【《国内外超长圆管堆焊技术的发展现状文献综述》4600字】

国内外超长圆管堆焊技术的发展现状文献综述1.1堆焊技术综述堆焊技术是焊接领域的一种表面加工技术，经常使用在在石油化工和机械制造中。堆焊所消耗的材料的量非常巨大，成为了衡量一个国家堆焊实力的重要指标[8]。堆焊就是把一种具有耐磨、耐腐蚀的材料通过焊接的方式附着在被加工件的表面，使被加工件获得本来没有的性能。表面堆焊可以结合两种金属材料的优良特性，只在表面层上堆焊需要的高性能材料，而大部分的零件只需要普通材料就可以，不仅能提高性能，还能够压缩生产成本。与普通的焊接相比，堆焊也有它自己的特点。堆焊属于金属的再制造工艺，两种材料是熔覆结合的，具有比普通焊接强数倍的强度，二者不易分离，所以被加工零件才有良好的耐磨性[9]。在生产中，可以根据对于被加工件的需要进行选择合适且经济的材料进行堆焊，给加工带来了很多可能。常用堆焊方法包括氧乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、手工电弧焊。常用堆焊方法的比较如表1.1所示。随着新的技术和资本涌入堆焊领域，一大批新的堆焊方法被研制出来。比如高效电弧堆焊、多丝焊、宽带极堆焊、电渣堆焊、粉末等离子弧堆焊、高能束粉末堆焊等的堆焊方法都在不断进步和提升，近十年中高能束加工也是日趋完善，其中激光堆焊获得了十分重要的应用[10]。激光堆焊的优势在于能够精准控制堆焊温度，堆焊层厚但热变形小，所以堆焊的质量能够得到最大程度的保证[11]。但是激光堆焊和高能束加工最大的缺点就是其造价很昂贵，在工业生产中很难被普及，仅仅在一些需要高精度的加工中才需要使用。表1.1常用堆焊方法比较堆焊工艺一般熔敷率

