管道全自动焊接技术及工艺研究

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摘要：介绍全自动焊接技术包含的发展情况，自动控制系统、传动机构及焊接参数的确定是全自动焊接技术发展的关键，分析埋弧自动焊和焊丝加气体保护焊的工艺控制。

关键词：管道 自动焊接 工艺

管道安装主要靠焊接技术，焊接工艺直接影响管道安装的好坏，随着工业自动控制研究的进步，全自动焊接技术逐渐成为管道焊接的发展方向，管道的全自动焊接指的是在事先固定好管道的情况下，焊接机器人通过程序控制烟焊缝自动沿着轨道焊接管道。采用全自动焊接技术能够提高焊接效果，保证焊接质量及减少工作强度。

1 全自动焊接技术现状及发展

先进普遍使用的全位置自动焊技术的主要困难是：①管口的缝隙大小一致性差，需要焊接机器人自动调整焊枪，跟踪焊接。但是焊接中的使用环境恶劣，强弧光、高温、烟尘都会影响传感器的反馈，影响焊接质量；②自动机器人在每个焊缝都需要调整工艺参数，才能保证焊接质量；③传动机构在焊枪的震动中响应不够迅速。

另外，在焊接规范参数的自调节方面，目前所具有的自动焊设备，均建立在焊前大量试验数据的基础上，并且所建立的数学模型均与实际存有很大出入，这样不但使焊前准备工作过程复杂化，自动焊设备适应性降低，而且在焊接过程中所调节规范参数的合理性，即焊接质量得不到保证。其次，目前的自动焊设备的摆动机构大多采用摆钟式原理，即摆动机构左右等幅交替摆动，针对各执行机构的传动误差，尤其是具有频繁换向需求的摆动机构所带来的换向耦合误差无能为力，从而造成误差的累积，使摆动的中心偏离实际焊缝中心，焊接熔池位置偏离焊缝。

另外，程序的调节参数依赖的实验数据与实际情况比常常有很大偏差。使得工程人员调整自动焊接机器人的难度加大。自动焊接设备执行机构的误差难以消除，焊缝会偏离焊口。

新型管道自动焊技术具有如下三方面特点：

1.1 管口焊缝的自动跟踪系统包括管缝位置检测与焊枪位置纠正。其中传感器与机械执行器的精度是跟踪系统优劣的关键。能适应焊接过程恶劣环境的传感器主要有电弧传感器和生锈传感器。电弧传感器的优点是可靠性好，缺点是易受干扰，灵敏度、精度等达不到要求。声学传感器的抗干扰能力强且可靠耐用，但对管道表面要求高，传声介质还会影响其精度。

1.2 焊接参数自调整系统主要实现随管缝位置变化自动调整焊接规范参数，保证焊接质量。每个焊缝的熔池都不相同，造成焊枪运动轨迹没有规律，焊接的参数需要能够适应这种变化。焊接机器人的移动速度、送丝速度、焊枪摆震频率的确定方法如下：垂直中分管口圆。两个半圆定数反向等分，确定焊接点。在实验的基础上获得理想的焊接电流、电压、移动速度、送丝速度、摆动频率等。计算机以理想数据为基准结合现场实际情况后得出真实参数。参数间有固定的变量关系，移动速度、送丝速度、焊枪摆震频率、焊接电流、电弧电压同时调整才能保证数据准确。

1.3 降低自动机器人的机械传动机构误差。焊枪采用摆动机构，摆钟原理的优点是结构简单，但机构动作累计误差越来越大会使摆心偏离焊缝。光电传感器只记录一次摆动的误差，能有效消除换向误差和误差积累。交流伺服电机与测速码表提高运动精度。另外电位器传感器能提高反馈信号的精度等都是降低误差的有效途径。

