CN100393468C - 一种管-管对接全位置自动焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种管-管对接全位置自动焊接方法，采用非熔化极惰性气体保护焊方式，将焊枪对准管-管对接焊缝进行定位，焊接中，一方面焊枪电极以脉冲形式进行放电，当放电脉冲为峰值电流时使金属熔化并融合，当放电脉冲为基值电流时使融合的金属凝固；另一方面焊枪由旋转机构带动环绕焊缝转动，其创新在于：在全位置自动焊接过程中，当焊枪环绕焊缝转动时，利用管内与管外气压差变化，提供一个足以克服重力的气压差分力，托起或吸起熔化并融合的金属，使其在管内成形要求的位置上凝固，以此对管内成形进行控制。本发明针对中等(如3～6mm左右壁厚)及其以下厚度管-管对接，在不开坡口的条件下提供了一种全位置自动焊接方法，其最突出的特性在于解决了现有中等壁厚管-管对接全位置自动焊接存在的管内成形不符合连续微凸要求的技术难题。

Description

一种管-管对接全位置自动焊接方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，特别涉及在锅炉、化工等设备现场安装中，针对中等(如3～6mm左右壁厚)及其以下厚度管-管对接，在不开坡口的条件下进行全位置自动焊接的方法。

背景技术

在锅炉、化工等设备现场安装过程中，常常需要将管-管(包括管-三通，管-弯头)现场对接进行焊接。由于现场安装的特殊要求，管-管在安装现场对接后即在空间定位，不能随意转动，只能转动焊枪来满足焊接要求，因此焊枪在整个焊接过程中，要经历平焊、仰焊、上坡焊、下坡焊等各种位置才能完成焊接任务，通常这种焊接被称为“全位置焊”。

为提高焊接质量，自动焊的使用日趋普遍。然而在高质量的焊接中，使用非熔化极惰性气体保护焊(和TIG焊)为较好的选择，其中，最常用的是钨极氩弧焊。焊接过程如图1所示，当电极1(钨极)对被焊管-管3的接缝4处放电时，在电极1下方的被焊管-管3金属熔化并融合。当电极1减小放电电流则融合的金属凝固，这种电流一大一小的交替变化，就是所谓的脉冲焊，可达到单面焊双面成形的效果。在此过程中，焊枪沿被焊管-管3旋转形成焊缝。

高质量的焊接对焊接接头质量要求很高，内表面要求成形良好，凸起适中，不内凹，焊后要进行通球试验加以检验。现有的上述管-管对接全位置自动焊接方法仅适合于壁厚在3mm以下的管-管对接全位置自动焊接。当壁厚增大(如3～6mm左右)时，熔化的金属量增大，在熔化状态下表面张力不足以支承其自身重量，熔化的金属(金属溶滴)便会下堕，此时若焊枪在管缝上方，则管内形成焊瘤；当焊枪在管缝下方，则管内形成凹陷，这样就不能满足管内成形要求。为了解决这一问题，于是，人们便在接缝管端开设坡口5，如图2所示，减少熔化的金属量，以求第一道焊完时让管内焊缝成形，随后再用填丝的方法将坡口5填平完成焊接。

这种方法的缺点是：现场安装时开坡口较困难，且开坡口切削掉的金属还是要再填回去，最后，由于开了坡口外表面焊缝较宽，需要用较宽的摆动焊接方法(俗称“盖面”)。这样效率就相对较低。

发明内容

本发明针对中等(如3～6mm左右壁厚)及其以下厚度管-管对接，在不开坡口的条件下，提供一种管-管对接全位置自动焊接方法，其目的是要解决管内成形问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种管-管对接全位置自动焊接方法，采用非熔化极惰性气体保护焊方式，将焊枪对准管-管对接焊缝进行定位，焊接中，一方面焊枪电极对被焊管-管接缝处进行放电，另一方面焊枪由旋转机构带动环绕焊缝转动，以此实施全位置自动焊接；

