自動化焊切設備在電力鋼管塔行業中的應用

孫杰

1.鋼管塔應用前景及焊接難點

電力鋼管塔是近年來應用于高壓、特高壓及大跨越輸電線路的一種新型鐵塔，這種電力鋼管塔采用部分鋼管與法蘭、角鋼、板材或全塔管材與板材的連接方式，具有節約材料、承載力大的特性，符合國家建設資源節約型、環境友好型社會宏觀政策，在未來特高壓工程建設中將被大量使用，市場前景樂觀。

隨著特高壓電網建設的開展，大容量、長距離、高電壓輸電線路越來越多，多回路同塔和大坡度鐵塔越來越多的被采用，使鐵塔的荷載越來越大，而鋼管塔金屬部件之間的連接都采用焊接工作完成，因此焊接技術將直接影響鋼管塔質量的好壞。目前電網建設中應用最多的熔化焊為CO2氣體保護焊、埋弧焊。但是在鋼管塔生產企業中仍存在著一些焊接方面的問題，主要表現為：鋼管塔部分生產企業沒有統一的焊接工藝、方法，并且焊工的執行能力不統一，造成了焊接質量的參差不齊；對供貨原材料加工要求不嚴格，造成焊接產品易產生因坡口不均、錯口、不打磨和不清根而帶來的焊接缺陷問題。

2.自動化焊切設備在鋼管塔制造中的應用優勢

自動化焊切設備自動化程度高，可以節省大量的人工搬運工件時間，在減少操作者勞動強度和工作量的同時，大大提高了生產效率。

另外自動化焊切設備在鋼管塔制造中的應用對原有的生產工藝流程進行了徹底的優化和升級。原有生產方式采用天車吊裝進行半成品的運轉，需要專人吊裝，對車間環境和空間要求較高，同時也存在安全隱患。生產過程多為手動操作，工藝復雜，不僅需要大量的人力和物力投入，而且勞動強度大、生產效率低下。然而自動化焊切設備的應用實現了鋼管塔生產的自動化功能，并實現實時的在線監控功能。車間原材料自動上料切割、組對、焊接的物流生產線，整條生產線可覆蓋車間各個工區，既可整體運轉，也可在各個工區獨立運轉，因此提高了工作效率。而且整條生產線通過現場總線將車間各個工區控制單元相連接，實現了個體獨立、整體合一的現代化生產車間。某用戶車間全自動焊切設備生產線如圖1所示。

3.自動化焊切設備在鋼管塔制造中的應用案例

針對電力鋼管塔行業工藝的復雜性以及焊接存在的難點，我公司研究開發了適用于鋼管塔行業的專用自動化焊切設備，并可以根據用戶的實際生產需求幫助用戶進行整廠的生產工藝規劃。

（1）切割系統 主要由上料機構、上料輸送線、鋼管火焰定長切割機、下料輸送線組成（見圖2）。該流水線配合實現工件的自動上下料，通過電氣系統及剛性跟蹤架實現鋼管的自動定長切斷。割炬擺動機構可使割炬以豎直面為基準正負擺動45°，實現管子的坡口切斷。本設備采用一套鋼管旋轉驅動系統，配備火焰切割系統，適應大范圍的管徑和壁厚。

（2）直管法蘭組對焊接生產線 主要由管法蘭裝配機、管法蘭焊接機及配料輸送系統三部分組成（見圖3）。

主要生產工藝流程如下：原料管經過自動定長切割后，經輸送物流線輸送至裝配機上料架；配送小車從上料架取料輸送至裝配工位進行直管與法蘭裝配；人工將法蘭放置卡抓上并與定位銷相連，卡抓夾緊保證定位。兩端卡盤液壓頂進，鋼管與法蘭間插接或對接，定位焊完成，放松主從站卡盤，卡盤退回到位。上料車下降到位，自動卸料，將管件自動放置在配料車，配料車自動輸送工件至焊接工位的上料架上。根據管件調整主從站車體間距，確保管件上料后放置在滾輪架上，調整滾輪間距，確保主從站滾輪間距相同，并符合當前管件直徑要求。上料車自動上料，將上料架管件自動放置到焊接位滾輪架上。鎖緊小車，外焊槍自動提槍到位，滑臺前進到位，調整跟蹤輪的位置，保證跟蹤輪與法蘭接觸點為垂直切線，調整導電體位置，保證導電體與法蘭的緊密接觸。

焊接操作方式分為插接管焊接、對接管焊接，插接管為內外氣體保護焊，對接管分為內外氣體保護焊和內氣體保護焊外埋弧焊兩種方式，在人機界面選擇焊接方式進行焊接。焊接完成后輸送小車自動卸料至成品區。

