管道全自動焊接技術及工藝研究

摘要：介紹全自動焊接技術包含的發展情況，自動控制系統、傳動機構及焊接參數的確定是全自動焊接技術發展的關鍵，分析埋弧自動焊和焊絲加氣體保護焊的工藝控制。

關鍵詞：管道 自動焊接 工藝

管道安裝主要靠焊接技術，焊接工藝直接影響管道安裝的好壞，隨著工業自動控制研究的進步，全自動焊接技術逐漸成為管道焊接的發展方向，管道的全自動焊接指的是在事先固定好管道的情況下，焊接機器人通過程序控制煙焊縫自動沿著軌道焊接管道。采用全自動焊接技術能夠提高焊接效果，保證焊接質量及減少工作強度。

1 全自動焊接技術現狀及發展

先進普遍使用的全位置自動焊技術的主要困難是：①管口的縫隙大小一致性差，需要焊接機器人自動調整焊槍，跟蹤焊接。但是焊接中的使用環境惡劣，強弧光、高溫、煙塵都會影響傳感器的反饋，影響焊接質量；②自動機器人在每個焊縫都需要調整工藝參數，才能保證焊接質量；③傳動機構在焊槍的震動中響應不夠迅速。

另外，在焊接規范參數的自調節方面，目前所具有的自動焊設備，均建立在焊前大量試驗數據的基礎上，并且所建立的數學模型均與實際存有很大出入，這樣不但使焊前準備工作過程復雜化，自動焊設備適應性降低，而且在焊接過程中所調節規范參數的合理性，即焊接質量得不到保證。其次，目前的自動焊設備的擺動機構大多采用擺鐘式原理，即擺動機構左右等幅交替擺動，針對各執行機構的傳動誤差，尤其是具有頻繁換向需求的擺動機構所帶來的換向耦合誤差無能為力，從而造成誤差的累積，使擺動的中心偏離實際焊縫中心，焊接熔池位置偏離焊縫。

另外，程序的調節參數依賴的實驗數據與實際情況比常常有很大偏差。使得工程人員調整自動焊接機器人的難度加大。自動焊接設備執行機構的誤差難以消除，焊縫會偏離焊口。

新型管道自動焊技術具有如下三方面特點：

1.1 管口焊縫的自動跟蹤系統包括管縫位置檢測與焊槍位置糾正。其中傳感器與機械執行器的精度是跟蹤系統優劣的關鍵。能適應焊接過程惡劣環境的傳感器主要有電弧傳感器和生銹傳感器。電弧傳感器的優點是可靠性好，缺點是易受干擾，靈敏度、精度等達不到要求。聲學傳感器的抗干擾能力強且可靠耐用，但對管道表面要求高，傳聲介質還會影響其精度。

1.2 焊接參數自調整系統主要實現隨管縫位置變化自動調整焊接規范參數，保證焊接質量。每個焊縫的熔池都不相同，造成焊槍運動軌跡沒有規律，焊接的參數需要能夠適應這種變化。焊接機器人的移動速度、送絲速度、焊槍擺震頻率的確定方法如下：垂直中分管口圓。兩個半圓定數反向等分，確定焊接點。在實驗的基礎上獲得理想的焊接電流、電壓、移動速度、送絲速度、擺動頻率等。計算機以理想數據為基準結合現場實際情況后得出真實參數。參數間有固定的變量關系，移動速度、送絲速度、焊槍擺震頻率、焊接電流、電弧電壓同時調整才能保證數據準確。

1.3 降低自動機器人的機械傳動機構誤差。焊槍采用擺動機構，擺鐘原理的優點是結構簡單，但機構動作累計誤差越來越大會使擺心偏離焊縫。光電傳感器只記錄一次擺動的誤差，能有效消除換向誤差和誤差積累。交流伺服電機與測速碼表提高運動精度。另外電位器傳感器能提高反饋信號的精度等都是降低誤差的有效途徑。

