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现代轨道式自动焊接技术的新发展（上）
作者：珠海固得焊接自动化设备有限公司 陈裕川
摘要：本文简要地叙述了轨道式焊接 技术的发展概况，主要应用领域及其工艺特点。系统地论述现代轨道式自动焊接设备的基本构成、功能和技术特性。详细地介绍了管道接头轨道式自动焊接技术——全位置焊接机头和焊接过程的程控技术以及为确保接头质量而开发的实时数据采集系统。最后列举了各工业部门成功的应用实例。
采用轨道式焊接技术最根本的原因在于，一方面大多数管件必须在弯制成形后进行焊接，在这种情况下，管件在焊接过程中不能绕其自身的轴线转动，而必须借助焊接机头旋转完成焊接过程。另一面大型装备管路的安装中，管件组装定位后，必须在原位进行焊接，此时，管子固定不动，只得通过机头的运动进行焊接，通过分析可知，当待连接管件水平固定时, 焊接机头和焊枪作360°旋转过程中, 其焊接位置将从平焊-立向下-仰焊-立向上不断地变化，即进行所谓的全位置焊，如图2所示。其焊接难度是可想而知的，加之工程上所采用的管件规格，管径和壁厚的变化范围十分宽广, 这就加大这种焊接技术的复杂性。因此，为确保接头的高质量，目前轨道式焊接设备已全面采用当代最先进的计算机控制技术，实现了焊接过程的全自动化。图3示出现代轨道自动焊管机全貌。
2发展概况
在我国，于90年代末，国内多家企业开始通过技术引进和中外技术合作等方式研制轨道式自动焊管机，试图实现这类高技术自动焊管设备的国产化。经过多年坚持不懈的努力，目前昆山华恒焊接股份有限公司和苏州工业园区华焊科技有限公司已能批量生产各种类型的轨道式自动焊管机，基本上满足了国内市场的需求，图5示出昆山华恒焊接股份有限公司生产的轨道式自动焊管机在电站锅炉集箱管排组焊中的应用实例。
多年的实际生产应用证明，国产轨道式自动焊管机的技术性能和质量指标已接近或达到国际先进水平。
3.2食品、乳品和饮料加工设备
3.3制药设备和生物工程
3.4半导体器件生产设备
3.5石化装备
化工装备的使用寿命与化工厂的经济效益休戚相关，而前者直接取决于焊接接头的质量。因此，相应的设计标准、制造法规都对焊缝质量规定了严格的质量控制程序，并要求对焊接过程和焊缝质量的可追踪性。
3.6火电和核电装备
其中约有一半以上的管子接头（包括总装接头）需采用轨道式自动焊管机进行焊接。图13示出电站锅炉受热面部件管子接头轨道式自动焊接的实况。
为提高工作效率，一名操作工往往同时操纵多台自动焊管机，如图14所示。
电站锅炉的主蒸汽管道和核电站的一次回路和二次回路采用了各种规格的大直径厚壁管，这些管道大部分需在安装位置进行焊接，现场施焊难度较大。为保证这种管道接头的焊接质量，目前正在逐步推广使用轨道式自动焊管机。图15示出大直径厚壁管对接接头轨道式自动焊接实况。
电站锅炉和核电装备的安全性是至关重要的，因此，相关的制造法规对焊缝质量提出了十分严格的要求，而且其制造过程必须接受国家质量监督部门的全程监控。要求建立完整的质量记录文件，包括焊接全过程的工艺参数记录卡。为此，现代轨道式自动焊管设备都装有实时数据采集、储存和打印系统，为这类重大工业装备制造质量的监控，提供了方便而有效的检测手段，并保证了质量记录的真实性。图16示出装有实时数据采集系统的轨道式自动焊管机全貌。
4工艺特点
4.3电弧能量的控制
由图18可见，直流低频脉冲电流在脉冲峰值电流与基本电流组合的交变电流。峰值电流lP持续时间为tP，在此期间内，焊接熔池的体积增加到最大值，并产生一定的熔深。而在tG时间内，焊接电流降低到较低的基本电流，亦称维弧电流。电弧能量减小，使焊接熔池冷却，熔池体积缩小到最低值，同时减弱了熔池重力的影响。轨道式焊接时，可以按照待连接管件的规格（管径和壁厚），适当调整脉冲电流参数 ——IP、tP、IG、tG，达到最佳的焊缝成形。
图19示出管子横截面周长典型的划分方法，即将其等分为4个区段。每个区段为90°。第一区段从D点开始，即从10：30至01：30结束，以此类推。不同区段相对应的焊接位置如下：
