一種新型十字架型SAW焊機的研究應用

摘要：通過對十字架型SAW焊機機頭結構和焊絲輸送機構三維模擬設計，研制適合本SAW焊機的焊劑自動輸送系統，選配合理的焊接監視系統，對分散的控制器的集成優化后安裝在一個控制柜上，最終實現了使十字架型SAW焊機的焊接范圍擴大，焊劑下料輸送操作自動化控制，施焊過程單人實時監視控制，焊接作業環境的改善，大大降低工人勞動強度的目標。

關鍵詞：SAW焊機 優化研制 擴大焊接范圍 單人集成監控

目前，埋弧焊是焊接生產中應用較為普遍的工藝方法之一，由于該方法具有焊接熔深大、生產效率高、焊接成型美觀、焊接缺陷少等優點，大大減少了焊工的勞動強度，而且機械化程度高、焊工的操作難度小。在造船、鍋爐、壓力容器、化工、橋梁、工程機械及核電設備等制造中都是不可缺少的焊接工藝手段。但是，通過市場調查發現在筒體內焊接時，一般均使用焊接直徑為ф1000型號的常規十字架型SAW焊機，其焊接局限性比較大，難以適應行業的發展現狀。

1 常規設備局限性分析

通過對我公司目前的常規十字架型SAW焊機分析認為，這種焊機存在四個方面問題：

①對于在ф600直徑以下的筒體內部縱環縫焊接只有少數制造廠采用超小型SAW焊機，大多數只能用大直徑的管子替代。

②對于ф600～ф1000范圍內焊接時，一般均采用手工焊接或超小型SAW焊機。

③對于焊工在筒體內焊接時，焊接材料燃燒產生大量有毒氣體，造成施焊環境惡劣，給焊工的身體健康帶來很大傷害。

④控制點較多且分散、需兩人同時配合進行操作，尤其在焊接工作量大時，造成操作不便，同時生產成本提高。因此，首先對我公司現有常規十字架型SAW焊機的焊接范圍及功能進行二次優化研究，并投入使用，使埋弧焊技術邁上一個新的臺階，有效提高企業經濟效益。（見圖1）

2 優化研究的技術方案

2.1 在保證原焊接性能的前提下，改進機頭整體結構，擴大焊接范圍

①改進電機、小機頭、導電桿和漏斗。對機頭結構進行分析研究，收集機頭各部件結構尺寸并模擬實施，將原大型機頭改為小型機頭，90型傳送電機換為70型，導電桿加工至原尺寸的1/2，舊導流漏斗更換為新型導流漏斗，縮小機頭結構尺寸，達到設定的要求。

②改進送絲傳動結構。將原有行走機構為200型更換為100型，縮小行走距離，并利用機頭結構的特殊功能將機頭旋轉90度，使導電桿到機頭正前方空間縮小150mm，

同時可將機頭周徑縮小100mm，實現機頭周徑二次縮小。

③改進送絲整體機構。針對焊絲盤裝配位置占據整個機頭尺寸50%的問題，通過核算焊絲輸送電源的最大載荷量后，確定采用后置送絲，將焊絲盤放置于橫臂最后端，為了保證送絲順暢，在機頭頂端加裝滑動輪，最終使機頭空間尺寸第三次縮小。

2.2 研究焊劑下料閥的自動開關，焊劑的均勻化、自動化輸送

根據機頭位置空間需要和焊件直徑的限制，將原有的自流式焊劑大漏斗改為微型漏斗，取消原有的支架，將微型漏斗安裝在機頭L板上；增加氣動自動輸送焊劑裝置和氣動開關焊劑下料閥，改善原人工添加焊劑和手工開關焊劑下料閥的不便，實現了機頭最小化，焊劑輸送自動化。

2.3 選用合適的內窺鏡系統，實現焊接過程實時監視

按照傳統的焊接方法，在施焊小直徑筒體和筒體內焊縫時，操作人員進入筒體內施焊時，焊劑燃燒產生的有毒氣體對人身傷害極大，通過對機頭空間位置分析，可配置內窺鏡、激光指示器，同時為避免大量煙霧影響內窺鏡的清晰度，可配置微型排煙器均安裝在機頭導電桿前端的支架上，實現施焊過程實時監視。

2.4 控制點集成優化，操作自動化監視控制

十字架型SAW焊機在焊接環縫時，控制器為：滾輪架控制、焊接控制、焊劑自動輸送控制、監視控制四部分，且需同時進行控制，控制器也分散。通過分析研究，將原控制線路重新策劃，并定制操作集成柜，把四大控制部分集中安裝在集成柜上，實現控制集成化，操作自動化監視控制的目標。（見圖2）