2 焊接機器人

焊接機器人是使用最多的工業機器人，在各類機器人中所占的比重最大。用于管道焊接的機器人一般都有預定的焊接軌道。機器人的焊槍沿著預定的軌跡對管口或管道裂進行動作。運用聚氨酯材料來進行處理，管道預留口及縫隙要用水泥石棉來打造密實或者油膏鑲嵌密實法來處理；對于施工設備、材料及配件要嚴格控制，對于每道工序都要進行驗收，在重要收口位置及交接處，要進行水泥護根處理，可運用聚氨酯防水材料來反復涂刷，以保證無裂縫出現。它由行車機構、傳送機構、焊槍控制器等組成。行車機構一般都是采用電力驅動機械傳動。由控制計算機發出的運動指令，并通過電氣執行器的調節反饋保證機器人的運動定位準確、速度均勻。傳送機構負責傳送焊接所用的焊絲，送絲的速度要滿足焊槍消耗的速度，反饋靈敏，驅動靈活。焊槍控制器調節焊槍的軌跡。能夠及時調整焊槍的位置及姿態。實現針對焊縫軌跡的全角度調節。焊接機器人的以上部件都由計算機和傳感器通過程序自動控制與反饋調節完成自動焊接。在需要時也可人工調節焊接過程。

3 焊接軌道

軌道的作用是給焊接機器人完成焊接動作提供固定運動方向和定點的設備。它應該具有高穩定性和較高的尺寸精度。一般來說焊接軌道都有如下的特點：安裝簡便、調整性強、定位準確、結構簡單、質量小；力學性能穩定，材料抗磨損、耐腐蝕。按軌道的力學性能把軌道分為剛性軌道和柔性軌道兩種。剛性的軌道不易變形定位準確。能夠保證機器人行走穩定，焊接時焊槍的抖動小，但是剛度大的材料造成軌道質量大，安裝和拆卸復雜。柔性軌道不能提供好的精度要求，但是拆裝容易。

4 送絲方法

焊絲通過傳送機構提供焊槍消耗的焊絲，一般要求送絲均勻性好。焊絲有推送和拉送兩種形式。拉送焊絲的焊絲機靠近焊槍安裝，這種方式傳送阻力小，送絲均勻度高。缺點是安裝與拆卸復雜，造成機器人重心偏離，行走不平穩。通常拉絲方式只在小直徑小盤焊絲時應用，焊接效率不高。采用推絲方式時，將送絲機構和焊接機器人分開安裝，減輕了行走機構的體積和重量，增加了焊接的穩定性，并且能夠使用效率高的大直徑焊絲。推絲時的送絲機與焊槍直徑必須用軟管連接，送絲距離長且摩擦阻力大，并且軟管的彎曲程度直接影響送絲的穩定性。嚴重時造成送絲堵塞現象。

5 焊接工藝

當前，國內管道焊接除采用手工焊接外，采用較多的是埋弧自動焊接和氣體保護自動焊接工藝。

5.1 埋弧自動焊有質量穩定、焊接成材率高、效率高、經濟性好等特點，埋弧自動焊常用于雙管聯接，可以把焊槍固定，利用管子轉動來實現。顯然此工藝不適合長距離管道焊接，所以只能用于廠家的預制階段。在施工中如果使用埋弧焊，那么要附加焊劑的輔助設備，使得焊接機構結構繁瑣，操作的工藝性和裝配工藝性都變差。還有就是運動機構的重量增加，影響重心的穩定性。埋弧焊不適宜施工全階段的自動焊接。

5.2 藥芯焊絲加氣體保護焊需要多次成型工藝，藥芯焊絲產生的焊渣需要多次清除，生產效率不高，采用強迫成型時需要加入帶有水冷設備的成型部件，又帶來重量增加造成的穩定性問題，此外藥芯焊絲和保護氣體都帶來成本上升的問題。

5.3 采用實芯焊絲加氣體保護的焊接工藝，工序中沒有清理工序，生產效率高于藥芯焊絲焊接。可選的保護氣體分別是CO2、CO2和Ar氣體或者CO2與O2的混合氣體，選擇余地多，其中焊接最穩定的是二氧化碳混合氬氣焊接，但是氬氣的來源少，價格高不適合大型工程應用。長距離焊接選擇二氧化碳保護較為經濟實用。

6 控制方式

焊接機器人的變量參數主要是其移動速度、焊絲傳送速度和焊槍的震動幅度，焊槍的位置可以不變。焊接點的確定方法是等分圓周法，焊縫的焊接參數通過試驗的理想參數配合實際的操作情況進行規律調整。送絲速度、焊接機器人速度與焊槍震動之間的相互協調能保證焊接質量。

7 結論

目前，在管道焊接市場中競爭異常激烈，要想占據一席之地，只有優質、高效、經濟才是必由之路，也就必須選擇先進的設備和提高工藝水平，本文提出采用機器人自動焊接是未來的發展方向。

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作者簡介：張福（1962-），男，遼寧昌圖人，教授，研究方向為機械制造裝備及制造技術。劉敏（1975-），女，黑龍江嫩江人，講師，研究方向為機械制造。