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    全位置管道自動焊接設備的科學論證

    文章來源: 文章作者: 更新時間:2015-08-01 18:14:28 點擊次數:

    1、管道輸送是一種安全、經濟、對環境破壞小的運輸方式。其建設地區跨度大,沿線施工環境惡劣,加之管道輸送逐步向高壓(715MPa)、大口徑(Φ1420mm)方向發展,這對管道環焊縫的焊接提出了更高的要求,管道環焊縫的焊接成為制約整個工程質量和建設周期的關鍵工序。在我國的長輸管道焊接工程中,由于受技術水平和經濟條件的制約,還停留在手工焊、半自動焊的水平上,往往造成施工周期長,成本高,經濟效益較差,加上人為因素的干擾,因而施工質量的穩定性同樣也得不到保證。因此,研制開發全位置自動焊技術,對推動技術進步,提高施工水平具有重要意義。
    2 管道全位置自動焊接技術現狀
    管道全位置自動焊接就是在管道相對固定的情況下,借助于機械、電氣的方法,使焊接設備帶動焊槍沿焊縫環繞管壁運動,從而實現自動焊接。
    目前,全位置自動焊技術在大直徑厚壁壓力管道焊接中全面應用尚有一定難度,其主要原因是:(1)大直徑厚壁壓力管道的安裝環縫組裝難以達到均勻一致的高精度,這就要求全位置自動焊設備能根據坡口尺寸和偏差自動調整焊槍位置,從而實現焊縫的自動跟蹤。但鑒于焊接過程的應用環境惡劣,傳感器要受到弧光、高溫、煙塵、飛濺、振動和電磁場的干擾,故焊縫的自動跟蹤實現起來比較困難;(2)焊縫的空間位置不斷變化,要求焊接系統能根據焊槍所在位置自動及時調整焊接工藝參數,實現各處焊縫成型基本一致;(3)執行機構,尤其是需高頻換向的焊槍擺動機構傳動誤差的定量識別及高精度快速實時補償難度較大。
    目前,國內外已研制成功的自動焊接設備,如美國林肯中小口徑管道焊接設備,及國內石油天然氣管道局管道專用焊接設備等,均人為假設管道環縫組裝均勻一致,并且焊接小車爬行軌道與焊縫平行,在必要時完全依賴人工調節焊槍從而無焊縫跟蹤功能,所以嚴格地講這些設備均不能稱為管道自動焊設備。
    另外,在焊接規范參數的自調節方面,目前所具有的自動焊設備,均建立在焊前大量試驗數據的基礎上,并且所建立的數學模型均與實際存有很大出入,這樣不但使焊前準備工作過程復雜化,自動焊設備適應性降低,而且在焊接過程中所調節規范參數的合理性,即焊接質量得不到保證。
    其次,目前的自動焊設備的擺動機構大多采用擺鐘式原理,即擺動機構左右等幅交替擺動,針對各執行機構的傳動誤差,尤其是具有頻繁換向需求的擺動機構所帶來的換向耦合誤差無能為力,從而照成誤差的累積,使擺動的中心偏離實際焊縫中心,焊接熔池位置偏離焊縫。
    3 新研制的管道自動焊接設備的特點
    本文作者研制的管道自動焊設備具有如下三方面特點,從而為上面提出的問題提供解決方案。
    311 管道環縫的自動跟蹤 
    焊縫跟蹤是實現管道環縫自動化焊接的前提,它包括兩個方面:(1)管道環縫位置的檢測;(2)焊槍糾偏,即實現焊槍對焊縫的實時跟蹤。概言之,能否有效的進行焊縫跟蹤主要依賴于閉環控制系統中的傳感器和跟蹤執行機構的精度。
    前已述及,焊接過程的應用環境惡劣,傳感器種類繁多,但能應用于焊縫跟蹤的主要有光學傳感、電弧傳感和聲學傳感。理論上講,直接應用電弧本身的弧長、弧光做傳感信號的電弧傳感器應是最優的,因為它不附加任何裝置,簡單可靠,焊槍運動的靈活性和可達性好。但鑒于電弧漂移、磁偏吹、電弧收縮和擴散等干擾,使該類傳感器的精度、抗擾性(穩定性)和靈敏度都不夠理想。另外,已成型的該類傳感器如擺動電弧傳感器、旋轉電弧傳感器尺寸較大,不利于應用于小型化管道自動焊設備中。聲學傳感器的優點是:弧焊條件下對弧光、電場、磁場、煙霧等干擾不敏感,經久耐用、價格低廉。其缺點是:對母材表面要求較高,承載聲波的介質對其影響較大,CO2焊接時,CO2對其影響嚴重。
