无轨式大口径管道自保护全位置自动焊1.doc

无轨式大口径管道自保护全位置自动焊周 林（中国水利水电第三工程局 陕西安康 725011）摘要：本文介绍了一套适用于大口径管道安装现场的自保护全位置自动焊设备。本设备是按自保护全位置自动焊的焊接工艺要求，以BIPT-3型焊接机器人、MPS-500焊接电源、XG-90LN送丝机进行合成、改装、改造、研发而成。该设备部分实现了智能控制，可适应不规则焊缝的轨迹跟踪，实现多层多道焊的全位置自动焊接。该设备在山西西龙池抽水蓄能电站工地已成功地进行了多对试板焊接，两条管道环缝的无轨道自保护全位置自动焊接。关键词：无轨式 大口径 全位置 自动焊 设备作者简介：周林，男，1961年8月生，陕西石泉人，中国水利水电第三工程局制造安装分局总工程师，中国工程建设焊接协会理事，高级工程师。一直从事金属结构的制造、安装、焊接的技术和技术管理工作。0.前言：大口径钢管、储罐的安装焊接，一直以焊条电弧焊为主，部分半自动CO2气体保护焊或半自动双保护焊为辅的模式进行。在西气东输管线安装中，焊接方法、焊接工艺上有了较大提高，大量采用自保护下向焊，但仍存在劳动强度高、工作效率较低。焊接受焊工操作技能水平和精神状态影响大，存在接头质量不稳定的问题。开发一套适合于大口径钢管安装现场焊接所需的自动焊接设备，探索出全位置自动焊的焊接工艺规程，将为水电、石油、化工、造船、长输油气管道等大口径管道、储罐现场安装焊接的自动化做出有益的贡献。本文介绍的无轨式大口径管道安装现场自保护全位置自动焊设备，在山西西龙池抽水蓄能电站工地已经成功地进行了两道3140、4000的环焊缝的全位置自动焊接。1.无轨式大口径管道自保护全位置自动焊自动焊在世界上已经有半个多世纪的应用，特别是在汽车制造、管道生产等设备制造厂应用已很普遍。由于受各种条件的限制，适合于大口径管、储罐等安装现场的自动焊设备和工艺很少。为了提高大型压力管道现场安装焊接的自动化水平，中国水利水电建设集团公司以790MPa级高强钢压力钢管制造安装及焊接施工技术为题进行了科研项目的立项，其中，大口径管道安装现场全位置自动焊是该课题的主要研究内容之一，作者有幸成为该课题的现场负责人，主持课题的日常研究工作。经过三年努力，采用无轨式自保护全位置自动焊的方法，按双450固定的方式进行了焊接工艺评定试板的焊接。共焊接了5块试板，试板厚度=2060mm，长度L=9001000mm。完成上述焊接评定后，用=22mm的SUMITEN510-TMC控轧钢和=54mm的SUMITEN780调质钢分别卷制了两个试验管节，试验管节的直径分别为3140mm和4000mm。将试验管节按工地的实际安装位置组装、固定，对两条环缝进行无轨式自保护全位置自动焊。焊缝表面成型美观，内部达到级焊缝的质量要求，接头机械性能稳定。1.1.相对自保护全位置自动焊而言，其它自动、半自动焊固有的缺欠大口径钢管安装焊接，未见有全位置自动焊的报道，现在采用较多的是半自动焊，实现全位置自动焊的主要障碍在于：1.1.1.大口径钢管的安装接头，存在有不可改变的仰焊位，故无法用埋弧焊进行焊接。1.1.2.在其它单位进行已经过气保护焊全位置自动焊，由于受焊接材料、焊接热影响区的影响，最大用到620MPa级的热轧钢或控轧钢钢板的焊接，未见对调质钢及更高级别钢材进行焊接的报道。1.1.3.如采用双保护焊进行焊接，焊接材料本身可起到部分掺合金的作用，可以满足材料的强度等级要求，但其成本单位成本居高不下，在焊接量很大的项目中很少使用。1.1.4.无论是采用气保护焊或是双保护焊，都同时存在有需要保护气体等辅助材料。常用的保护气体有Ar气，CO2气，Ar+CO2混合气体，采用气体保护，存在以下缺点：气体的用量大，工程成本会高居不下。盛装气体的辅助设施及工器具较多，现场搬运不便，增加了劳动强度。且气体的生产一般均集中在较大的工业城市，地处偏远的水电、长输油气管道、石油化工的安装现场因气体采购困难，不但成本高，而且会影响工程进度。气体均是高压盛装，增加了施工现场的危险源。