薄壁鋼管的環縫焊接裝置研究

黨蕊娟

摘 要：目前市場上存在的自動化焊接設備，以關節型焊接機器人為主，在此基礎上研究設計了一種3自由度的新型薄壁鋼管的焊接裝置。這種焊接裝置主要是針對管件的的焊接進行的開發，主要適用于壁厚在2mm以下的、中小直徑的薄壁鋼管之間以及鋼管與其他配件的的焊接。焊接設備主要包括：x-y-z焊接平臺、焊接小車、送絲機構和輔助機構等。為了保證焊接設備的控制精度，焊接設備使用PLC控制系統，同時該焊接設備使用光電傳感器，實現了對焊縫的識別與追蹤。本裝置整體結構簡單，控制方便，能夠保證焊接質量。

關鍵詞：焊接；薄壁鋼管；x-y-z焊接裝置；光電傳感器

我國到改革開放以后的不銹鋼管的生產企業達到近200家[1]。當前，裝備制造業是我國國民經濟發展的支柱行業，管道焊接是制造過程中的關鍵環節之一[2]。焊接設備作為鋼鐵的“裁縫”已廣泛應用于機械、汽車、造船、建筑、冶金、化工、輕工、電力等各行業以及航天、電子、原子能等國防尖端工業，焊接裝備蘊涵著巨大的市場需求[3]。

隨著科學技術的不斷發展，和對產品質量要求的不斷提高，弧焊機器人正朝著“高效化、自動化、智能化、柔性化”的方向發展[4]。鋼管的焊接通常要使用焊接機器人和焊接專用機，否則容易引起焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷[5]。目前市場上較為普遍的是關節式焊接機器人，這種機器人價格較高，作為前期投資小廠家難以接受。在分析了以往的焊接設備的基礎上，研究設計了了一種結構簡單，焊接質量好、價格適中的鋼管的焊接裝置。

1 焊接裝置的機械結構

本裝置主要適用于中小直徑的鋼管之間的焊接，以及鋼管與其他配件的的焊接。鋼管的厚度較小，一般在2mm左右。這種新型的薄壁鋼管的焊接裝置的機械結構主要包括x-y-z坐標平臺、焊接小車6、焊槍9、送絲機構3和輔助設備等。坐標平臺主要是通過絲桿帶動滑塊的運動；焊槍9及焊把調節機構8安裝在焊接小車6上；輔助設備主要包括滾輪架以及管件的防竄設備，下圖2為焊接設備的基本結構。這種焊接設備能夠沿x-y-z三個方向自由移動，是3自由度的焊接設備。

1.1 x-y-z坐標平臺

x-y-z焊接平臺主要是支撐整體結構，并通過伺服電機4與絲桿5滑塊的配合實現焊槍的移動。對于同一類型的不銹鋼管的焊接，調整一次位置后，只需控制焊槍的位置就可完成該類型管件的全部焊接。

x-y-z焊接坐標平臺主要由底座導軌10，立架2和平移橫架11組成。底座導軌固定在生產地面，平移橫架與立架結構相同，立架頂端安裝伺服電機，電機4與絲桿5連接，控制平移橫架11的上下移動；為了保證定位精度，立架設置為兩根，起到支撐和平衡結構的作用；同時為了減小整個結構對絲杠的力的作用，在立架內部設置了導軌，減小受力的同時保證運動精度。

通過對設備運動的分析，當確定焊縫位置后，只需平移橫架電機動作，也能夠實現實現兩張薄板之間對接焊縫的焊接。

1.2 焊接小車

焊接小車上的焊槍是整個焊接設備的執行機構。焊接小車與平移橫架上的滑塊固定連接，焊接小車上安裝了焊槍調整機構與焊槍夾具。焊槍調節機構能夠實現焊槍對中、角度調整、焊槍高度調整等細節調節要求[6]。在靠近焊槍頂部的位置安裝光電傳感器，實現對焊縫的識別與跟蹤，將測得的電壓差送到控制系統。焊接速度取決于送絲機構與管件滾輪架的速度。

1.3 送絲機構

送絲機構送絲裝置的心臟部分[7]，主要由料盤，電機，減速器，調速器，送絲軟管組成。為了保證送絲精度，穩定送絲，本文采用雙主動推拉式送絲機構。送絲電機主要是提供送絲動力，功率小功率的電機即可滿足要求，故選轉矩較大的的直流伺服電機，依據經驗選用S361，具體參數如上表1。

1.4 輔助設備

滾輪架是主要的輔助設備。焊接滾輪架是借助主動輪與管件之間的摩擦力實現管子的轉動，進而完成管件的焊接。為了滿足對不同直徑管件的焊接需求，宜采用自調式滾輪架。

為了防止管子竄動，采用最基本的曲柄移動導桿機構對管件按壓，結構如圖3所示。這種結構在一個運動周期內，只會出現一個按壓輪18位置的最高點與最低點，在最低點處實現對管件的防竄。壓輪為鋼輪，與管件直接接觸會對管件表面形成刮擦，因此需要在滾輪外表面套一層有紋路的橡膠套19。

2 焊縫的識別與PLC控制

自動化焊接裝備是一個多傳感器控制系統。焊縫識別是實現焊縫跟蹤的重要前提和條件，它影響著焊接的精度和速度[8]。為了保證焊接精確，首先要對焊縫的位置進行大致的定位，然后利用傳感器對焊縫進行識別的基礎上，對焊縫進行跟蹤檢測。本文采用光電傳感器作為焊縫跟蹤與識別傳感器。

為了更加有效的檢測出焊縫，我們在焊縫上畫一條人工輔助白線，然后利用我們設計的光電傳感器檢測人工輔助白線，根據人工白線的不同偏差情況，傳感器相應的輸出不同的電壓偏差信號[9]。PLC控制系統只要與光電傳感器輸出的信號進行比對，就能反映出焊縫的實際偏差情況，通過調整焊槍位置，實現對焊縫跟蹤與精準焊接。

3 結論、實驗結果與分析

這種新型的焊接裝置主要是實現薄壁管件的有關焊接。在焊接過程中不啟動焊接輔助設備時，該設備還可以實現有縫鋼管與薄板的焊接，一機多用，而且結構簡單，操作方便。

為了檢驗設備的實用性，采用本設備對兩根之間為30cm的薄壁管件進行了焊接，焊絲直徑為0.8mm。

當焊速低于 15cm/min 時，焊槍移動不易均勻；在焊速達 60cm/min～70cm/min 時，焊槍難以對準焊接線，所以通常焊接速度多為30-50cm/min[10]。為了保證焊接質量，在焊接中，設定焊接速度為30cm/min，焊接電流為90A。焊接開始后的3.2min后，完成了兩根管件的焊接，焊接質量滿足要求。

參考文獻

[1]鄒子和. 我國不銹鋼管生產技術的進展及其與國外的差距[J]. 鋼管，2000，06：7-14.

[2]雷毅. 全位置TIG焊管機電弧長度自適應控制技術[J]. 石油化工設備，2005，04：56-59.

[3]黃政艷. 焊接設備技術現狀及發展趨勢[J]. 廣西輕工業，2011，05：31-32+80.

[4]廖家平. 基于光電傳感器的智能焊縫跟蹤系統的研究[D].南昌航空大學，2010.

[5]翟立颯. 變截面薄壁鋁合金長管件的焊接裝置[J]. 電焊機，2014，01：51-53.