中小徑薄壁管氬弧自動焊設備研究與應用

張曉航　黃振華　馮剛強

摘要：對氬弧自動焊設備及中小徑薄壁管氬弧自動焊工藝進行了研究，通過焊接試驗表明，氬弧自動焊設備操作簡單，焊接過程穩(wěn)定，可以提高產品質量和生產效率，降低焊工勞動強度及制造成本，可在中小徑薄壁管焊接生產中廣泛應用。

關鍵詞：中小徑薄壁管;氬弧自動焊;焊接操作機;焊接工藝評定

0 引言

目前大型燃機聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐、垃圾電站鍋爐、造紙廠專用鍋爐的連接管道數(shù)量多、規(guī)格小、管壁薄，國內多采用全手工氬弧焊焊接工藝進行管道的焊接，生產效率低，焊縫質量不穩(wěn)定，亟需研發(fā)新的焊接方法和設備解決以上問題。氬弧自動焊設備操作簡單，在技術人員預先設置好合適的焊接工藝參數(shù)前提下，焊工只需操作功能按鈕便可實現(xiàn)焊接過程的自動化[1]?；谝陨媳尘?，我公司對氬弧自動焊設備及中小徑薄壁管氬弧自動焊工藝進行了研究。

本文主要介紹了氬弧自動焊設備構造及原理，以中小徑薄壁碳鋼管、低合金耐熱鋼管為工藝試驗材料，驗證設備的可操作性和工藝的可實施性，為中小徑薄壁管采用氬弧自動焊工藝進行批量生產提供參考。

1 氬弧自動焊設備構造

1.1? ? 設備整體構造介紹

氬弧自動焊設備主要由焊接操作機、變位機和滾輪架組成，如圖1所示。其中，焊接操作機采用懸臂式機械機構，立柱和橫梁均為整體箱形結構，機械強度高，穩(wěn)定性好，結構緊湊。懸臂十字架的升降和伸縮導向機構均為直線滑軌導向機構，可實現(xiàn)上下、水平運動的協(xié)同控制，運行精度高，具備自動提槍功能，可應用于多種規(guī)格、多種形態(tài)管道的自動化焊接。操作機整體安裝在行走臺車上，可適應不同長度工件的焊接需求，操作機與行走臺車之間連接有手動回轉機構，滿足焊接機頭的回轉和焊接位置的調節(jié)要求。

變位機采用中空卡盤動力頭式設計，夾緊工件后可上下升降調節(jié)，配合兩套托輥滾輪架托舉工件，保證工件軸線與卡盤同軸。變位機和滾輪架為可移動式，道軌鋪設在地面上，變位機和滾輪架可在道軌上移動，移動到位后可手動鎖緊，電機驅動卡盤實現(xiàn)工件的旋轉，與操作機配合實現(xiàn)管道環(huán)焊縫的焊接。焊接電流、電壓、送絲速度、橫臂升降、橫臂伸縮、卡盤轉速等工藝參數(shù)可通過手持控制盒預先進行數(shù)字化設置，焊接過程中也可根據(jù)成型狀態(tài)進行手動操作按鈕的調節(jié)。

1.2? ? 焊接電源與送絲機

焊接電源采用松下YC-400TX直流脈沖弧焊電源，自帶水冷系統(tǒng)和9 L水箱，焊接電流、焊接電壓可實現(xiàn)數(shù)字化控制，該電源具有直流TIG焊、直流脈沖TIG焊、直流手工焊3種焊接功能。電源的脈沖電流、基值電流、脈沖頻率、脈沖寬度可無級調節(jié)，適合各種規(guī)范條件下的焊接要求。

送絲機采用威爾得WF-007A多功能自動送絲機，具有延時送絲、脈動送絲、連續(xù)送絲功能，送絲速度、送絲方式采用數(shù)字化控制。根據(jù)具體的工件尺寸和焊接效率要求，可更換多種規(guī)格的送絲輪、送絲嘴，焊絲盤與焊槍距離較遠，中間采用送絲軟管相連。

1.3? ? 焊接擺動器與弧長控制器

焊接擺動器采用伊道YDBDZ-10擺動器，為自動焊專用直線往返式擺動器，由精密步進電機和蝸輪蝸桿減速機組成，焊接擺動器通過連接機頭電動X軸橫向滑臺，采用直線凹槽導向加滾珠絲杠的驅動方式使焊槍左右擺動。焊槍擺動幅度、擺動速度和兩端停留時間，可通過PLC控制，以預先設定的參數(shù)進行擺動，保證焊縫兩側充分熔合?；焊櫴褂靡恋繷D-951弧長控制器，通過PLC控制弧壓傳感單元和電弧高度執(zhí)行機構，連接機頭電動Y軸縱向滑臺來控制焊槍高度和電弧長短，從而保證熔池成型，獲得均勻的焊縫外觀。

1.4? ? 機頭部位

機頭部位由焊槍夾持機構、送絲夾持機構和電動十字滑臺組成。焊槍夾持和送絲夾持機構可實現(xiàn)對焊槍和送絲角度的微調，電動十字滑臺的有效行程為X軸±50 mm、Y軸±50 mm，按運動方式可分為上下運動機構和左右運動機構。上下運動機構為兩塊帶有卡槽的角鋁，角鋁背面裝有兩個軸承，通過絲杠和滑塊與另一塊鋁板相連，絲杠頂端有可轉動的旋鈕，配合弧長控制器，可實現(xiàn)焊槍上下移動，即在焊接過程中能調節(jié)電弧長短。左右運行機構裝有折彎鋁板，通過絲杠和滑塊與運動機構連接在一起，在絲杠的一端安裝有電機，電機運行時可帶動焊槍實現(xiàn)左右擺動[2]。

