鋼管柱全位置自動焊接裝置研究及應用

鄧宗生　張貝

摘要：研發了一種軌道式管道全位置自動焊接裝置，針對現場復雜焊接作業工況改進了密封防塵的水平/高低滑塊、多維調節焊槍擺動機構、齒條式快速拆裝導軌等關鍵機構部件的設計。使用該自動焊裝置進行了多組GMAW管道自動焊接試驗，獲得了成熟的焊接工藝參數，并進行了宏觀金相、拉伸、側彎、沖擊等測試。工藝評定結果表明，該裝置可用于橋梁鋼管立柱的全位置對接自動焊中。目前該裝置已應用于黃陵項目現場橋梁鋼管立柱對接自動焊接作業中。

關鍵詞：鋼管柱;全位置;管道自動焊;GMAW;軌道式

中圖分類號：TG439.9文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0052-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.08

0 前言

管道全位置自動焊時管子固定不動，焊接小車會繞管子整周轉動實施焊接，主要用于石油、化工、建筑、橋梁等管道現場安裝焊接中。由于全位置自動焊的焊接質量好、效率高，是管道現場焊接的發展方向，也是一個研究熱點。

目前管道全位置焊已經取得了一些研究成果，并已應用于生產中。曹俊芳等[1]為解決管道建設野外作業的自動化焊接的難題，研制了一種導軌式管道焊接機器人。王志堅等[2]成功開發了LNG管線全位置焊接系統，并進行了多種焊接方法組合的焊接工藝試驗。吳海宏等[3]開發了超大直徑鋼管內環縫單面焊雙面成型的全位置自動焊接技術，并分析了焊接質量影響因素。許立新等[4]結合船舶制造企業的現狀，從改進全位置焊接小車電源、擺動器和現場工藝等方面入手，解決了應用過程中出現的困難。金玉章等[5]提出了一種軌道厚度和支撐個數的選擇表法，解決了管道全位置焊接機器人環形導軌的剛度與質量優化設計問題。韓贊東等[6]結合路徑示教、參數匹配及參數控制等技術，建立了管道環縫全位置焊接過程自動控制系統，解決了焊接參數的合理匹配和有效控制難題。薛龍等[7]開發出了一套適用于水下管道全位置焊接過程控制的專家系統。鄒勇等[8]研究了一種包括上位機焊接參數管理專家系統、焊接參數液晶輸入輸出模塊、焊接參數手控盒輸入輸出模塊的管道全位置焊接機器人人機交互系統。王克寬等[9]針對工廠化預制管道的焊接工藝特點，利用工業六軸焊接機器人擺動焊接功能對管道進行了全位置焊接工藝研究，獲得了良好的焊接結果。冷小冰等[10]研究了A-TIG在核電管道全位置焊接中的應用，實現了6 mm厚的不銹鋼管道一次焊透，單面焊雙面成型。郭奇超[11]設計搭建了管道全位置超聲-MAG復合自動焊接系統，在選定的工藝參數下完成了焊接試驗。徐祥久等[12]針對SA-335

P91鋼大口徑管環縫，采用軌道式全位置熱絲TIG焊機進行了窄間隙焊接，并對所獲焊接接頭的組織和性能進行了研究。

本文針對中鐵寶橋集團黃帝陵旅游風景區觀光小火車項目鋼管柱現場焊接需求，與北京石油化工學院合作，研發出了一種適用于現場工況環境的管道全位置自動焊接裝備，并進行試驗及應用研究。

1 鋼管立柱特點及焊接要求

1.1 鋼管立柱特點

黃帝陵旅游風景區觀光小火車軌道的鋼管立柱主要采用三種形式，分別為φ750×20、φ1 100×22、φ1 000×22的鋼管柱，材質為Q345D，數量約300根。其結構如圖1所示。