管法蘭焊接機勢主要特點包如下：

第一，管法蘭焊接機（實型專利號：20110468310.8），通過送料機構和配料機構可實現工件的自動上下料和自動傳輸；減少了行車吊裝等輔助工時，提高了工作效率，同時減少了工件對設備的沖擊，延長了設備的使用壽命。

第二，設備為自動化操作模式，各工位均設有人機界面（觸摸屏）。通過人機界面可以對設備參數和焊接參數進行設置，同時能夠實時監控和查看設備的運行狀態，方便快捷（見圖4）；對于同種工件實現自動對槍，焊接完成后自動退槍功能，可提高批量生產效率；焊接形式中插接形式和對接形式均可實現4槍同時焊接（對接時，內焊槍反面打底，外焊槍正面填充蓋面），大大提高了焊接效率；另外對于鋼管與法蘭的對接焊接，外焊槍設有提槍裝置，可實現不停弧多層焊接，提高了工作效率；控制系統還設有工藝焊接參數庫，可以根據工件參數調用相應的焊接參數，方便操作人員快速掌握焊接數據。

圖1 某用戶車間全自動焊切設備生產線

圖2 切割系統

第三，自動焊接設備具有焊縫的自動補償功能和自動跟蹤功能（發明專利號：201110023079.6），通過檢測法蘭軸向和直管徑向數據可自動調整擺動幅度、焊接電流、電弧電壓等參數，解決了由于中國市場管道原材料橢圓度造成的裝備間隙不均勻問題，避免了焊縫質量不高的缺陷。在焊接過程中，焊接飛濺小，不僅縮短焊接后的打磨工時，而且確保焊縫的均勻一致，從而大大提高了焊接質量并保證了焊接質量的穩定性。而對于鋼管與法蘭的對接焊接，擺動系統采用仿弧狀擺和直線擺兩種方式，提高了焊接質量。管法蘭焊接機中的內焊縫檢測系統如圖5所示。

圖4 管法蘭焊接機自動操作畫面

圖5 管法蘭焊接機中的內焊縫檢測系統

第四，根據鋼管塔工藝需要焊接系統及其硬件外部留有埋弧焊接接口，可隨時根據焊接工藝切換，方便快捷。

（3）連板焊接機器人系統主要由上下料配送輸送線、焊接主機、機器人焊接系統、上位機系統組成（見圖6）。

圖6 連板焊接機器人系統

生產工藝流程：將連板組對定位焊好后的工件自動輸送至連板自動焊接工位，在人機界面中的自動畫面設置并選擇工件對應的程序號。移動兩側夾緊裝置將工件定位，設置到自動狀態，按下運轉準備和主程序起動，檢查工件是否固定可靠。雙手按下啟動按鈕，機器人自動調用相應程序進行焊接，焊接結束后，機器人回待機位置，工件夾緊裝置自動放松，輸送車自動輸送焊好的工件至卸料區。連板焊接機器人系統操作界面如圖7所示。

連板焊接機器人系統優勢特點：該系統采用龍門結構，保證系統在運行過程中機械部分的穩定性。選用日本松下最新推出的弧焊機器人TM1400；工件旋轉采用松下外部軸電機驅動，旋轉平穩，與機器人協調精確； 機器人本體選用新型交流伺服電機，結構緊湊、響應快、可靠性高、運動平滑靈活，效率高，動作范圍更廣泛。

圖7 連板焊接機器人系統操作界面

圖8 TKAS數據驅動系統軟件樣例界面

此外，在連板焊接機器人系統中，我公司研發并成功應用了TKAS數據驅動系統，讀取由通用設計信息（可二維、三維、數據輸入），通過施工焊道生成引擎，登錄想要實施作業的加工路徑，根據實施作業種類選擇機器人動作類型，同時選擇作業的施工條件。生成焊接從程序，輸出機器人動作程序到現場，對工件進行自動焊接。TKAS數據驅動系統軟件樣例界面如圖8所示。

這樣利用計算機上機器人模型，加上離線示教功能，以CAD三維設計為基礎。通過自動生成機器人的動作數據，減輕操作者示教負擔，并使機器人能適用于多品種少量、單品種單臺的生產需求。

4.結語

自動化焊切設備已經成為了電力鋼管塔行業加工生產必不可少的一部分。而且我國電力鋼管塔加工制造企業正在朝自動高效、集控、綠色環保方面轉型，面對日趨激烈的市場競爭，如何提高企業競爭力，提升企業品牌，自動化焊切設備的應用將會是明智的選擇。