2 工藝評定試驗與焊接生產應用

2.1? ? 工藝評定

為了驗證氬弧自動焊對中小徑薄壁管的焊接質量及性能，按照《承壓設備焊接工藝評定》標準（NB/T 47014）進行了3組焊接工藝評定試驗，工藝評定清單如表1所示。由于采用自動氬弧焊時，不能進行定位焊，且設備不具備智能感應焊縫的組合間隙大小的功能，因此，氬弧自動焊對焊接工件的前期制備工作比手工氬弧焊更嚴格。焊接方法主要采用手工氬弧焊加氬弧自動焊的組合式焊接方法，焊接過程為手工氬弧焊打底，自動氬弧焊填充蓋面;坡口形式為V形坡口，焊接電源為直流正接，氬氣純度為99.99%。由于自動焊往往是大電流連續(xù)工作，考慮到焊槍和鎢極的承受能力，選用垂直水冷式焊槍和規(guī)格較大的鎢極（直徑3.2 mm）、瓷嘴（直徑12 mm）。在焊接過程中，較大尺寸的瓷嘴能更好地保護電弧和熔池。其他焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊前可采用空轉焊接操作機和變位機的模擬焊接方式，在手持控制盒預先輸入好焊接工藝參數(shù)后，調整好焊槍與工件的位置即可進行正式焊接。焊接過程為變位機夾緊工件水平轉動，焊接操作機機頭夾持焊槍焊接。氬弧焊為明弧焊接，能觀察電弧及熔池[3]，焊接過程中也可以根據(jù)電弧、熔池狀態(tài)，及時調節(jié)焊接工藝參數(shù)。相比工件在水平固定狀態(tài)下的手工氬弧焊接，氬弧自動焊能保持工件的水平轉動焊接。其技術特點是，焊絲可以連續(xù)送進，焊絲熔敷速度快，減少了焊工換絲或變換姿勢的時間[4]。此外，該設備焊接過程穩(wěn)定，電弧熱量集中，能更好地保證焊接接頭質量。焊接過程如圖2所示。

2.2? ? 試驗結果分析

焊后分別對試件進行了外觀檢查、無損檢測、力學性能試驗和彎曲試驗。外觀檢查結果表明，焊縫表面成型良好，焊縫寬度、余高均勻一致，焊趾處與母材平滑過渡，焊縫區(qū)無明顯熔渣、氣孔、未熔合等缺陷，焊縫表面外觀如圖3所示。射線檢驗報告顯示，焊縫內部未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，檢驗結果完全合格。

此外，依據(jù)《承壓設備焊接工藝評定》標準（NB/T 47014）對焊縫進行了破壞性力學性能試驗。力學性能試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，拉伸斷裂位置均出現(xiàn)在母材部位;彎曲試驗未出現(xiàn)開裂。力學性能試驗結果表明：焊縫各項性能均符合標準要求。

2.3? ? 焊接生產應用

根據(jù)以上合格的焊接工藝評定，我公司編制了氬弧自動焊焊接工藝規(guī)程和焊接作業(yè)指導書，為中小徑薄壁管焊接生產中使用氬弧自動焊設備創(chuàng)造了技術條件。根據(jù)《承壓設備焊接工藝評定》標準可知，GP161對接管件壁厚可適用范圍為5～28 mm，GP164對接管件壁厚可適用范圍為1.5～14.22 mm，GP167對接管件壁厚可適用范圍為1.5～13.1 mm，該標準中對管件直徑適用范圍沒有限制。目前我公司的氬弧自動焊設備正應用于某海外項目中低壓管道的焊接生產中，該項目有700多個焊口，每個焊口都需要經過磁粉、射線檢測，從實際應用效果來看，使用氬弧自動焊設備焊接的焊縫合格率高，在中小徑薄壁管焊接應用中前景廣闊。

3 結論

（1）氬弧自動焊設備操作簡單、易學，焊接過程穩(wěn)定，焊縫成型美觀，能降低焊接工人的勞動強度，提高焊接生產效率。

（2）采用氬弧自動焊設備進行管道焊接，能獲得優(yōu)質、美觀的焊接接頭，焊縫各項性能也能滿足產品標準要求。

（3）在中小徑薄壁管的工廠化焊接生產中，完全可以采用氬弧自動焊設備進行批量焊接生產。

[參考文獻]

[1] 呂健，馬子健，王亮.中俄東線D1 422 mm管道自動焊裝備應用及分析[J].焊接技術，2019，48（6）：61-64.

[2] 張春紅，高開熠，張寧，等.可夾持焊槍的氬弧焊自動焊接裝置[J].焊管，2014，37（9）：47-50.

[3] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 王建軍.長輸油氣管道全位置自動焊接技術探索[J].煉油技術與工程，2011，41（6）：44-46.

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：張曉航（1991—），男，河南許昌人，助理工程師，焊接技術員，從事電站管道焊接生產管理和焊接技術自動化研究工作。