(kg/h)最小稀释率(%)最小堆焊层的厚度（mm）焊材状态氧乙炔焰堆焊0.5~1.81~150.8棒等离子弧堆焊0.5~6.80.5~6.80.25粉末埋弧自动堆焊4.5~11.330~603.6丝手工电弧堆焊0.5~5.410~203.6棒电渣堆焊15~7510~202.4棒1.2国内圆管堆焊技术发展现状我国在80年代以前的堆焊领域基本是空白，在80年代引进国外堆焊机后我国的堆焊事业发展飞速。特别是进入21世纪以后，我们已经能够自主研发堆焊设备，可以适应多种零件和装备的表面堆焊。目前我国明确自主研发，以中国制造2035为纲要，研制了一批自主品牌的堆焊设备，使堆焊能力大幅提升。以下是管道堆焊的发展：经历了7个月的研制，第一重型机械厂成功研制出国内第一台小型薄壁内壁堆焊机，实现了圆管内壁的自动堆焊，解决了人工堆焊质量不佳的问题[13]。哈尔滨焊接研究所率先提提出将超长圆管切割成几段，再对这几段圆管内壁进行自动堆焊，最后将短管焊接组成超长圆管的方法，在一定的历史时期，这个方案具有一定的可行性，但需要经历切割、堆焊、装焊等多个过程，生产周期长，且焊口容易开裂[14]。当今的零件堆焊都是采用堆焊专机进行堆焊，需要加工的零件都有与其配套的堆焊专机。所以需要研制与超长圆管内壁堆焊相适应的堆焊机，虽然研制需要花费财力物力，但是堆焊效果和收益是十分可观的。目前我国的内壁堆焊机还在设计研究中，特别是针对超长圆管内壁堆焊的研究更少[15]。超长圆管内壁堆焊机是针对超长圆管内壁堆焊而设计的焊接专机，只完成圆管内壁的堆焊任务。堆焊机能够使圆管自主转动，同时配合堆焊机构完成堆焊。上世纪80年代，我国的焊接装备研制开始起步，但是生产的装备并不理想，只能完成一些基本的加工任务，包括低自动化的焊接机构、互换性差的变位机等[16]。堆焊工作台在我国工程机械行业，已经有了比较迅速的发展且逐渐获得大家接受和认可，但是却很少有专著去论述堆焊机，甚至对于堆焊行业的一些标准化定义尚未确定。目前，国内的超长圆管内壁堆焊机功能日趋完善，向着多功能、智能化方向迈进[17]。天津鼎盛集团有限公司、无锡亚帮、长沙海普有限公司等公司生产的堆焊工作台在国内占有很大的市场[18]。根据数据显示，国内的电焊机、焊接设备生产企业有40多家，其中的大部分都具能够自主研发设计，能够自主生产一整套自动焊接装备，这些设备的总利润达上亿元。中国第一重型机械股份公司联合变位机，配有伸缩式堆焊操作机，能够使焊头在圆管中360°转动，但是很可惜这种变位机只有一个自由度，堆焊质量不能达到工作需求。中石化炼化工程集团股份有限公司的实用专利是一种超长圆管内壁堆焊装置，这种装置的回转平台与焊枪配合，旋转装置可使超长圆管与焊枪始终处于相互垂直的工作位置，保证了整个弯管内壁堆焊都处于平焊位置，即焊枪的堆焊位置始终在超长圆管的最低点，使得到的堆焊表面质量得到提升，率先应用圆管的回转变位完成堆焊。唐山开元特种焊接设备有限公司设计了一种夹具变位机，将超长圆管夹持住，使超长圆管持续回转，完成自动化堆焊。国内堆焊机的结构大多包括堆焊滚轮架、堆焊变位机、堆焊操作机、机头自动跟踪系统及焊剂的输送与回收装置等部分组成。堆焊滚轮架[19]：滚轮架是实现自动化堆焊的一种重要设备，其实物图如图1.2所示。滚轮架转动速度就是工件的转动速度，也就是系统的堆焊速度，是影响最终堆焊表面质量和效率的重要装备。另外，在进行超长圆管内壁堆焊时，超长圆管需要在滚轮架上持续不断的旋转上百次。所以堆焊滚轮架要能够在工作过程中，均匀稳定的转动。因为主动滚轮架和被动滚轮架的不能保证被安装到同一个重合的平面上，并且超长圆管的外表面也并不是没有起伏的圆柱几何体，管的各部分中心线也不一定在一条水平线上，所以在实际加工是，圆管在滚轮架上转动时一定会产生我们不需要的轴向或径向位移。对于超长圆管内壁堆焊来说，为减少焊件在堆焊过程中的轴向位移，使堆焊层分布不均匀，需要增加防止轴向位移装置。这种滚轮架和普通堆焊滚轮架相比，优点在于加装了能够灵敏的感知轴向运动的位移传感器以及和传感器相匹配的plc系统和阻止位移的机构。常见的防轴向位移的机构有偏转式、升降式和平移式三种。堆焊滚轮架不能独立完成堆焊，需要配合操作机一起工作，才能完成对于超长圆管内壁的堆焊。因此要在滚轮架的合适位置开口，预留出滚轮架与操作机的接口。图1.2堆焊滚轮架堆焊变位机[20]：与堆焊滚轮架一样，需要与堆焊操作机一起工作，能够自动堆焊形状比较复杂的工件，比如封头的内壁、封头接管和90°弯管内壁等。将堆焊变位机、堆焊操作机与带极堆焊机头配合使用，进行超长圆管内壁的带极堆焊。堆焊操作机[21]：在堆焊领域，主要有机械臂和操作机龙门操作机，龙门式操作机由一根大横梁作为轨道，可以满足重型机械的堆焊，但是体积太大，不方便操作，所以生产中常用的是伸缩臂式的堆焊操作机，其实物图如图1.3所示。该装置的包括底座、立柱、横柱，横柱可以伸缩和旋转，不仅能对内表面堆焊，还能堆焊外表面。伸缩臂操作机，立柱的下面与一个能够旋转的底座相连，能够在360°范围内旋转，同时底座下面用螺栓连接小车，可以沿着导轨平移。操作机需要与被加工件相适应，才能更好的完成堆焊，生产中的堆焊操作机规格（水平位移m×竖直位移m）从4×4到10×12.5不等。焊接电源等都安装在能够移动的小车上，带着整个堆焊实现机构平移，所以可以堆焊不同类别和形状的零件。小车的质量要足够大，并且要有一定的刚度，才能使堆焊手臂运动的稳定同时对焊头提供保护。横梁大多是由方钢管焊接而成的方形结构，即使是经历长久的重力的作用以及磨损的，轨道都不产生变形和断裂。图1.3伸缩式堆焊操作机1.3国外圆管堆焊技术发展现状国外的堆焊机设计不仅在理论上领先国内，实际的加工生产中也是远远超过国内水平。国外对于堆焊机研究较早的是D.W.Kim、AnatoiyPashkevicha，他们将逆运动的研究方法应用于堆焊机的设计之中[21-23]。韩国学者HoYu，Won-jongKim等研发的堆焊机有着很明显的优点，包括占地空间小、功能完善、同时它可以完成上下、前后、左右的移动，能够对复杂的工件进行堆焊[24]，如图1.4所示。图1.4堆焊台国外一些机械制造企业也在不断摸索堆焊机的设计研发，如日本松下公司[25]采用模块化的方式生产堆焊机，包括滚轮架、变位机，操作机等，同时还有各种夹具、动力机构，这些不同的模块组合在一起，可以适应不同的加工需求，形成一套互换性极强的产品。美国的Aroson主要的业务领域是重型堆焊机，其生产的堆焊机种类丰富，能够承受很大的载荷，回转平台包括翻转结构、回转结构，堆焊操作机也有机械臂式和轨道式。比较著名的奥地利的Frounis公司，是专门做焊接业务的企业。在堆焊机的设计制造中十分有名。生产的堆焊工作台精度高，结构小。Compact

