薄壁钢管的环缝焊接装置研究

党蕊娟

摘 要：目前市场上存在的自动化焊接设备，以关节型焊接机器人为主，在此基础上研究设计了一种3自由度的新型薄壁钢管的焊接装置。这种焊接装置主要是针对管件的的焊接进行的开发，主要适用于壁厚在2mm以下的、中小直径的薄壁钢管之间以及钢管与其他配件的的焊接。焊接设备主要包括：x-y-z焊接平台、焊接小车、送丝机构和辅助机构等。为了保证焊接设备的控制精度，焊接设备使用PLC控制系统，同时该焊接设备使用光电传感器，实现了对焊缝的识别与追踪。本装置整体结构简单，控制方便，能够保证焊接质量。

关键词：焊接；薄壁钢管；x-y-z焊接装置；光电传感器

我国到改革开放以后的不锈钢管的生产企业达到近200家[1]。当前，装备制造业是我国国民经济发展的支柱行业，管道焊接是制造过程中的关键环节之一[2]。焊接设备作为钢铁的“裁缝”已广泛应用于机械、汽车、造船、建筑、冶金、化工、轻工、电力等各行业以及航天、电子、原子能等国防尖端工业，焊接装备蕴涵着巨大的市场需求[3]。

随着科学技术的不断发展，和对产品质量要求的不断提高，弧焊机器人正朝着“高效化、自动化、智能化、柔性化”的方向发展[4]。钢管的焊接通常要使用焊接机器人和焊接专用机，否则容易引起焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔等缺陷[5]。目前市场上较为普遍的是关节式焊接机器人，这种机器人价格较高，作为前期投资小厂家难以接受。在分析了以往的焊接设备的基础上，研究设计了了一种结构简单，焊接质量好、价格适中的钢管的焊接装置。

1 焊接装置的机械结构

本装置主要适用于中小直径的钢管之间的焊接，以及钢管与其他配件的的焊接。钢管的厚度较小，一般在2mm左右。这种新型的薄壁钢管的焊接装置的机械结构主要包括x-y-z坐标平台、焊接小车6、焊枪9、送丝机构3和辅助设备等。坐标平台主要是通过丝杆带动滑块的运动；焊枪9及焊把调节机构8安装在焊接小车6上；辅助设备主要包括滚轮架以及管件的防窜设备，下图2为焊接设备的基本结构。这种焊接设备能够沿x-y-z三个方向自由移动，是3自由度的焊接设备。

1.1 x-y-z坐标平台

x-y-z焊接平台主要是支撑整体结构，并通过伺服电机4与丝杆5滑块的配合实现焊枪的移动。对于同一类型的不锈钢管的焊接，调整一次位置后，只需控制焊枪的位置就可完成该类型管件的全部焊接。

x-y-z焊接坐标平台主要由底座导轨10，立架2和平移横架11组成。底座导轨固定在生产地面，平移横架与立架结构相同，立架顶端安装伺服电机，电机4与丝杆5连接，控制平移横架11的上下移动；为了保证定位精度，立架设置为两根，起到支撑和平衡结构的作用；同时为了减小整个结构对丝杠的力的作用，在立架内部设置了导轨，减小受力的同时保证运动精度。

通过对设备运动的分析，当确定焊缝位置后，只需平移横架电机动作，也能够实现实现两张薄板之间对接焊缝的焊接。

1.2 焊接小车

焊接小车上的焊枪是整个焊接设备的执行机构。焊接小车与平移横架上的滑块固定连接，焊接小车上安装了焊枪调整机构与焊枪夹具。焊枪调节机构能够实现焊枪对中、角度调整、焊枪高度调整等细节调节要求[6]。在靠近焊枪顶部的位置安装光电传感器，实现对焊缝的识别与跟踪，将测得的电压差送到控制系统。焊接速度取决于送丝机构与管件滚轮架的速度。

1.3 送丝机构

送丝机构送丝装置的心脏部分[7]，主要由料盘，电机，减速器，调速器，送丝软管组成。为了保证送丝精度，稳定送丝，本文采用双主动推拉式送丝机构。送丝电机主要是提供送丝动力，功率小功率的电机即可满足要求，故选转矩较大的的直流伺服电机，依据经验选用S361，具体参数如上表1。

1.4 辅助设备

滚轮架是主要的辅助设备。焊接滚轮架是借助主动轮与管件之间的摩擦力实现管子的转动，进而完成管件的焊接。为了满足对不同直径管件的焊接需求，宜采用自调式滚轮架。

为了防止管子窜动，采用最基本的曲柄移动导杆机构对管件按压，结构如图3所示。这种结构在一个运动周期内，只会出现一个按压轮18位置的最高点与最低点，在最低点处实现对管件的防窜。压轮为钢轮，与管件直接接触会对管件表面形成刮擦，因此需要在滚轮外表面套一层有纹路的橡胶套19。

2 焊缝的识别与PLC控制

自动化焊接装备是一个多传感器控制系统。焊缝识别是实现焊缝跟踪的重要前提和条件，它影响着焊接的精度和速度[8]。为了保证焊接精确，首先要对焊缝的位置进行大致的定位，然后利用传感器对焊缝进行识别的基础上，对焊缝进行跟踪检测。本文采用光电传感器作为焊缝跟踪与识别传感器。

为了更加有效的检测出焊缝，我们在焊缝上画一条人工辅助白线，然后利用我们设计的光电传感器检测人工辅助白线，根据人工白线的不同偏差情况，传感器相應的输出不同的电压偏差信号[9]。PLC控制系统只要与光电传感器输出的信号进行比对，就能反映出焊缝的实际偏差情况，通过调整焊枪位置，实现对焊缝跟踪与精准焊接。

3 结论、实验结果与分析

这种新型的焊接装置主要是实现薄壁管件的有关焊接。在焊接过程中不启动焊接辅助设备时，该设备还可以实现有缝钢管与薄板的焊接，一机多用，而且结构简单，操作方便。

为了检验设备的实用性，采用本设备对两根之间为30cm的薄壁管件进行了焊接，焊丝直径为0.8mm。

当焊速低于 15cm/min 时，焊枪移动不易均匀；在焊速达 60cm/min～70cm/min 时，焊枪难以对准焊接线，所以通常焊接速度多为30-50cm/min[10]。为了保证焊接质量，在焊接中，设定焊接速度为30cm/min，焊接电流为90A。焊接开始后的3.2min后，完成了两根管件的焊接，焊接质量满足要求。

参考文献

[1]邹子和. 我国不锈钢管生产技术的进展及其与国外的差距[J]. 钢管，2000，06：7-14.

[2]雷毅. 全位置TIG焊管机电弧长度自适应控制技术[J]. 石油化工设备，2005，04：56-59.

[3]黄政艳. 焊接设备技术现状及发展趋势[J]. 广西轻工业，2011，05：31-32+80.

[4]廖家平. 基于光电传感器的智能焊缝跟踪系统的研究[D].南昌航空大学，2010.

[5]翟立飒. 变截面薄壁铝合金长管件的焊接装置[J]. 电焊机，2014，01：51-53.