自動(dòng)焊系統(tǒng)控制及設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

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(廣東福維德焊接股份有限公司,廣東 廣州 510663)

自動(dòng)化焊接系統(tǒng)憑借其焊縫焊接質(zhì)量優(yōu)良、防風(fēng)性能較強(qiáng)以及外在施工條件較好等諸多優(yōu)勢(shì),在船舶制造產(chǎn)業(yè)、工業(yè)化工產(chǎn)業(yè)、油氣管道產(chǎn)業(yè)、機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)以及建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)制造等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)模式下的厚板多層多道焊接方式,往往需要一定量的加工坡口,且該坡口數(shù)據(jù)量隨著板厚度的增加而逐步變大,焊接過程所要去除的金屬物質(zhì)也就越多,對(duì)應(yīng)的焊接填充材料也就越多,導(dǎo)致整個(gè)焊接過程工作量較大,且工作效率嚴(yán)重低下,不利于成本控制與管理。隨著當(dāng)代社會(huì)第四代、第五代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的應(yīng)用,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)等的快速推廣,提升焊接效率實(shí)現(xiàn)焊接過程工況數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互而節(jié)省焊材以降低成本,使焊接數(shù)據(jù)和焊接過程上傳云端和終端數(shù)據(jù)設(shè)備的自動(dòng)焊系統(tǒng)在整個(gè)焊接效率提升以及成本保障方面有著不可忽視的重要價(jià)值。在此背景下,本文對(duì)自動(dòng)焊系統(tǒng)控制及設(shè)計(jì)應(yīng)用的探討和研究,也就具備重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 焊接施工特征

焊接工藝是機(jī)械設(shè)備與制造中的重要內(nèi)容,具備施工流動(dòng)性強(qiáng)、施工場地復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣多變、焊接設(shè)備精度要求較高、焊接過程難度較大以及焊接過程干擾因素較多等諸多特質(zhì)。首先,機(jī)械產(chǎn)品制造進(jìn)度不斷推進(jìn),產(chǎn)品焊接流動(dòng)性增強(qiáng),直接導(dǎo)致焊接作業(yè)處于全過程變化狀態(tài)。與固定廠房作業(yè)相比,增加了焊接難度和管理難度,而焊接設(shè)備要求精度較高主要是指焊接設(shè)備及輔助設(shè)備往往要求能在較嚴(yán)苛的外界工況條件下保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2 自動(dòng)焊系統(tǒng)發(fā)展情況

20 世紀(jì)80 年代,我國首次開始在大型球罐體上進(jìn)行自動(dòng)焊接試驗(yàn)研究,到90 年代初,逐步完善了球罐的自動(dòng)焊接過程。在管道工程中,隨著西氣東輸工程以及近年來智慧管網(wǎng)理論體系的不斷成熟,涵蓋管網(wǎng)建設(shè)過程中設(shè)計(jì)、采購、施工、檢測(cè)、運(yùn)行、維護(hù)等全過程的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)與分析等工作,滿足智慧管網(wǎng)建設(shè)的基本目標(biāo),為智慧管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)支撐。在此情況下,傳統(tǒng)手工焊接或半自動(dòng)化焊接方式已然不能滿足數(shù)據(jù)采集及分析要求,自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

3 自動(dòng)焊系統(tǒng)控制及設(shè)計(jì)

3.1 控制調(diào)節(jié)原理

自動(dòng)化系統(tǒng)作為依托計(jì)算機(jī)信息技術(shù)控制的重要焊接系統(tǒng),主要包括焊接電源、電源組件以及兩臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制的焊機(jī)機(jī)頭組件,圖1 即為該焊接系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。當(dāng)焊機(jī)接頭安裝在某一鋼材料導(dǎo)軌上時(shí),焊機(jī)機(jī)頭上方所裝有的直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)中的電流通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)焊接系統(tǒng),根據(jù)已設(shè)定好的速度正常運(yùn)行,而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)時(shí),焊機(jī)機(jī)頭將以另一速度參考值沿整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)材料運(yùn)動(dòng),使步進(jìn)電機(jī)通過減速箱在待焊接物體待焊接處橫向擺動(dòng)焊槍,完成焊槍焊接的整個(gè)過程。在此過程中,自動(dòng)焊系統(tǒng)的送絲和行走電機(jī)上的轉(zhuǎn)速值主要用于監(jiān)測(cè)焊機(jī)中的送焊過程和行走速度,使兩個(gè)參數(shù)值符合預(yù)期目標(biāo),而通過焊機(jī)接頭上的按鈕控制的任意電機(jī)行為,也能夠借助檢查電源方式閉合的情況以及檢查焊機(jī)氣體電磁閥運(yùn)動(dòng)情況開始和停止自動(dòng)焊系統(tǒng)的循環(huán)過程。當(dāng)工作人員利用該自動(dòng)焊系統(tǒng)進(jìn)行焊縫的正確焊接時(shí),在焊縫待焊接位置啟動(dòng)和停止焊機(jī)接頭,通過焊縫處具體位置的橫向距離和縱向距離調(diào)節(jié)方式旋轉(zhuǎn)按鈕,完成對(duì)焊槍的橫向和縱向調(diào)整,保證焊機(jī)焊槍能夠在待焊處坡口內(nèi)的正確調(diào)整,自動(dòng)焊控制系統(tǒng)所具備的存儲(chǔ)和恢復(fù)焊機(jī)參數(shù)信息的功能以及焊機(jī)焊接過程參數(shù)信息功能的正常發(fā)揮,使焊接參數(shù)在輸入后無需進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程機(jī)即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)焊過程。