5.2 对轨道式自动焊接设备的技术要求
5.3.2 焊接电流的控制
钨极氩弧焊时，最常用的引弧方法是高频电流引弧，但高频电流会对设备的电子线路产生严重的干扰，且对人体有害。因此，现代轨道式自动焊设备都改用高压引弧法，即在引弧的瞬间，在电极和工件之间加上50Hz,10kV高压脉冲，持续2微秒。这种高压脉冲足以使保护气体电离而引燃电弧。但这种引弧方法也有一定的局限性，即焊接电源至焊头的电缆长度不应超过50m。
轨道式自动焊接时，按照不同的工艺要求可以采用图24所示5种不同形式的焊接电流：
在焊接小直径薄壁管时，要求轨道式焊接设备具有焊接电流分区段程序控制的功能（详见下节）。
5.3.4 送丝速度的控制
焊丝 速度与焊接电流之间不存在依赖关系，故亦可作相反的同步，即在基本电流下快速送丝。在这种情况下，焊丝送到正在冷却变小的熔池,产生电阻加热熔化，并利用焊丝的机械刚度向前推动熔池，使之形成内面呈凸形的根部焊道。
5.3.5 弧压控制
为精确控制电弧长度，必须首先了解不同电弧长度和焊接电流下，电弧电压变化的特性，图28曲线描述了其变化规律。其中黑线表示电弧长度1mm时，在不同焊接电流下测得的电弧电压；红线则表示电弧长度为2mm时的弧压测量结果。从中我们不难得出以下重要规律：
在AVC控制的实际使用中，必须充分考虑上述规律，并根据所处的工况条件作必要的调整，才能稳定控制电弧长度。
除了AVC控制以外，焊枪的位置亦可按工艺要求进行程序控制。为了将电极正确定位，焊枪可从某一标定值开始移动到所要求的高度。这种功能经常用于管子/管板接头的焊接，或者要求分段定位跟踪的形状复杂的工件表面管接头的焊接等。
5.3.7 焊接设备的遥控
5.3.7.1 空车试运行。在这种模式下,应能控制设备的所有动作，焊枪的旋转，焊枪向工件的垂直移动或对中焊缝（利用AVC或横摆机构）。
5.3.9 焊接过程的程序控制
图34横坐标所列序数字表示焊接过程的各程序，其含义简要说明如下：
然后将所要设定的参数依次进行编程。所有微处理机控制的焊接电源都可采用图形界面进行编程，并可将程序控制的参数值保存在存储卡内。
这种界面可输入的参数不受限制。工件的信息，如管径、壁厚及材料种类等亦可保存，并支持工程上实用的功能，如复制、改名等，焊接程序文件的管理，并存储联机采集的数据。
这种先进的编程界面不仅可控制所有的焊接参数，并具有轨道式焊接要求的全功能，可帮助操作工开发和执行任何一种焊接程序。其主要特点如下：
数控机床 的编程，顺序是一行接着一行生成的，但利用本机语言给出指令。每个焊工经过短期的培训都能理解这些指令，并能自主构建焊接程序。
由于windows操作系统的通用性，离线编程可集成任何格式的文件，并可生成完整的焊接过程和相关参数的文件。
焊接过程报告可作为质量记录文件，证明所选用的焊接参数符合焊接工艺规程的要求。
此外，操作工还可对各焊接参数设置极限值。在这种情况下，相关的参数值将连续地与标定值相比较，并在不同的工作模式下加以监控。如在被动工作模式下，一旦参数达到极限值，则图形立即变色警，指令操作者立即修正。在主动工作模式下，如实测参数值超过规定的极限值，系统将立即中止焊接过程。
5.4.1焊接电源
轻便式焊接电源主要用于小直径薄壁管接头的焊接，其控制系统相对比较简单，只需控制４个轴：即保护气流量、焊接电流及脉冲频率、焊头旋转速度和焊丝给送速度。此外，还将循环水冷系统集成于电源中，以冷却焊接机头和焊枪。
５.４.１.２ 移动式焊接电源
由于中等规格管件的壁厚已超过１０ｍｍ，必须采用多层多道焊，这就要求焊接电源具有ＡＶＣ和横摆控制功能，因此这类焊接电源通常设计成６轴控制系统。除了控制保护气体流量，焊接电流及脉冲频率，焊枪旋转速度和送丝速度外，还可控制电弧电压和横摆。同时配备易于操作的人机界面和全功能的遥控盒（编程盒）。
５.４.１.３ 固定式焊接电源
在标准供货状态下，这类焊接电源的控制系统可以控制６个轴：保护气体流量、焊接电流及脉冲频率、焊枪旋转速度、送丝速度、电弧电压控制和焊枪横摆等。另外，还可按焊接工程的实际需要，增设多个外部轴的控制功能。如对焊接质量有严格的要求，则可配备焊接数据实时采集和监控系统，如图45所示。