3 關鍵技術及創新點

3.1 改進機頭結構

通過對常規十字架型SAW焊機機頭結構部件測量數據，建立計算機三維模型設計，對模型改進和可行性分析后，將機頭結構尺寸由ф880mm縮小到ф680mm，可焊接直徑由ф1000mm 以上擴大到了ф760mm以上，取得了機頭結構的首次縮小，焊接范圍得到了擴大。

3.2 改進送絲機構

通過核算電機荷載量后將焊絲盤置于橫臂末端，將機頭身架水平旋轉90°，且在頂端裝有滑動輪，選用100型送絲電機進行送絲，滿足了送絲要求，也使機頭整體結構尺寸縮小了250mm，可焊接直徑由ф760mm 以上擴大到了ф480mm以上，再次縮小機頭結構，焊接范圍得到二次擴大，很大程度上減少了手工焊接量，減少了高標準規格管子替代焊接筒體的頻率，節約了成本。

3.3 焊劑輸送系統

研制出封閉式、存儲量小的微型焊劑漏斗，并在頂蓋設有通氣閥。通過焊劑輸送裝置的輸送管與微型焊劑漏斗連接，通過壓力自動調節焊劑輸送量，另在漏斗下料口安裝氣動下料閥，在裝置中引出兩路壓力適中的氣體與下料閥連接，最終形成一種焊劑輸送下料自動控制系統，不再需要人工添加焊劑和控制下料開關，大大減輕了工人勞動強度。

3.4 焊接監視系統

在機頭位置裝有兩組針孔型內窺鏡和微型排煙器，與控制柜上的顯示器相連，形成一種焊接過程監視系統。這種監視系統的內窺鏡分辨率高，占用空間小，微型排煙器可降低鏡頭上的煙霧粉塵，保障了內窺鏡成像效果，兩組內窺鏡可在焊接縱、環焊縫時同時通過切換屏幕完成，顯示屏上效果非常好，也減少了焊接有毒煙霧對工人的危害。

3.5 集成控制系統

將分散的焊接控制器、滾輪架控制器、焊劑自動輸送控制器及焊接監視系統控制器重新策劃，全部設定在集成控制柜上，實現了焊接全過程的集成監視控制，使必須兩人配合完成，改變為一人獨立焊接完成。

4 運行效果

通過使用優化后的十字架型SAW焊機，其焊接范圍大幅拓寬，對于直徑在ф480mm以上的筒體縱、環縫均能焊接；焊劑自動輸送裝置能夠順利將焊劑輸送到封閉的微型漏斗中，下料閥也能夠自由開啟，保證了焊接過程中焊劑的供給量；通過在顯示屏上實時監視，調整各系統控制點，完全滿足了焊接全過程實時監視控制，保證了焊接質量、提高了焊接效率、改善了焊接作業環境。

5 經濟效益、社會效益及推廣前景

5.1 新型十字架型SAW焊機的成功應用，焊接范圍得到擴大，使ф480mm以上的筒體縱環縫均可進行SAW焊接；降低了人為因素產生焊接缺陷的概率，焊接一次合格率達到96%，提高了45%；降低了高標準規格管子替代焊接筒體的頻率，節約了材料成本，從而使得經濟效益大幅提高，特別是大批量生產效果尤為顯著。

5.2 新型十字架型SAW焊機的成功應用，有效降低了焊工的勞動強度，改善了焊接作業環境，減少電弧對人體的傷害，保護了焊工的身體健康，達到了安全環保、節能減排的效果，取得了良好的社會效益。

5.3 對于我公司每年生產的壓力容器設備中，直徑大于等于ф480mm的設備就在100臺以上，均能應用新型SAW焊機焊接，焊接效率得到很大提高，我們還將這種SAW焊機在各大油田及涉及SAW技術的不同行業進行推廣，其具有很大推廣應用空間。

6 結論

新型十字架型SAW焊機拓寬了常規十字架型SAW焊機的焊接范圍，可減少手工焊接量，降低勞動強度，降低人為因素產生焊接缺陷的概率，保證焊接質量，提高焊接效率，降低高標準規格管子替代焊接筒體的材料成本，能夠滿足任務量飽滿的生產現狀。同時，這種新型SAW焊機完全響應國家提倡的向數字化、集成化、高科技技術發展方向，對焊接生產廠家SAW焊機的改進具有借鑒意義。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會編.《焊接手冊》（1）焊接方法與設備.

[2]上海市焊接學會編.《現代焊接生產實用手冊》.

[3]壓力容器相關標準法規.

作者簡介：

林范軍（1982-），男，陜西澄城人，現任職務：焊接技術員。