陳振華 江 藍(lán) 袁立銘 李 旭 戴 欽 張新宇 李 永 肖長(zhǎng)源

超長(zhǎng)導(dǎo)管環(huán)縫裝焊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳振華 江 藍(lán) 袁立銘 李 旭 戴 欽 張新宇 李 永 肖長(zhǎng)源

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

為提高新一代運(yùn)載火箭兩種不同類型超長(zhǎng)導(dǎo)管的可靠性要求，開展了導(dǎo)管環(huán)縫焊接系統(tǒng)的研究。針對(duì)多環(huán)縫、易變形、焊接收縮等超長(zhǎng)導(dǎo)管焊接問(wèn)題，提出了底座組合式調(diào)平、管管對(duì)焊雙邊驅(qū)動(dòng)、不同管徑可調(diào)式支托等技術(shù)措施保證焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了排氣導(dǎo)管自動(dòng)旋轉(zhuǎn)焊接和增壓導(dǎo)管全位置焊接功能。通過(guò)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，保證了產(chǎn)品的尺寸和形位精度，提高了產(chǎn)品的可靠性。

超長(zhǎng)導(dǎo)管；環(huán)縫；裝焊系統(tǒng)

1 引言

某一級(jí)側(cè)壁排氣導(dǎo)管原有狀態(tài)是由數(shù)段導(dǎo)管通過(guò)法蘭螺接而成，為順應(yīng)輕量化需求，提高管路質(zhì)量可靠性，設(shè)計(jì)部門將該導(dǎo)管改為整體焊接，形成一根全長(zhǎng)約18m的整管。經(jīng)查，目前該管路為此種口徑亞洲最長(zhǎng)導(dǎo)管，且此超長(zhǎng)導(dǎo)管直線度要求保證在3mm以內(nèi)，要求總長(zhǎng)公差為±3mm。而這一變動(dòng)給生產(chǎn)制造帶來(lái)了巨大困難，排氣導(dǎo)管為薄壁鋁制管路，焊縫多，焊接變形大，焊后直線度不易保證；另外焊縫數(shù)量多造成焊接收縮量大，容易造成焊后總長(zhǎng)度不易保證[1]。某一級(jí)增壓導(dǎo)管為超長(zhǎng)不銹鋼管路，且為空間管路，除上述生產(chǎn)難題外，還存在測(cè)量困難等問(wèn)題。

為妥善解決上述問(wèn)題，擬采用導(dǎo)管環(huán)縫裝焊系統(tǒng)滿足生產(chǎn)需求，保證超長(zhǎng)導(dǎo)管的尺寸和形位要求。

2 研究對(duì)象和裝焊工藝技術(shù)要求

2.1 研究對(duì)象

一級(jí)側(cè)壁排氣導(dǎo)管規(guī)格125mm×2.5mm，材質(zhì)為鋁合金，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，由1個(gè)頭部導(dǎo)管、多段直管、1個(gè)尾部導(dǎo)管依次焊接組成。

1—頭部導(dǎo)管 2—第一段直管 3—第二段直管 4—最后一段直管 5—尾部導(dǎo)管

一級(jí)側(cè)壁增壓導(dǎo)管規(guī)格31mm×1.5mm，材質(zhì)為不銹鋼，由兩側(cè)偏心導(dǎo)管、中間直管焊接為整體，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1—頭部偏心導(dǎo)管 2—1#直管 3—2#直管 4—尾部偏心導(dǎo)管

2.2 裝焊工藝技術(shù)要求

a. 具備環(huán)縫的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能，焊接速度0～2r/min；

b. 直管直線度≤3mm，兩側(cè)法蘭端面平行度≤0.3，法蘭內(nèi)孔同軸度≤1mm；

c. 具備導(dǎo)管長(zhǎng)度檢驗(yàn)功能；

d. 能夠滿足排氣導(dǎo)管自動(dòng)旋轉(zhuǎn)焊接和增壓導(dǎo)管全位置焊兩種焊接狀態(tài)。

3 裝焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 方案概述

由于一級(jí)側(cè)壁排氣管長(zhǎng)度達(dá)到18m，為減少管路旋轉(zhuǎn)焊接過(guò)程中扭切應(yīng)力和變形，管管對(duì)接采用雙邊同步驅(qū)動(dòng)方式。另外管件壁厚較薄，為減少對(duì)焊定位過(guò)程中的錯(cuò)縫，在焊縫處增加外抱箍。為保證產(chǎn)品的尺寸、形位及焊接旋轉(zhuǎn)精度，系統(tǒng)配置固定座、尾座

及輔助托架保證與中心座的同軸度。為適應(yīng)兩種不同直徑工件焊接，系統(tǒng)采用多組輔助托架實(shí)現(xiàn)工件焊縫以外管件的準(zhǔn)確支托。

焊接系統(tǒng)機(jī)械部分主要由固定座、底座、中心座、尾座以及輔助托架等組成，滿足兩種超長(zhǎng)導(dǎo)管的焊接及焊后下架。系統(tǒng)方案示意圖如圖3。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件機(jī)械結(jié)構(gòu)及性能

3.2.1 底座

1—頭部橫梁 2—直線導(dǎo)軌組件 3—齒條 4—橫梁 5—墊鐵 6—螺柱

綜合考慮機(jī)械加工、運(yùn)輸和長(zhǎng)距離調(diào)平，底座分為四段，如圖4所示，頭部橫梁1一段，橫梁4三段，均采用焊接框架式結(jié)構(gòu)，焊后時(shí)效和校平處理，滿足長(zhǎng)期使用時(shí)的穩(wěn)定性；頭部橫梁1和橫梁4分別通過(guò)墊鐵5調(diào)平達(dá)到整體調(diào)平的要求，并分別通過(guò)螺柱6與地基連接。