有较大风力时，气体则无法起到保护作用，故对焊接的作业环境要求较高，不适合于水电、长输油气管道、石油化工、造船等野外作业的焊接。横焊、立焊、仰焊特别在仰焊位置，易堵塞焊枪，造成焊接中断或焊接质量缺欠。1.2.相对于其它焊接方法，自保护全位置自动焊有以下优点：适合于任何位置的焊接；解决了气体保护焊和双保护焊在仰焊位易堵塞焊枪的问题；采用无导轨光电跟踪技术，操作灵活，对焊口接头的加工没有特别的要求，便于现场装配；设备的重量轻，适宜现场作业；材料品种单一，便于偏远地区的材料采购和管理；操作简单，易于掌握，生产效率高；材料的使用效率高，可达81；焊缝成型美观，热输入量控制方便，易于保证接头质量；焊接电压低，节约能源；改善了作业条件，有利于焊工身心健康。2.自动焊设备简介以北京石油化工学院的轨道式全位置焊接机器人、成都熊谷电气公司半自动自保护焊机为基础，合成了现在的无轨式大口径管路自保护全位置自动焊接设备。该成套设备主要由以下部分组成：机器人主体（焊车）、控制箱、遥控装置、焊接电源、送丝机、软件等。2.1.基本功能性能可靠，结构紧凑，操作简单，动作灵活，维护方便。能够焊接所有的强磁材料。焊接位置：全位置焊接机器人可直接在3000mm钢制球罐、储罐、筒体等焊件表面自由行走，无须轨道支持就可在内外表面进行平焊、立焊、横焊、仰焊的上向、下向、倾斜等各种位置（简称：全位置）的自动焊接。坡口适应：能够适应机械加工、自动或半自动火焰切割出的Y型、X型、U型等各类规范坡口。能够在260mm的任意深度的坡口进行焊接。运条方式：通过摆动机构与焊车运动的有机结合，可实现“弓字”型、“之字”型、“带点之字”型等运条方式。跟踪与排道：具有CCD光电跟踪系统，此系统在焊接过程中实时控制焊枪依照焊缝跟线运动。实现多道多层自动跟踪焊接，跟踪精度1mm，无累积误差。机器人主要技术参数及性能数据见表。2.2.焊接电源及送丝机部分为了适应机械手的操作，对MPS-500焊机进行了如下改造：将弯曲的焊枪改造为了直焊枪，并按机械手的操作要求重新设计了焊枪长度；将原焊机的焊接结束时先停止焊接，后停止送丝改造成了先停止送丝，延时后再停止焊接电流。将所有的开停机、电流电压的调节等，全部集中在焊接机器人的遥控装置之上。该焊接电源及送丝机是使用多年的成熟产品，故在此不多进行叙述。焊缝表面成型（45O爬坡立焊）焊缝表面成型（45O爬坡仰焊）管节横焊表面成型试板焊接（45O爬坡立焊）正在进行管内壁的仰焊位的焊接机器人主要技术参数及性能焊接速度0 - 20 cm/min控制箱电源电压220V或380V, 50Hz焊枪摆速0 - 100 cm/min输入功率3 KW焊枪摆宽0 - 40 mm焊件厚度 6mm焊枪摆动左滞时0 - 3 sec焊枪跟踪精度1 mm焊枪摆动右滞时0 - 3 sec焊件曲率半径 3m焊枪高度调节60mm焊接参数记忆8KB焊件钢种碳钢、低合金钢焊接管径3000mm配备电源型号MPS-500送丝机型号XG-90LN焊枪摆动方式直行、之字、弓字、带点之字2.3.存在的不足智能化无导轨自保护全位置自动焊的焊接设备及焊接工艺虽已基本获得成功，但仍存在不足：设备未批量生产，价格较高；设备的稳定性也有待提高；进行一步降低设备配件、消耗品的成本，如跟踪系统的镜片，应由光学玻璃改为普通玻璃等；进一步提高机器人对恶劣环境的适应性；国产自保护焊丝生产规模还较小，特别是800MPa级高强钢的自保护焊丝，目前国内还无生产，需靠进口，价格高；焊接工艺方面也不完善，需进一步改进，形成通用的焊接工艺规程。3.结论因本焊接方法有适用广泛、操作灵活、易于掌握、管理方便、效率高、能耗低、坡口无特别装配及加工要求、焊接质量优良、劳动强度低、生产安全性好、有利于职工的身心健康等众多优点。随着生产的人工工资不断上涨，工作效率的优势将会突显出来。随着材料及设备生产的发展及批量化生产，其价格必将大量降低，成本的劣势必将大为降低。智能化无导轨自保护全位置自动焊的焊接设备及焊接工艺，它不仅仅用于水电站的压力钢管安装，它在石油化工、造船、长输油气管线、市政等大口径管道、储罐的现场安装