其创新在于：在焊枪环绕焊缝转动焊接过程中，通过对管内焊接段空间进行充气或抽气，利用管内与管外气压差的方式迫使熔化并融合的金属在管-管对接焊缝处径向运动，以此调整融合金属的凝固位置；

当焊枪相对管体处于最高位时，管内为充气状态，管内气压大于管外气压，气压差克服重力托起熔化并融合的金属；当焊枪相对管体处于最低位时，管内为抽气状态，管内气压小于管外气压，气压差克服重力吸起熔化并融合的金属；当焊枪处于最高位与最低位之间的位置时，管内与管外气压差随转动角度变化在两者之间逐渐过渡。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，由于控制管内气压的目的是为了使熔化并融合的金属处于适当的位置，以此满足管内成形要求。因此管内与管外的气压差的幅度最大在+2500～-2500帕(Pa)范围内，一般在+800～-800帕(Pa)范围内。这一范围通常属于微压差。另外，因全位置焊的需要，气压差需要过零，就是从负压变为正压，或者是从正压变为负压。

2、上述方案中，所述“通过对管内焊接段空间进行充气或抽气，利用管内与管外气压差的方式”具体方法是：在对接的管内焊缝两侧设置气堵，使其形成一个相对的封闭空间，采用充吸气管穿过一侧气堵与相对的封闭空间连通，通过充气和抽气改变封闭空间的气压，使管内与管外形成气压差。这种方法可以通过以下两种方案来实现：

第一方案是：充气和抽气由离心风机与三通调节阀组合来实现，三通调节阀上设有一个充吸气口、一个充气口和一个吸气口，充吸气口接在通往封闭空间的充吸气管上，充气口接在离心风机的出风口上，吸气口接在离心风机的进风口上，充吸气口、充气口和吸气口在三通调节阀的阀体内通过阀芯的轴向运动调节充吸气口与充气口及吸气口的开度，以此控制封闭空间内气压的正负和大小。

第二方案是：充气和抽气由至少一个轴流风机来实现，采用调节轴流风机的转速和转向的方式，控制封闭空间内气压的正负和大小。当一个轴流风机不够时可以采用两个轴流风机串联来实现。

3、上述方案中，为了准确控制封闭空间内的气压，在封闭空间内设置气压传感器，气压传感器将信号通过线路传送给控制器，由控制器控制充气和抽气的工作状态及大小，以此实现管内与管外气压差的控制。

4、上述方案中，为了使管内焊缝符合连续微凸的成形要求，对管内与管外气压差的控制与焊枪环绕焊缝转动角度相联系。因为随着焊枪转动角度的不同，重力与气压差作用力的夹角也在随之变化，所以要通过调整气压差的大小，使其在重力方向上的分力足以克服重力，从而对熔化并融合的金属产生作用。

5、上述方案中，所述充吸气管分立设置成一充气管和一抽气管，充气管接在充气源上，抽气管接在抽气源上。这样设计的另一个好处是让充气管充入惰性保护气体(如氩气)，防止焊缝氧化。

6、上述方案中，焊接电源有比较复杂的情况，通常焊接电流以一大一小交替变化的脉冲形式进行放电，当放电脉冲为峰值电流时使金属熔化并融合，当放电脉冲为基值电流时使融合的金属凝固。也可以为可编程波形，如在脉冲电流上再叠加一个脉冲，或者是叠加频率较高幅度相对较小的电流，其主要目的是细化晶粒或增加熔深，所以电流的变化形式与焊接的内部成形无关。

本发明原理是：在管-管对接全位置自动焊接过程中，当焊枪环绕焊缝转动时，利用管内与管外气压差变化，提供一个足以克服重力的气压差分力，托起或吸起熔化并融合的金属，使其在管内成形要求的位置上凝固，以此对管内成形进行控制。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明针对中等(如3～6mm左右壁厚)及其以下厚度管-管对接，在不开坡口的条件下提供了一种全位置自动焊接方法。其最突出的特性在于解决了现有中等壁厚管-管对接全位置自动焊接存在的管内成形不符合连续微凸要求的技术难题，是本技术领域中的突破，因此具有突出的实质性特点和显著的进步。

