鉆機操縱臺油管自動焊接裝置的研制

陳 亮，王 普，高 勇，贠江劍

(中煤科工集團西安研究院鉆探技術研究所，陜西 西安710077)

隨著社會對能源需求量的增加，作為煤礦安全的關鍵設備的煤礦坑道鉆機的需求量也大大增加，對鉆機的生產周期和品質也提出更高的要求。分體式煤礦坑道鉆機主要由主機、泵站和操縱臺三部分組成[1]。操縱臺是鉆機三大部件中的控制部分，是鉆機的關鍵部件之一。操縱臺中油管連接較多，大都是管件或管件與接頭的焊接。油管焊接對操縱臺的裝配效率和質量都有著重要的影響作用。目前，油管的焊接主要是手工的氧乙炔焊接，需要鉗工和焊工配合來完成。焊接品質的穩定性很難保證，尤其是新的焊工需要較長時間才能勝任焊接工作，這都直接影響油管的焊接品質和效率，進而影響操縱臺裝配效率。

本文在臥式環焊縫焊機的基礎上研制了鉆機操縱臺油管的自動焊接機，實現了油管和接頭的自動焊接，提高了操縱臺油管的焊接品質，縮短了其生產周期。

1 油管自動焊接裝置

1.1 自動焊接機的設計

操縱臺油管可以分為“―”字型和“L”型兩種，油管的焊接都是接頭和無縫管（20號輸送流體用無縫鋼管）的對焊。焊接機需要完成接頭和油管的快速加緊、松開、頂緊、退回、同步旋轉、焊槍升降、調節等動作。

采用在臥式焊接機的基礎上增加一個同步旋轉的從動旋轉機頭和氣動尾座來實現焊接接頭和“―”字型或“L”型焊管的同軸旋轉和軸向移動，用三爪卡盤來裝夾接頭，用改造的氣動卡盤來裝夾油管，設計出了操縱臺油管焊接裝置。油管自動焊接裝置由焊接電源、焊接主機、控制器等組成。

1.2 焊接控制要求

油管環縫焊機控制系統要求能夠實現自動控制焊接、手動控制焊接及故障檢測程序。

（1）手動控制過程，通過各個動作的控制開關獨立完成焊槍的升降、旋轉機頭的前進和后退、夾緊開關的夾緊和松開等動作。

（2）自動控制過程，可以實現調試和焊接過程的自動控制，油管夾緊動作，從動旋轉機頭前進動作，焊槍下降動作，焊槍送絲、起弧、主動、從動電機旋轉動作，焊接收弧，各個動作依次順序進行。控制流程圖如圖1所示。

圖1 控制流程圖

（3）故障檢測，可以實現對系統運行的監測和報警，當出錯時及時停止焊接工作，然后切換到手動狀態經人工調整繼續完成后面的焊接工作或進行設備維修。

2 油管的焊接工裝

油管焊接的基本要求是滿足油管長度和角度的要求。這是保證油管在裝配過程中能否實現完全互換的關鍵，也是提高焊接效率的前提。此外，還有對焊縫強度的要求，最基本的強度要求是焊縫的抗拉強度要大于焊接母材抗拉強度[2]，而且使用中不能出現液壓油滲漏現象。

油管的焊接主要考慮接頭和無縫管的裝夾。對自動焊接裝置的焊接工裝有兩個基本要求：首先，要能夠滿足“―”字型和“L”型兩種管子的裝夾；其次還要能實現管接頭和管子的自動對中。焊接頭是外螺紋或者內螺紋，與三爪卡盤相連接的接頭工裝（見圖2）就能實現其定位。

圖2 油管接頭的裝夾工裝

考慮到管子的裝卸方便，管子裝夾工裝是利用兩爪氣動卡盤的兩爪，與其連接的兩個“v”形塊實現油管的快速加緊，而與這兩爪垂直的另一“v”型塊可方便的實現“L”型管子的裝夾和自動對中。如圖3所示。

圖3 L型油管焊接工裝

3 焊接試驗

3.1 試驗目的

（1）檢查焊接裝置各種動作是否正常；

（2）檢驗設計的焊接工裝能夠滿足“―”字型和“L”型兩種油管與接頭的焊接；

（3）通過試驗確定 準16、準20、準22、準27四種管子焊接工藝參數。

3.2 試驗內容

首先對焊機的主動旋轉機頭、從動旋轉機頭、焊槍氣動推進機構、氣動尾座、氣動卡盤、導電機構、控制系統等，進行了逐一檢查確定各機構動作正常。其次，通過試驗選取焊絲直接 電壓 電流 焊接速度等焊接參數，如表1所示。

表1 油管焊接參數

根據現場試驗將焊機主動旋轉機頭的轉速調整到10 r/min，焊縫飽滿，熔深達到4 mm，熔寬達到5 mm以上。從焊縫剖開圖（見圖4）可以看出，焊縫沿油管一周都已焊透。

圖4 焊縫剖開圖

3.3 試驗結果

焊接裝置的動作正常靈活，各焊接工藝參數調節方便，可實現“―”字型和“L”型兩種油管與接頭的焊接。確定了 準16、準20、準22、準27四種管子焊接工藝參數，并從目測合格產品中抽選出100件作為焊縫檢驗的試件。

4 焊縫檢驗

4.1 焊接結構的缺陷類型

由于焊接熱過程的特殊性，如加熱溫度高、速度快、高溫停留時間短、局部加熱產生不均與相變及應變、在應力狀態下進行組織轉變等，使得焊接結構容易產生外觀缺陷（要有：咬邊、焊瘤、凹坑等），和氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷[3]。

4.2 焊縫檢驗

我們對焊接后的油管隨機抽取進行了耐壓試驗，油管焊縫的耐壓試驗采用在操縱臺上直接測試，憋壓25 MPa保壓10分鐘，若出現滲漏即判定為不合格。100根焊接油管均無出現滲漏現象，合格率為100%。此外，我們還對4根油管做了金相組織[4]檢和Χ射線檢測，檢測結果顯示：未發現有未融合，未焊透，裂紋，夾渣，氣孔等缺陷。對2根焊后油管做了拉伸試驗，拉伸試驗采用整管拉伸，試件從無縫鋼管一側出現縮頸、斷裂，抗拉強度分別為510 MPa和505 MPa，均大于母材強度（450 MPa）。

5 結束語

設計了一臺適用于操縱臺油管環縫焊接專機和一套焊接模具，根據試驗總結的二氧化碳氣體保護焊接參數進行了自動焊接試驗。自動機焊后的油管和氧乙炔焊接相比：焊縫成型好，生產成本低，焊接效率高。自動機焊的效率相比乙炔焊接提高了近一倍，節省人工成本達10萬余元。油管自動焊機焊接油管可以大大降低油管的焊接缺陷，焊接合格率從原來的96%提高到99.8%，每年又可節約成本近2萬元。

[1]陳 健，姚寧平，殷新勝.MK系列鉆機及其在煤礦瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術，2003（2）：55-56.

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第1卷）：焊接方法及設備[M].第2版，北京:機械工業出版社，2001.

[3]李亞江，劉 強，王 娟.氣體保護焊工藝及應用[M].北京:化學工業出版社，2009.

[4]上海材料研究所.金相檢驗[M].上海:《理化檢驗》編輯部出版，1983.