每個立柱高度都不一樣，在橋位現場，鋼管立柱水平定位好后進行全位置對接焊，焊接完成后再豎立安裝。

1.2 鋼管立柱焊接要求

鋼管立柱的主要焊接焊縫有：（1）鋼管立柱接長對接焊縫;（2）下端鋼管立柱與法蘭板周圈K8角焊縫。

對接焊縫設計為熔透焊縫，質量等級為Ⅰ級，接頭設計為背面貼鋼襯墊的V型坡口（見圖2）;角焊縫為T型K8單側角焊縫。

采用CO2氣體保護焊接（FCAW），焊接材料為藥芯焊絲E501T-1L，φ1.2，配CO2氣體，亦可采用經過設備商試驗驗證過的焊接工藝及材料。

為確保焊縫質量，減小返修帶來的施工難度，擬采用軌道式焊接機器人（環形軌道）進行全位置自動化焊接。

2 管道全位置自動焊接系統

根據橋梁鋼管立柱焊接特點，結合北京石油化工學院已有的焊接機器人研究成果，提出如圖3所示的管道全位置自動焊接系統。系統包括自動焊接小車、焊接小車導軌、自動焊接控制系統、焊接操作控制盒、焊接工藝參數管理系統、焊接電源及送絲系統等。

其中焊接小車為自動焊接執行機構，由小車行走機構、橫移機構、高低機構和焊槍擺動機構等構成，可沿導軌自動行走，實施焊接作業。焊接軌道是連接整個焊接系統和被焊接管道的橋梁，由導軌板和導軌支撐螺釘組成，安裝于管道外側。自動焊接控制系統控制焊接小車和焊接電源，同步實施管道焊接作業。焊接參數計算機管理系統與自動焊接控制系統通訊，為全位置焊接過程提供工藝參數控制，焊接電流、電壓和位置傳感器為其提供控制過程反饋信息。

3 自動焊接裝置關鍵機構設計

為使管道全位置自動焊接裝置更加適應現場作業環境，本文對裝置中的幾個關鍵環節進行了改進設計。

3.1 密封防塵的水平/高低滑塊設計

管道全位置自動焊接小車本體上搭載用于控制焊槍水平和高低位置的二維滑塊。其中水平滑塊直接安裝在焊接小車行走機構上，用于控制焊槍的左右偏差。高低滑塊與水平滑塊一端連接，用于控制焊槍的高低偏差。由于焊接過程中存在大量的煙塵和粉塵，為延長滑塊使用壽命，確保設備正常工作，需要對水平/高低滑塊進行密封防塵設計。

設計的絲杠密封裝置如圖4所示。將滑塊外接的“工字形”連接板的上表面中部區域加工成一段圓弧面，圓弧面上端壓一細長條帶鋼，帶鋼兩端固定在整個密封裝置的兩端;其余非運動連接區域用薄鋁板封堵，兩端均用螺釘緊固。在“工字形”連接板帶動外部機構往復運動的過程中，壓在“工字形”連接板圓弧上表面的帶鋼的隆起部位隨著滑塊的運動而做相應改變。由于整個密封裝置表面除帶鋼以外的部分均被完全固定密封，而圓弧引起的帶鋼的細小隆起因圓弧面的過渡作用以及連接蓋板和帶鋼壓板對帶鋼的壓緊作用，也對內部的絲杠起到了很好的密封作用，從而使得整個裝置達到了絲杠防塵密封的目的。

該密封裝置不僅能有效實現絲杠的防塵隔離密封，且密封件的結構緊湊，能較大地延長絲杠在高溫、高輻射等惡劣工作環境中的使用壽命。

3.2 多維調節焊槍擺動機構設計

焊槍擺動機構與高低機構相連，用于在焊接過程中夾持焊槍，與行走機構配合，實現特定擺姿的擺動焊接。通常焊槍擺動機構包括與高低滑塊機構連接的連接板、角擺器、角擺器電機以及焊槍夾持件。角擺器直接夾持焊槍進行直線或弧線擺動，這樣僅能在一個維度上直接地調整焊槍位置，不利于焊接過程中焊槍位置的微調控制。