2、本发明不需要开设坡口，一方面避免了开坡口的困难，另一方面也避免了填充坡口的烦琐，从而大大提高焊接效率和质量。

3、本发明方法简单，实施容易，效果明显，是一种高效实用的焊接方法，尤其是对于有效控制管内成形起到了关键作用。

附图说明

附图1为现有3mm以下的管-管对接全位置自动焊接示意图；

附图2为现有如3～6mm左右壁厚管-管接缝管端开设坡口的示意图；

附图3为本发明对接管内设置气堵后形成封闭空间以及设置充吸气管的示意图；

附图4为附图3中设置气压传感器和保护气管的示意图；

附图5为本发明三通调节阀和离心风机进行充气和抽气的结构示意图；

附图6为本发明焊枪转动角度示意图；

附图7为本发明焊枪转动角度与气压差(管内与管外)关系示意图；

附图8为本发明全位置自动焊接装置立体图；

附图9为图8的主视图；

附图10为图8的左视图。

以上附图中：1、钨极；2、氩气喷嘴；3、被焊管-管；4、接缝；5、坡口；6、气堵；7、气堵；8、充吸气管；9、气压传感器；10、保护气管；11、直线步进电机；12、阀芯；13、阀体；14、离心风机；15、充吸气口；16、吸气口；17、充气口；18、封闭空间；19、三通调节阀；20、本体；21、转盘；22、弧长机构；23、摆动机构；24、夹持机构；25、水冷氩孤焊枪；26、驱动电机及减速机构；27、送丝支架；28、夹紧搬手；29、座子；30、水电气管；31、保护气罩；32、钨极；33、弹簧；34、钢丝绳；35、出风漏风通道；36、进风漏风通道。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种针对中等(如3～6mm左右壁厚)厚度管-管对接，在不开坡口的条件下进行全位置自动焊接的方法。其内容是：见图3所示，采用非熔化极惰性气体保护焊方式(尤其是钨极氩孤焊)，先将焊枪通过夹持机构对准管-管对接焊缝4进行定位，然后在对接的管内焊缝两侧设置气堵6、7，使其形成一个相对的封闭空间18，采用充吸气管8穿过一侧气堵7与相对的封闭空间18连通。

在焊接中，一方面焊枪电极1(钨极)以电流一大一小交替变化的脉冲形式对被焊管-管3的接缝4处进行放电，当放电脉冲为峰值电流时使金属熔化并融合，当放电脉冲为基值电流时使融合的金属凝固；另一方面焊枪由旋转机构带动环绕焊缝转动。在焊枪环绕焊缝转动焊接过程中，通过充气和抽气改变封闭空间18的气压，使管内与管外形成气压差。利用该气压差迫使熔化并融合的金属在管-管对接焊缝处径向运动，以此调整融合金属的凝固位置。当焊枪相对管体处于最高位时，管内为充气状态，管内气压大于管外气压，气压差克服重力托起熔化并融合的金属；当焊枪相对管体处于最低位时，管内为抽气状态，管内气压小于管外气压，气压差克服重力吸起熔化并融合的金属；当焊枪处于最高位与最低位之间的位置时，管内与管外气压差随转动角度变化在两者之间逐渐过渡，见图6和图7所示。

参见图5所示，充气和抽气由离心风机14与三通调节阀19组合来实现，三通调节阀19上设有一个充吸气口15、一个充气口17和一个吸气口16，充吸气口15接在通往封闭空间18的充吸气管8上，充气口17接在离心风机14的出风口上，吸气口16接在离心风机14的进风口上，充吸气口15、充气口17和吸气口16在三通调节阀19的阀体13内通过阀芯12的轴向运动调节充吸气口15与充气口17及吸气口16的开度，以此控制封闭空间18内气压的正负和大小。阀芯12由直线步进电机11带动在阀体13内左右移动，阀芯12带有锥度(如图5所示)，当阀芯12移动时，可以逐渐改变充吸气口15与充气口17及吸气口16的开度。在图5中，若阀芯12向左移动，将充气口17完全关闭，则充吸气口15与吸气口16直接连通，此时封闭空间18内呈现最大负压；若阀芯12向右移动，将吸气口16完全关闭，则充吸气口15与充气口17直接连通，此时封闭空间18内呈现最大正压；若阀芯12在这两个极限位置中间移动，封闭空间18内的气压即在最大正压与最大负压之间变化。另外，为了使离心风机14能够正常运转，图5中的离心风机14实际上设有漏风通道，而且进、出风都有漏风通道，比如，出风漏风通道35，进风漏风通道36。