2 焊接机器人

焊接机器人是使用最多的工业机器人，在各类机器人中所占的比重最大。用于管道焊接的机器人一般都有预定的焊接轨道。机器人的焊枪沿着预定的轨迹对管口或管道裂进行动作。运用聚氨酯材料来进行处理，管道预留口及缝隙要用水泥石棉来打造密实或者油膏镶嵌密实法来处理；对于施工设备、材料及配件要严格控制，对于每道工序都要进行验收，在重要收口位置及交接处，要进行水泥护根处理，可运用聚氨酯防水材料来反复涂刷，以保证无裂缝出现。它由行车机构、传送机构、焊枪控制器等组成。行车机构一般都是采用电力驱动机械传动。由控制计算机发出的运动指令，并通过电气执行器的调节反馈保证机器人的运动定位准确、速度均匀。传送机构负责传送焊接所用的焊丝，送丝的速度要满足焊枪消耗的速度，反馈灵敏，驱动灵活。焊枪控制器调节焊枪的轨迹。能够及时调整焊枪的位置及姿态。实现针对焊缝轨迹的全角度调节。焊接机器人的以上部件都由计算机和传感器通过程序自动控制与反馈调节完成自动焊接。在需要时也可人工调节焊接过程。

3 焊接轨道

轨道的作用是给焊接机器人完成焊接动作提供固定运动方向和定点的设备。它应该具有高稳定性和较高的尺寸精度。一般来说焊接轨道都有如下的特点：安装简便、调整性强、定位准确、结构简单、质量小；力学性能稳定，材料抗磨损、耐腐蚀。按轨道的力学性能把轨道分为刚性轨道和柔性轨道两种。刚性的轨道不易变形定位准确。能够保证机器人行走稳定，焊接时焊枪的抖动小，但是刚度大的材料造成轨道质量大，安装和拆卸复杂。柔性轨道不能提供好的精度要求，但是拆装容易。

4 送丝方法

焊丝通过传送机构提供焊枪消耗的焊丝，一般要求送丝均匀性好。焊丝有推送和拉送两种形式。拉送焊丝的焊丝机靠近焊枪安装，这种方式传送阻力小，送丝均匀度高。缺点是安装与拆卸复杂，造成机器人重心偏离，行走不平稳。通常拉丝方式只在小直径小盘焊丝时应用，焊接效率不高。采用推丝方式时，将送丝机构和焊接机器人分开安装，减轻了行走机构的体积和重量，增加了焊接的稳定性，并且能够使用效率高的大直径焊丝。推丝时的送丝机与焊枪直径必须用软管连接，送丝距离长且摩擦阻力大，并且软管的弯曲程度直接影响送丝的稳定性。严重时造成送丝堵塞现象。

5 焊接工艺

当前，国内管道焊接除采用手工焊接外，采用较多的是埋弧自动焊接和气体保护自动焊接工艺。

5.1 埋弧自动焊有质量稳定、焊接成材率高、效率高、经济性好等特点，埋弧自动焊常用于双管联接，可以把焊枪固定，利用管子转动来实现。显然此工艺不适合长距离管道焊接，所以只能用于厂家的预制阶段。在施工中如果使用埋弧焊，那么要附加焊剂的辅助设备，使得焊接机构结构繁琐，操作的工艺性和装配工艺性都变差。还有就是运动机构的重量增加，影响重心的稳定性。埋弧焊不适宜施工全阶段的自动焊接。

5.2 药芯焊丝加气体保护焊需要多次成型工艺，药芯焊丝产生的焊渣需要多次清除，生产效率不高，采用强迫成型时需要加入带有水冷设备的成型部件，又带来重量增加造成的稳定性问题，此外药芯焊丝和保护气体都带来成本上升的问题。

5.3 采用实芯焊丝加气体保护的焊接工艺，工序中没有清理工序，生产效率高于药芯焊丝焊接。可选的保护气体分别是CO2、CO2和Ar气体或者CO2与O2的混合气体，选择余地多，其中焊接最稳定的是二氧化碳混合氩气焊接，但是氩气的来源少，价格高不适合大型工程应用。长距离焊接选择二氧化碳保护较为经济实用。

6 控制方式

焊接机器人的变量参数主要是其移动速度、焊丝传送速度和焊枪的震动幅度，焊枪的位置可以不变。焊接点的确定方法是等分圆周法，焊缝的焊接参数通过试验的理想参数配合实际的操作情况进行规律调整。送丝速度、焊接机器人速度与焊枪震动之间的相互协调能保证焊接质量。

7 结论

目前，在管道焊接市场中竞争异常激烈，要想占据一席之地，只有优质、高效、经济才是必由之路，也就必须选择先进的设备和提高工艺水平，本文提出采用机器人自动焊接是未来的发展方向。

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作者简介：张福（1962-），男，辽宁昌图人，教授，研究方向为机械制造装备及制造技术。刘敏（1975-），女，黑龙江嫩江人，讲师，研究方向为机械制造。