Cladding

Cell作为高端堆焊系统如图1.5所示，仅占地4.5

m2。结构设计非常紧凑，所以可立即使用；系統控制器和电源之间的全数字通信，以确保最大的过程可靠性；通过伺服控制轴精确定位焊枪；在钻孔中放置焊枪时，采用LED照明以获得最佳可视性。图1.5Compact

Cladding

Cell堆焊系统其生产的堆焊系统如图1.5所示，它采用堆焊机器人在穿过超长圆管的钢丝绳上直线运动，机器人的前端机械手回转完成对于超长圆管内壁的堆焊工作。输送管堆焊系统配置有HMI-T10系统控制器、ArcView视觉系统、液压电缆张紧系统、自动化TIG针对输送管道内管堆焊的焊枪和送丝机输送装置。图1.5Frounis内壁堆焊系统综上所述，在堆焊机的设计研究领域，国外的理论和加工水平都高于国内，处于领先水平。与国外相比，我国圆管内壁堆焊设备在设计理论，方法等方面还都处于发展初期，设计方法大多是借鉴国外的高水平产品，没有自主研发的实验环境；机械制造装备稀缺，生产的产品精度和自动化程度都不高；真正由一家公司生产的成套产品少之又少。与国外的技术相比，我国的主要的差距在于研究设计的实验水平低，起步较晚所以加工不高。并且我国缺少高智能的尖端产品，不能够满足国内化工、石油行业的需求。国外发展方向为结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高，大大节约了安装、基础和调试费用，并且不断开发变工况条件下运行的堆焊方式。在产品设计时，国外应用许多CAD软件和ANSYS有限元分析软件等来模拟设计，能够精确计算出堆焊机在正常的工作状态下的一些指标，使新产品的开发变得容易起来。但是我国正在努力缩小这些差距，很多大学和研究所都开始着手研究堆焊机。参考文献郭明玄.90°弯管内壁堆焊工作台的研究与设计[D].西安建筑科技大学,2018.吴军.耐高温高压阀门密封面数控堆焊机的研究[D].燕山大学,2014.杨松.锅炉压力容器制造常用焊接设备及焊接材料概述(上)[J].机械工人(热加工),2007(09):28-33.凌星中,徐见平.双金属复合管[P].中国：CN2777320,2006-05-03.张西雷,马庆乐.双金属复合管焊接工艺研究[J].焊管,2016,39(1):45-48.闫宏伟,谷文,高殿宝.圆管先堆焊后热成形技术J].压力容器,2014(7):70-73.屈贤良.椭圆形轨迹检测机构及控制系统的开发[D].上海：上海交通大学,2013.SuwanpinijPiyada,HübnerMartin,ChoeychomPanita,ThonondaengThanaporn,SuksawatBandit,KummaParinya,LothongkumGobboon.OntheSurfaceWeldingofPearliticRails:TheControlofDilutionandMicrostructure[J].DefectandDiffusionForum,2020,5976.YangJihui,AiyitiWurikaixi,JiangHoufeng,ShanJialu,ZhangYutao.Evolutionofmoltenpoolmorphologyandpredictionofinclinedcladdinglayermorphology[J].OpticsandLaserTechnology,2021,142.王东峰.弧焊机器人螺旋桨堆焊修复技术[J].金属加工(热加工),2020(12):8-12.雷万庆,杨松,杨文健.压力容器制造行业焊接、热处理技术的发展[J].大型铸锻件,2004(2):44-50.林尚扬,于丹,于静伟.压力容器焊接新技术及其应用[J].压力容器,2009,26(11):1-6.邵庆忠.我国第一台小薄壁管内壁堆焊机研制成功[J].重型机械,1988(9):25.李平.臂架翻转设备设计及无线遥控技术应用研究[D].长沙:中南大学,2012.张见全,高顶.座式焊接变位机的改进[J].煤矿机械,2012,33(11):184-185.陈利.智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发[D].兰州理工大学,2007.李志慧.大型堆焊变位机关键技术研究[D].天津：河北工业大学，2006.李章龙.小口径阀门内环缝自动焊设备的研究[D].甘肃：兰州理工大学，2011.KimDW，ChoiJS，NnajiBO.Robotarcweldingoperationsplanningwitharotating/tiltingpositioner[J].InternationalJournalofProductionResearch，1998,36(4):957-979.PashkevichAP，DolguiAB，SemkinKI.Kinematicaspectsofarobot-positionersysteminanarcweldingapplication[J].ControlEngineeringPractice，2003，11(6):633-647.FernandezK，CookGE.MethodOfAutomaticDow