由于控制管内气压的目的是为了使熔化并融合的金属处于适当的位置，以此满足管内成形要求。因此管内与管外的气压差的幅度最大在+2500～-2500帕(Pa)范围内，一般在+800～-800帕(Pa)范围内。这一范围通常属于微压差。另外，因全位置焊的需要，气压差需要过零，就是从负压变为正压，或者是从正压变为负压。

如图4所示，为了准确控制封闭空间18内的气压，在封闭空间18内设置气压传感器9(气压传感器9一定要设置在封闭空间18的区域内，以获得准确的信号)，气压传感器9将信号通过线路传送给控制器，通过A/D转换转后送入主控CPU检测当前的管内气压，再经适当的计算(一般采用经典的PID算法)，由控制器调整阀芯12位置(见图5)，来控制充气和抽气的工作状态及大小，以此实现管内与管外气压差的控制。气压传感器的测压范围可以在±10000帕(Pa)以内，灵敏度应优于30帕(Pa)。

为了使管内焊缝符合连续微凸的成形要求，对管内与管外气压差的控制与焊枪环绕焊缝转动角度相联系。因为随着焊枪转动角度的不同，重力与气压差作用力的夹角也在随之变化，所以要通过调整气压差的大小，使其在重力方向上的分力足以克服重力，从而对熔化并融合的金属产生作用。

如图4所示，在有些材料的焊接中，为了防止氧化，管内需要充入惰性保护气体(如氩气)，这样可以在充吸气管8内增加一个保护气管10送入保护气体。图3、图4中在两个气堵6、7之间，按实用的方式画了一个弹簧33和一根钢丝绳34。主要用途是：当焊完一道之后，可以拉充吸气管8，将气堵6同时带出。弹簧33的作用是防止钢丝绳34下垂，在焊接的时候不会熔在管壁上。这是目前常用的一种方法。

参见图8～图10所示，本实施例全位置自动焊接装置，除以上介绍的管内气压控制装置(离心风机、三通调节阀和气压传感器结构)而外，主要由管-管焊枪机构、数控焊接电源和控制系统三部分组成。

管-管焊枪机构主要由本体20、转盘21、弧长机构22、摆动机构23、夹持机构24、水冷氩弧焊枪25、驱动电机及减速机构26、送丝支架27等组成。本体中间有传动齿轮，外面可安装夹紧、驱动、转盘21等等。夹持机构24安装在本体上，在人工手搬动夹紧搬手28时，适当调整夹紧块可以夹紧被焊管子。

在驱动电机及减速机构26的作用下，转盘21可以绕被焊管子转动。在转盘21上安装有弧长机构22、摆动机构23、送丝支架27、水冷氩弧焊枪25等结构部件。在本例中，弧长机构22被固定在转盘21上，摆动机构23被安装在弧长机构22的运动滑板上，水冷氩弧焊枪25被安装在摆动机构23的运动滑板上。送丝支架27则安装在水冷氩弧焊枪25的座子29上。

当弧长机构22动作(上下运功)时，整个水冷氩弧焊枪25及送丝支架27随之上下运动，即可调整钨极与被焊管子表面的距离。

当摆动机构23动作(左右摆动)时，钨极28即沿被焊管子的轴线方向运动。

当转盘21转动的同时，摆动机构23作摆动运动，此时，若水冷氩孤焊枪25正在工作，即可焊出“之”字形的焊缝。

由于送丝支架与钨极的位置是相对固定的，因此，当送丝机工作时，送出的丝便可准确地到达钨极的下方，完成填丝焊接的工作。

数控焊接电源市售的种类很多，有MOS管，有IGBT，有可控硅变换。主要功能是根据输入模拟量的大小以及配合一些功能开关的工作输出焊接电流。可输出的焊接电流有直流，也有交流。