表３列出固定式焊接电源的主要技术特性参数。
５．４．２ 控制系统
轨道式自动焊接设备的控制系统基本上由控制模块和编程模块两大部分组成。控制模块主要包括ＣＰＵ主板、计数线路板、输入／输出（Ｉ／Ｏ）线路板、电机驱动线路板、基准电流线路板、延时线路板和弧压测量滤波板等。其中ＣＰＵ主板负责处理和执行各种指令，存储焊接程序，并与计数板共同控制焊接过程，包括焊接、脉冲和递增／衰减记时功能。计数板还用来使键盘和显示屏适应于计算机。Ｉ／Ｏ线路板控制焊接过程中所有的动作。电机驱动线路板共有４块，分别驱动和控制焊枪旋转电机、送丝电机、横摆电机和弧长控制电机。
显示屏结构如图４８所示，可以显示下列信息：
ＷＥＬＤＩＮＧ＝焊接过程正在进行；ＥＮＤ＝焊接过程结束；ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ＝空载转录；ＳＴＯＰ＝因按下停止键，焊接过程中断。
编程盒中的功能键包括参数键、移位键、加／减键、数字键以及其他功能键。焊接参数键共分７组，即焊接电流、焊枪旋转速度、弧压控制、预热时间、保护气体、送丝速度和横摆。其他功能键主要有：１）斜率控制，即参数值的递增和衰减。这些参数是：焊接电流（脉冲峰值和基值）、焊枪旋转速度、送丝速度、横摆幅度和电弧长度等。２）区段显示；３）程序步进；４）删除；５）手工模式；６）存储；７）修正（钨极位置）；８）焊头代码；９）起动；１０）停止；１１）急停；１２）重新起动。
５．５ 轨道式焊接机头
这种焊头的最大特点是管／管接头的焊接过程在密闭腔内完成（见图５３），由于腔内充满了保护气体（Ａｒ或Ｈｅ），焊接区得到了良好的保护，使其与周围空气完全隔绝，不会产生任何氧化，焊缝质量可以达到超高标准的要求。图５４示出封闭式焊头焊接的焊缝外观，可见焊缝表面十分光洁、均整。
封闭式焊头的内部结构如图５５所示，其由壳体、精密齿轮 回转机构、微型电机、夹紧机构、可更换卡盘、钨极夹、导电机构、电缆包、送气软管和遥控器等组成。
正确使用这种封闭式焊头的关键是必须保证卡盘的内径与待焊管件的外径紧配合，使管子的轴线与回转机构轴线同心，否则在焊接过程中电弧长度将出现较大的变化，甚至导致焊接失败。因此，在焊接之前，应准确测量待焊管件的外径及其公差范围，选配合适的卡盘。另外，在卡盘结构的设计上采取相应措施，使其具有足够的弹性，以适应管件外径可能存在的偏差。图５６示出各种常用的卡盘（或夹头）的结构形式。
上述封闭式管／管焊头是一种相当精密的焊接工具，目前在世界上也只有少数几家专业生产厂能够制造。焊头的各部件不仅要求加工精确，配合恰当，而且必须采用特种材料，例如焊头的卡盘或夹头大都采用钛合金制造。夹紧机构的挡板应用耐高温的工程塑料制成。焊头在实际使用中，操作工应严格遵守操作规程，待焊管件表面应仔细清理，管端加工必须保证高度垂直，接缝间隙应控制在容许的范围内。当管件外径公差与夹盘或夹头内径不匹配时，切忌强制夹紧，防止损坏夹紧机构。
上表所列PRH3-12、PRH3-38和PRH6-76型焊头的标准外形尺寸分别示于图５７和图５８。
５．５．１．２开启式管／管接头焊接机头（以下简称开启式管／管焊头）
开启式管／管焊头的结构有多种形式，但都采用夹钳式夹紧机构，并将焊枪的回转机构设计成与夹钳同心。管件接头焊接时，焊头夹钳直接夹在待焊管件直段外壁的适当位置，使钨极尖端对准接缝中心即可，操作十分简便。图６１示出已装夹在管件的接头上开启式管／管焊头。
开启式管／管焊头按各种接头焊接工艺的要求可以采取不同的组合形式。图６２示出这种焊头各种组合的分解图形。
从中可见，焊头基本上由三大部件组成，即机体（１）、焊枪组件（２）和夹紧机构（３）。其中机体内装有微型电机和编码器、传动机构、回转机构和底板。焊枪组件包括水冷ＴＩＧ焊枪、导丝机构、送丝软管、机械靠模电缆包及托架等。如焊头准备用于中、厚壁管接头，则可更换成装有ＡＶＣ和横摆机构的焊枪组件（４）。夹紧机构有两种形式：一种水冷夹钳，用于要求预热的管件；另一种是通用快速夹钳。根据工况条件，送丝机（５）可直接装在焊头上。如施工中，焊头需经常移动，为减轻焊头的重量，也可采用外接送丝机，通过较长的软管将焊丝送进到焊接熔池，如图６３所示。
