輸出相應的控制數字信號，經CPM1A-MAD02-CH單元處理為相應模擬量，分別輸出至林肯NA-3S直流埋弧焊控制箱、MILLER HDC1500DX交流埋弧焊控制箱、焊車行走控制電路以及焊劑循環控制電路等各分控制系統，使整個雙絲埋弧橫焊設備各模塊協調工作，完成橫縫雙絲埋弧自動焊接任務。控制軟件主要控制流程如圖7所示。

圖6 雙絲埋弧橫焊協調控制系統框圖

圖7 雙絲埋弧橫焊協調控制系統主要控制流程框圖

3 雙絲埋弧橫焊工藝

適當的焊接工藝是保證大型儲罐雙絲埋弧橫縫設備實現高質高效焊接的關鍵。基于現正裝儲罐環縫單絲埋弧自動橫焊普遍采用的K型坡口，如圖8所示。先焊罐壁外側坡口，并以自動焊進行打底焊；外側坡口焊完后再焊內側坡口，坡口不清根的多層多道焊方式和順序；經過大量的焊接工藝試驗，確定的與研制雙絲設備配套的典型焊接工藝參數如表1所示。

4 中試應用

2008年7月，研制的大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備及工藝在冀東南堡油田1號陸上終端地面工程處理廠的一座10萬立方原油罐焊接中進行了中試應用。在不改變原儲罐施工焊縫坡口形式、焊材、施工工藝條件下，應用研制設備和工藝，進行焊接工藝評定合格后，無故障完成了母材材質08MnNiVR，壁厚12mm和15mm罐壁對接，雙面K型坡口的64 m環縫的雙絲埋弧橫焊焊接和40m單絲埋弧橫焊焊接。

完成的雙絲埋弧環縫經現場檢驗，焊縫表面成形美觀，超聲波探傷一次合格率為99.8%，20%的X射線探傷，全部為Ⅰ級片，完全滿足設計和GB50128-2005《立式圓筒形焊接油罐施工及驗收規范》標準的要求。經實際測算，采用研制雙絲設備焊接的焊縫金屬熔敷速度達7.6kg／h，單絲埋弧橫焊時為4.8kg／h，可比單絲埋弧橫焊設備提高58.3%。

圖8 坡口形式

表1 雙絲埋弧橫焊典型焊接工藝參數

5 結論

經工程應用表明，研制的采用雙電源單熔池雙絲雙弧埋弧橫焊技術的大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備，焊接效率可比單絲埋弧橫焊設備提高50%以上，焊縫質量優良；焊接操作簡便，在儲罐施工現場惡劣工況條件下具有良好的工作穩定和可靠性，對現有的儲罐單絲埋弧橫焊設備及工藝有良好的兼容性；是一種能夠滿足大型儲罐現場施工需求的實用型高質高效橫縫自動焊設備，具有良好的推廣應用價值。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]姜煥中.焊接方法及設備[M].北京：機械工業出版社，1981.

[3]蔡立民.MZS-1250型雙弧雙絲埋弧焊設備及工藝[J].電焊機，2006，36(4)：29-31.

Study on tandem submerged arc horizontal welding equipment for large storage tank

ZHANG Tian-li，TANG De-yu，FENG Biao，LI Chun-run，LONG Bin
(CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China)

To meet the requirements of large storage tank girth welding equipment of high quality and efficiency，horizontal welding equipment for large storage tank and its supporting techniques with dual power single molten pool dual arc welding technology was developed.Aiming at characteristics and conditions of construction of large storage tank girth welding，dual power single melton pool submerged dual arc welding system，two-wire electric synchronous regulator，and sequence welding cart were developed，basing on the LINCOLN DC1000 single wire DC submerged arc welding system and the MILLER SUMMIT ARC1250 single wire submerged arc welding system of AC square wave，Meanwhile a typical welding parameters supporting the equipments were designed and summarized.Hence the equipments can meet the large storage tank on-site construction requirements，achieve high quality and efficiency tandem submerged arc automatically welding of girth.The application shows that the equipment has good compatibility with the existing single wire welding facilities，the efficiency has been increased by fifty percent.The equipments are very convenient for application and dissemination.

large storage tank；submerged dual arc welding；equipment of submerged arc horizontal welding；design

TG434.4

A

1001-2303(2011)10-0009-05

2010-08-69；

2011-03-10

張田利(1972—)，男，陜西咸陽人，工程師，主要從事焊接工藝與設備的研究工作。