控制系统为一嵌入式主控制系统，包括：

人机界面(如用于编程的键盘、显示器)；

模数转换(A/D)，主要用于检测气压、电压、电流；

数模转换(D/A)，主要用于控制焊接电流以及在某些情况下控制电机；

通讯接口，主要用于通信连接；

步进电机接口；

风机控制接口以及一些辅助的开关量接口。

控制系统功能：可以设置有关焊接参数(可多达数十种)，其中典型的包括：

引弧方式(是高频高压引弧，还是接触引弧)；

是否需要弧长、摆动、送丝及控制管内气压；

是否需要分区间(分区间后，可在焊接过程中根据需要变换电流、速度、管内气压等等焊接参数)；

是脉冲焊还是直流焊；

预送保护气体的时间，滞后保护气体的时间；

预熔的时间，预熔电流的大小，电流上升的时间；

分区间后，每一区间内：起始的角度(本区间起始角度，即为上一区间的结束角度)；

若用脉冲焊，则有峰值时间，峰值电流，基值时间，基值电流；

若要摆动，则有摆动宽度，摆动速度，边缘停留时间，摆动是否与电脉冲同步等等。

若要送丝，则有送丝速度，送丝是否与电脉冲同步，是的话则峰值送丝速度，基值送丝速度；

若要弧长控制，则每一区间的电弧电压；

若要控制管内气压，则区间内的气压值；

区间之间电流的变化方式(每个区间的电流不一样，有渐变、跳变等等)。

总之，控制系统应具有的基本功能是：1、能控制焊枪旋转的速度和焊枪旋转的角度，控制焊枪的旋转可以用直流电机或步进电机等；2、能测量被焊管内的气压，并控制三通调节阀的动作，满足管内的压力要求；3、能控制焊接电流的大小，满足被焊管子金属熔化的能量要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种管-管对接全位置自动焊接方法，采用非熔化极惰性气体保护焊方式，将焊枪对准管-管对接焊缝进行定位，焊接中，一方面焊枪电极对被焊管-管接缝处进行放电，另一方面焊枪由旋转机构带动环绕焊缝转动，以此实施全位置自动焊接；

其特征在于：在焊枪环绕焊缝转动焊接过程中，通过对管内焊接段空间进行充气或抽气，利用管内与管外气压差的方式迫使熔化并融合的金属在管-管对接焊缝处径向运动，以此调整融合金属的凝固位置；

当焊枪相对管体处于最高位时，管内为充气状态，管内气压大于管外气压，气压差克服重力托起熔化并融合的金属；当焊枪相对管体处于最低位时，管内为抽气状态，管内气压小于管外气压，气压差克服重力吸起熔化并融合的金属；当焊枪处于最高位与最低位之间的位置时，管内与管外气压差随转动角度变化在两者之间逐渐过渡；

所述通过对管内焊接段空间进行充气或抽气，利用管内与管外气压差的方式具体是：在对接的管内焊缝两侧设置气堵，使其形成一个相对的封闭空间，采用充吸气管穿过一侧气堵与相对的封闭空间连通，通过充气和抽气改变封闭空间的气压，使管内与管外形成气压差；

所述充气和抽气由离心风机与三通调节阀组合来实现，三通调节阀上设有一个充吸气口、一个充气口和一个吸气口，充吸气口接在通往封闭空间的充吸气管上，充气口接在离心风机的出风口上，吸气口接在离心风机的进风口上，充吸气口、充气口和吸气口在三通调节阀的阀体内通过阀芯的轴向运动调节充吸气口与充气口及吸气口的开度，以此控制封闭空间内气压的正负和大小。

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