圖1 焊接系統(tǒng)示意圖

3.2 自動(dòng)化控制的優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)焊系統(tǒng)的自動(dòng)化控制過程,能夠?qū)崿F(xiàn)待焊接物體的高效節(jié)能。由于自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接前需鋪設(shè)小車軌道調(diào)整焊接機(jī)頭運(yùn)轉(zhuǎn)位置,利用焊接參數(shù)把控焊接機(jī)頭的全過程,因此,在焊接前的準(zhǔn)備時(shí)間往往長于實(shí)際焊接過程時(shí)間,但自動(dòng)焊系統(tǒng)的電流密度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際焊接過程的電流密度,表1 即為自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接電流參數(shù)示意,由此可知,利用自動(dòng)焊系統(tǒng)能夠大幅度提高待焊接部位焊機(jī)的實(shí)際融化速度,也就增加了待焊接部位的填充效率,使焊接過程以及自動(dòng)焊系統(tǒng)運(yùn)行過程無需頻繁更換焊條或重新進(jìn)行引弧工作就能從待焊接部位的起點(diǎn)到終點(diǎn),一次性完成所有焊接工作。在此過程中,金屬粉焊接的焊縫過程由于其表面焊渣較少,能夠省去大量的脫渣時(shí)間,使焊接效率大幅度提升。此外,由于自動(dòng)化系統(tǒng)為全位置自動(dòng)焊接方向,能夠利用金屬粉芯作焊接焊絲,焊接坡口更能自動(dòng)根據(jù)焊頭大小以及焊機(jī)可達(dá)性能等,實(shí)現(xiàn)焊縫不同坡口角度的選擇和優(yōu)化。由此可知,當(dāng)將待焊接部位坡口由60°優(yōu)化到40°時(shí),整個(gè)待焊接部位與焊接過程仍舊具備較好的融通性,且焊接過程不易產(chǎn)生其它雜質(zhì),能夠以自動(dòng)焊接材料消耗量減少方式大幅度提升焊接生產(chǎn)效率,達(dá)到節(jié)能的基本目標(biāo)。另一方面,自動(dòng)化焊接過程工藝參數(shù)可控制性較強(qiáng),自動(dòng)焊系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的焊接電流、焊接速度等均由自動(dòng)化控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制,方便快捷,與以往普通模式下的電弧焊相比,焊接過程中的能量數(shù)據(jù)始終處于可控制狀態(tài),能夠有效避免工作人員片面追求效率而導(dǎo)致的損害機(jī)械產(chǎn)品或者焊接工藝參數(shù)記錄不可靠而引起的其他問題。

表1 自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接電流參數(shù)

4 實(shí)際應(yīng)用

利用自動(dòng)焊系統(tǒng)進(jìn)行焊接時(shí),可借助自動(dòng)焊系統(tǒng)的可操作性與科學(xué)性降低工作人員焊接強(qiáng)度,充分發(fā)揮自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能和可控功能,完成項(xiàng)目管線焊接施工任務(wù),為后期該管道項(xiàng)目復(fù)合型坡口和大厚度管壁、較長管道焊接過程的良好形成搭建扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和人員基礎(chǔ)。為進(jìn)一步檢測(cè)自動(dòng)焊系統(tǒng)的應(yīng)用效果,對(duì)焊接后的管道進(jìn)行材料的力學(xué)性能研究,以彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和刻槽錘斷試驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn),探究了該管道項(xiàng)目利用自動(dòng)焊系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。就彎曲試驗(yàn)而言,其試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示,由表可知在經(jīng)過自動(dòng)焊系統(tǒng)的焊接后,八組實(shí)驗(yàn)組僅僅有一組存在著表面裂縫情況,沖擊試驗(yàn)過程如表3 所示,由表可知四組試驗(yàn)組的沖擊功平均值均符合預(yù)期,就刻槽錘斷試驗(yàn)而言,其試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示,可知四組試驗(yàn)組的焊縫截面都不存在明顯缺陷。總而言之,在利用全新的自動(dòng)焊系統(tǒng)后,焊接工作人員在流水作業(yè)后,焊接產(chǎn)品檢測(cè)合格率高達(dá)98.86%,較以往普通焊接模式有所提升,自動(dòng)焊系統(tǒng)也就具備其應(yīng)有價(jià)值。

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 刻槽錘斷試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論與展望

自動(dòng)焊系統(tǒng)具備效率較高、綠色環(huán)保和功能穩(wěn)定、操作便捷等諸多優(yōu)勢(shì),在發(fā)達(dá)國家的船舶制造產(chǎn)業(yè)、管網(wǎng)運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)甚至零部件制造等產(chǎn)業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。我國焊接,尤其是長輸管道焊接仍舊采用手工半自動(dòng)化形式,自動(dòng)焊系統(tǒng)使用頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它發(fā)達(dá)國家,而隨著當(dāng)代社會(huì)設(shè)備精巧度的不斷提升以及自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與創(chuàng)新,自動(dòng)焊系統(tǒng)在眾多產(chǎn)業(yè)中必將發(fā)揮出更大質(zhì)量優(yōu)勢(shì),為我國機(jī)械制造和工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。