薄壁鋼管的環(huán)縫焊接裝置研究

黨蕊娟

摘 要：目前市場上存在的自動(dòng)化焊接設(shè)備，以關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人為主，在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)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(duì)管件的的焊接進(jìn)行的開發(fā)，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(shè)備主要包括：x-y-z焊接平臺(tái)、焊接小車、送絲機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)等。為了保證焊接設(shè)備的控制精度，焊接設(shè)備使用PLC控制系統(tǒng)，同時(shí)該焊接設(shè)備使用光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫的識(shí)別與追蹤。本裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能夠保證焊接質(zhì)量。

關(guān)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(chǎn)企業(yè)達(dá)到近200家[1]。當(dāng)前，裝備制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱行業(yè)，管道焊接是制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。焊接設(shè)備作為鋼鐵的“裁縫”已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、造船、建筑、冶金、化工、輕工、電力等各行業(yè)以及航天、電子、原子能等國防尖端工業(yè)，焊接裝備蘊(yùn)涵著巨大的市場需求[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，和對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，弧焊機(jī)器人正朝著“高效化、自動(dòng)化、智能化、柔性化”的方向發(fā)展[4]。鋼管的焊接通常要使用焊接機(jī)器人和焊接專用機(jī)，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(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人，這種機(jī)器人價(jià)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(shè)備的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了了一種結(jié)構(gòu)簡單，焊接質(zhì)量好、價(jià)格適中的鋼管的焊接裝置。

1 焊接裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

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(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括x-y-z坐標(biāo)平臺(tái)、焊接小車6、焊槍9、送絲機(jī)構(gòu)3和輔助設(shè)備等。坐標(biāo)平臺(tái)主要是通過絲桿帶動(dòng)滑塊的運(yùn)動(dòng)；焊槍9及焊把調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)8安裝在焊接小車6上；輔助設(shè)備主要包括滾輪架以及管件的防竄設(shè)備，下圖2為焊接設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。這種焊接設(shè)備能夠沿x-y-z三個(gè)方向自由移動(dòng)，是3自由度的焊接設(shè)備。

1.1 x-y-z坐標(biāo)平臺(tái)

x-y-z焊接平臺(tái)主要是支撐整體結(jié)構(gòu)，并通過伺服電機(jī)4與絲桿5滑塊的配合實(shí)現(xiàn)焊槍的移動(dòng)。對(duì)于同一類型的不銹鋼管的焊接，調(diào)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(biāo)平臺(tái)主要由底座導(dǎo)軌10，立架2和平移橫架11組成。底座導(dǎo)軌固定在生產(chǎn)地面，平移橫架與立架結(jié)構(gòu)相同，立架頂端安裝伺服電機(jī)，電機(jī)4與絲桿5連接，控制平移橫架11的上下移動(dòng)；為了保證定位精度，立架設(shè)置為兩根，起到支撐和平衡結(jié)構(gòu)的作用；同時(shí)為了減小整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)絲杠的力的作用，在立架內(nèi)部設(shè)置了導(dǎo)軌，減小受力的同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)精度。

通過對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的分析，當(dāng)確定焊縫位置后，只需平移橫架電機(jī)動(dòng)作，也能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn)兩張薄板之間對(duì)接焊縫的焊接。

1.2 焊接小車

焊接小車上的焊槍是整個(gè)焊接設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(diào)整機(jī)構(gòu)與焊槍夾具。焊槍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍對(duì)中、角度調(diào)整、焊槍高度調(diào)整等細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)要求[6]。在靠近焊槍頂部的位置安裝光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的識(shí)別與跟蹤，將測得的電壓差送到控制系統(tǒng)。焊接速度取決于送絲機(jī)構(gòu)與管件滾輪架的速度。

1.3 送絲機(jī)構(gòu)

送絲機(jī)構(gòu)送絲裝置的心臟部分[7]，主要由料盤，電機(jī)，減速器，調(diào)速器，送絲軟管組成。為了保證送絲精度，穩(wěn)定送絲，本文采用雙主動(dòng)推拉式送絲機(jī)構(gòu)。送絲電機(jī)主要是提供送絲動(dòng)力，功率小功率的電機(jī)即可滿足要求，故選轉(zhuǎn)矩較大的的直流伺服電機(jī)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用S361，具體參數(shù)如上表1。

1.4 輔助設(shè)備

滾輪架是主要的輔助設(shè)備。焊接滾輪架是借助主動(dòng)輪與管件之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)管子的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而完成管件的焊接。為了滿足對(duì)不同直徑管件的焊接需求，宜采用自調(diào)式滾輪架。

為了防止管子竄動(dòng)，采用最基本的曲柄移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)對(duì)管件按壓，結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)按壓輪18位置的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)，在最低點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)對(duì)管件的防竄。壓輪為鋼輪，與管件直接接觸會(huì)對(duì)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(shí)別與PLC控制

自動(dòng)化焊接裝備是一個(gè)多傳感器控制系統(tǒng)。焊縫識(shí)別是實(shí)現(xiàn)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(duì)焊縫的位置進(jìn)行大致的定位，然后利用傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行識(shí)別的基礎(chǔ)上，對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤檢測。本文采用光電傳感器作為焊縫跟蹤與識(shí)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(shè)計(jì)的光電傳感器檢測人工輔助白線，根據(jù)人工白線的不同偏差情況，傳感器相應(yīng)的輸出不同的電壓偏差信號(hào)[9]。PLC控制系統(tǒng)只要與光電傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，就能反映出焊縫的實(shí)際偏差情況，通過調(diào)整焊槍位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫跟蹤與精準(zhǔn)焊接。

3 結(jié)論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

這種新型的焊接裝置主要是實(shí)現(xiàn)薄壁管件的有關(guān)焊接。在焊接過程中不啟動(dòng)焊接輔助設(shè)備時(shí)，該設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)有縫鋼管與薄板的焊接，一機(jī)多用，而且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

為了檢驗(yàn)設(shè)備的實(shí)用性，采用本設(shè)備對(duì)兩根之間為30cm的薄壁管件進(jìn)行了焊接，焊絲直徑為0.8mm。

當(dāng)焊速低于 15cm/min 時(shí)，焊槍移動(dòng)不易均勻；在焊速達(dá) 60cm/min～70cm/min 時(shí)，焊槍難以對(duì)準(zhǔn)焊接線，所以通常焊接速度多為30-50cm/min[10]。為了保證焊接質(zhì)量，在焊接中，設(shè)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(zhì)量滿足要求。

參考文獻(xiàn)

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