目前，在一些工业发达国家，开启式管／管焊头早已投入标准化、系列化生产，但产品的技术特性在不断地改进和提升。表５和表６分别列出瑞典ＥＳＡＢ公司生产的Ａ２１型ＰＲＢ和ＰＲＣ系列焊头最新的技术特性数据。
其中最常用的ＰＲＢ３３－９０型和ＰＲＣ３３－９０型开启式管／管焊头的主要外形尺寸和最小容许管间距分别示于图６４和图６５。
５．５．１．３ 爬行小车式管／管接头焊接机头(以下简称小车式管／管焊头)
图６６示出最新一代的小车式管／管焊头的全貌，其由精密刚性环形导轨、爬行小车、焊枪组件、机载送丝机和导丝机构、ＡＶＣ和横摆十字拖板、快速定位机构等组成。为减轻焊工的劳动强度或需要远距离操纵焊头，则可在焊头上装上视频监视系统，如图６７所示。
为精确控制小车的行走速度，采用直流伺服电机和闭环控制。ＡＶＣ／横摆驱动电机则采用微型步进电机。焊枪夹持器选用耐高温材料制成，并通水冷却。填充丝导向机构可三维调节，以使填充丝端部处于最合适的位置。为保证小车在环形导轨上作３６０°旋转不产生脱落和滑动，在小车底部装有精制的锁紧滚轮（见图６８）。另外在小车的侧面装有编码器，以精确定位。
市售标准型小车式管／管焊头适用于外径大于１６０ｍｍ的中厚壁管的焊接。通常采用填充冷丝的ＴＩＧ焊方法。为提高焊接效率也可选用热丝ＴＩＧ焊工艺方法，如图６９所示。
表７列出法国ＰｏｌｙＳｏｕｄｅ公司生产的冷丝ＴＩＧ和热丝ＴＩＧ兼用的ＰｏｌｙＣＡＲ６０－２型小车式管／管焊头的技术特性参数。其外形尺寸如图７０所示。
除了上述标准型焊头外，还开发成功多种特殊的小车式管／管焊头。图７１示出一种装有双送丝机构小车式管／管焊头，其特点是可以双向施焊，省去了空车返程时间，大大缩短了辅助时间，提高了生产效率。
当焊接壁厚超过５０ｍｍ的厚壁管接头时，如采用普通的Ｖ型坡口或Ｕ型坡口，焊缝金属的填充量随壁厚的增大成几何级数增加，焊接效率往往满足不了实际生产的要求。为克服这一矛盾，利用ＴＩＧ焊无熔渣的特点，开发成功了窄间隙ＴＩＧ焊工艺及特殊结构的焊枪，可在宽约１２ｍｍ的窄间隙内连续完成与坡口侧壁熔合良好的多层厚壁焊缝，如图７２所示。标准型小车式管／管焊头略加改装，即可用作厚壁管窄间隙对接接头的焊接。图７３示出准备用于厚壁管窄间隙焊的小车式管／管焊头外形。
为进一步提高焊接效率，最近已将热丝ＴＩＧ焊工艺引入厚壁管接头的窄间隙焊，研制出经久耐用、保护良好、结构独特的窄间隙热丝ＴＩＧ焊枪并经受了长时间生产使用的考验。图７４示出这种新型窄间隙热丝ＴＩＧ焊枪的外形结构。
5.5.2 管/管板接头焊接机头
（1）简易型封闭式管/管板焊头
标准型TS25管/管板焊头的主要技术参数列于表8，其外形尺寸见图77。
（2）多功能型封闭式管/管板焊头
5.5.2.2开启式管/管板接头焊接机头（以下简称开启式管/管板焊头）
与封闭式管/管板焊头相比，其最大的区别是采用陶瓷喷嘴焊枪保护焊接区, 并可填丝，连续焊接二层，适用范围明显扩大。可以焊接各种形式的管子/管板接头，包括平齐式、外伸式、内缩式、端接式和内孔对接式。图83示出采用这种焊头的焊接实况。
图84示出另一种结构式的开启式管/管板焊头的外形，采用心轴定位，其内部结构见图85。上述两种开启式管/管板焊头的技术特性参数列于表10, 焊头的外形尺寸分别示于图86和图87。
5.5.2.3 管子/管板接头内孔焊机头（以下简称管/管板内孔焊头）
对于超临界电站锅炉集箱接管焊缝，为确保其全焊透，也要求在接管内孔焊接内环缝。图90示出专用于集箱接管内孔焊的焊枪结构。
现代轨道式自动焊接技术的新发展（下）
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(4/17/2014)
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