    “磁吸式球罐全位置焊接機器人”的研制中,采用光學CCD傳感器跟蹤焊接坡口平行線,既克服了為避開弧光干擾而將傳感器置于焊槍前部的傳感導前誤差,又能解決多層多道焊的重復跟蹤精度。在作者研制的全位置管道自動焊設備中,鑒于焊接小車沿柔性軌道環繞管道有規律的運行,故對焊車的運動無須引導,因此僅采用了一個與焊槍擺動機構同時安裝于左右調整機構上的CCD引導焊槍實時跟蹤焊縫。CCD的跟蹤對象是焊接坡口平行線,焊接坡口平行線的繪制很簡單,其中畫線筆與引導針的間距等于焊槍擺動中心與CCD的間距,畫線筆與引導針為可旋轉式結構,與CCD和焊槍同時安裝于左右調整滑塊上。畫線時,將二者旋下,引導針置入焊接坡口中,開動焊車,畫線筆就能在管道上畫出與焊接坡口始終平行的管道環縫平行線。焊接時,將二者旋起,CCD引導焊槍沿環縫焊接,從而完成管道焊縫的自動跟蹤。
    312 焊接規范參數的自調整
    全位置管道環縫的空間位置,在焊接過程中不斷變化,由于熔池在各個位置的存在條件變化很大,為保證焊接質量,在焊接中,隨著電弧運動實際位置的不斷變化,要求焊接參數也能隨之變化。在焊接過程中,焊車行走速度、送絲速度、焊槍左右擺動頻率是三個主要參數。為獲得合理焊接參數,可采用如下方案:用一條垂線將管子的圓周分為左右兩個半圓,然后將兩個半圓順時針、逆時針方向等分,定出焊接節點。通過大量的實驗可以在每個節點處獲取理想的焊接參數。例如,在選取了合適的焊接工藝后,通過大量的試驗確定出節點為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°處的理想的焊接電流、電弧電壓、送絲速度、小車行走速度、焊槍振動頻率等一系列參數,然后將這些參數送到計算機內進行擬合、運算,這樣就實現了從0°-180°的自動焊接。實際焊接與實驗時的數據可能稍存差距,為此在焊接過程中可以根據實際情況調節焊接參數,如送絲速度、振動頻率等參數。這些參數的調節是相互關聯的,為使這些參數的調節相匹配,可采用建立空間坐標方程的方法。即將焊車行走、送絲速度及焊槍振動頻率作為三個因變量,置于一個空間坐標系中,以時間作為自變量,以焊接電流、焊接電壓作為邊界條件,最后得出焊接小車行走速度、送絲速度、焊槍振動頻率之間的空間坐標方程。這樣,在實際焊接時,每一次調節均是上述三個參數同時調節,從而確保調節過程的準確性。
    313 擺動機構換向耦合誤差及其它傳動誤差的補償前已述及,擺動機構采用傳統的擺鐘式原理,雖然在原理和功能實現上簡單易行,但頻繁的換向及傳動過程所帶來的累積誤差足以造成擺心偏離焊縫中心線,且控制系統對此無法識別。問題的突破口也在于此,作者研制的管道全位置自動焊設備中,專門設置了一個光電式擺心傳感器,使每次擺動均從擺心處開始。如此左擺一次,右擺一次,誤差量僅局限于一次。從而消除了傳動換向耦合誤差及數次擺動帶來的累積誤差。
    此外,本設備采用交流伺服電機外加測速碼盤,從而以一個傳感器實現對行走機構速度、位置的閉環準確控制。針對高低、左右移動機構,本設備采用步進電機加絲杠結構。分別在滑塊上加設電位器式傳感器,直接利用模擬量來傳感信號,經16位A/D轉換器,形成具有很高精度的反饋信號。
    降低執行機構執行調節誤差的其它硬件措施如下:使電機輸出軸與絲杠的連接不發生相對角位移;使絲杠與螺母之間的配合間隙足夠小,可考慮在絲杠與移動螺母間加設預緊彈簧等,以保證焊槍換向調節時誤差盡可能小。
    4 結論
    隨著我國管道工業的發展,一方面管道焊接的工作量與日俱增,另一方面對管道焊接質量、焊口壽命等要求不斷提高。為了提高管道焊接的質量和焊接生產率,減輕工人勞動強度,確保管線安全、平穩運行,縮短。

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