本文設計了一種可以多維度調節焊槍位置的焊槍擺動機構，如圖5所示，包括連接板、角擺器、角擺器電機、焊槍夾持件以及半工字形框架。該半工字形框架包括上板、下板和底板，并通過底板安裝至連接板上，其中上板和下板之間安裝一立軸，使轉塊能夠繞立軸軸線轉動，角擺器固定在轉塊的側表面上，角擺器電機固定在轉塊的上表面上。

利用上述結構，角擺器可以在R1向上調整焊槍位置，帶動焊槍進行直線或弧線擺動。轉塊相對于立軸轉動，可以在R2向上即繞立軸軸線轉動的方向上調整焊槍位置。此外，采用可在連接板上轉動的框架轉動機構，可在R3向上即繞垂直于連接板的線轉動的方向上調整焊槍位置，從而實現夾持在擺動器上的焊槍多維度調整。

3.3 齒條式快速拆裝導軌設計

設計的管道全位置自動焊接裝置配套齒條式快速拆裝導軌如圖6所示，采用兩個半圓形結構，利用合頁連接，并在合頁連接的軸向對應點安裝簡便快捷的鎖緊裝置，便于現場安裝。

導軌由本體、齒條、合頁裝置、兩側導軌鎖緊裝置以及焊接小車行走輪導向環道組成。導軌本體和焊接小車行走輪導向環道的軸徑尺寸適應配合管道的軸徑尺寸，焊接小車行走輪導向環道的寬度按用戶需要或焊接小車行走輪的尺寸來確定;左合頁、右合頁由兩條內插銷軸連接構成合頁裝置，并與導軌本體通過螺栓進行連接;鉸支座、鎖緊齒以及由鎖緊上扣和鎖緊下扣，由銷軸連接構成的鎖緊扣通過提拉螺栓連接組成兩側導軌鎖緊裝置，并與導軌本體通過螺栓進行連接，如圖7所示。

4 管道全位置自動焊接試驗及應用

4.1 管道全位置自動焊接試驗

管道全位置自動焊接裝置在正式應用前進行了大量工藝試驗研究。

全位置焊接試驗試件規格為φ750×20鋼管，材質為Q345D。V型坡口，坡口角度45°，采用機械加工，鋼襯墊。焊接方法為直流GMAW，保護氣體CO2，氣體流量為15～18 L/min，焊絲為ER50-6，直徑為1.2 mm。焊接電流130～160 A，電弧電壓20～24 V，焊接速度7～16 cm/min。

焊接順序及焊道布置如圖8所示，鋼管全位置焊接時共焊6層，后一道焊縫焊接方向與前一道相反。

全位置自動焊接場景和焊縫成形如圖9所示。

按NB/T 47014-2011規定對焊縫進行取樣，并進行宏觀金相、拉伸、側彎、沖擊等評定試驗，如圖10所示。評定結果表明，所焊焊縫合格。

4.2 橋梁鋼管立柱全位置自動焊接應用

本文研制的新型管道全位置自動焊設備已在黃陵項目現場橋梁鋼管立柱對接自動焊接作業中應用，如圖11所示。該設備性能穩定、軌道輕型化，操作簡單、適應性強，焊縫成形良好、焊接質量優良。

5 結論

本文研發了一種軌道式管道全位置自動焊接裝置，針對現場復雜焊接作業工況設計了密封防塵的水平/高低滑塊、多維調節焊槍擺動機構、齒條式快速拆裝導軌等關鍵機構部件。

采用該全位置自動焊接裝置進行了系列管道自動焊接試驗，工藝評定結果表明，該裝置可用于橋梁鋼管立柱的全位置對接自動焊中。目前該裝置已應用于黃陵項目現場橋梁鋼管立柱對接自動焊接作業中。

參考文獻：

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