3.2.2 中心座

當(dāng)手術(shù)結(jié)束之后，護(hù)理人員應(yīng)該將患者安全的送至病房，并在運(yùn)送患者的途中，根據(jù)患者的情況適當(dāng)為其調(diào)整輸液的速度，要注意動(dòng)作的輕柔、平穩(wěn)，切勿因振動(dòng)與牽拉等引起患者的傷口疼痛。應(yīng)該注意保證引流管和靜脈通道的疏通，同時(shí)要為患者做好保暖措施，時(shí)刻關(guān)注患者的呼吸狀況[2]。在手術(shù)結(jié)束后5 h，到患者的病房進(jìn)行巡視，及時(shí)了解患者手術(shù)后的情況，積極鼓勵(lì)患者以樂觀的心態(tài)面對(duì)治療，從而早日康復(fù)。

1—底板 2—中心支座 3—外齒回轉(zhuǎn)軸承 4—過(guò)渡法蘭盤 5—三爪卡盤 6—外抱箍 7—減速電機(jī) 8—齒輪 9—導(dǎo)軌鎖緊器 10—伺服電機(jī) 11—減速器 12—聯(lián)軸器 13—齒輪軸

中心座結(jié)構(gòu)示意圖如圖5，配有左右兩組中心支座2，均安裝在底板1上。中心支座配有高精度外齒轉(zhuǎn)盤軸承3、過(guò)渡法蘭盤4、三爪卡盤5以及外抱箍6，從外圓實(shí)現(xiàn)對(duì)接導(dǎo)管的定位夾緊驅(qū)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)外抱箍減少焊接定位過(guò)程中的對(duì)接錯(cuò)縫。

考慮到管件的焊接平穩(wěn)，管件驅(qū)動(dòng)選用伺服電機(jī)，然后通過(guò)齒輪軸驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)外齒轉(zhuǎn)盤軸承實(shí)現(xiàn)對(duì)接工件的同步旋轉(zhuǎn)；中心座底板與導(dǎo)軌滑塊連接，通過(guò)電機(jī)7驅(qū)動(dòng)齒輪8與底座齒條的嚙合實(shí)現(xiàn)中心座的縱向移動(dòng)。

3.2.3 固定座

1—固定座支架 2—轉(zhuǎn)盤軸承 3—過(guò)渡法蘭盤 4—卡盤 5—指針 6—制動(dòng)器

固定座結(jié)構(gòu)示意圖如圖6，固定座支架上面安裝卡盤、過(guò)渡法蘭盤、精密轉(zhuǎn)盤軸承、制動(dòng)器及指針組件，實(shí)現(xiàn)管件法蘭盤或偏心法蘭盤的定位夾緊、從動(dòng)旋轉(zhuǎn)以及制動(dòng)；固定座轉(zhuǎn)盤軸承屬于隨動(dòng)部件，要求回轉(zhuǎn)摩擦阻力小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量??；制動(dòng)器和指針主要用于保證增壓導(dǎo)管兩端偏心管件的共面。固定座安裝在底座上，是產(chǎn)品的尺寸和形位基準(zhǔn)。

3.2.4 尾座

尾座結(jié)構(gòu)和工作原理大致同固定座，不再贅述。不同的是尾座可以人工在底座上滑動(dòng)并通過(guò)定位插銷定位，從而保證焊后的尺寸要求。

3.2.5 輔助托架

1—滾輪 2—支托 3—絲杠 4—手輪 5—架體 6—導(dǎo)柱 7—指針 8—刻度尺

3.3 系統(tǒng)裝焊流程

3.3.1 排氣導(dǎo)管裝焊流程

a. 將頭部導(dǎo)管法蘭裝夾在固定座卡盤上，將中心座運(yùn)動(dòng)到頭部導(dǎo)管右端并鎖緊，將第一段直管左端穿入中心座，右端放在輔助托架上，調(diào)整中心座兩側(cè)卡盤卡緊對(duì)接工件，用外抱箍箍緊對(duì)接環(huán)縫進(jìn)行定位點(diǎn)焊，移除外抱箍，進(jìn)行環(huán)縫連續(xù)焊接。

b. 將中心座運(yùn)動(dòng)到第一段直管右端，將第二段直管左端穿入中心座，右端放在輔助托架上，調(diào)整中心座卡盤卡緊對(duì)接工件，然后定位點(diǎn)焊、連續(xù)焊接。

c. 重復(fù)第2步進(jìn)行其余直管環(huán)縫焊接。

d. 將中心座運(yùn)動(dòng)到末段直管右端，將尾部導(dǎo)管左端穿入中心座，右端法蘭裝夾在尾座卡盤上，調(diào)整中心座卡盤卡緊對(duì)接工件，然后進(jìn)行定位點(diǎn)焊、連續(xù)焊。

e. 焊接完成后，將尾座和中心座移至底座右端，將導(dǎo)管吊裝卸下。

3.3.2 增壓導(dǎo)管裝焊流程

將頭部偏心導(dǎo)管法蘭通過(guò)偏心法蘭盤裝夾在固定座卡盤上，用制動(dòng)器制動(dòng)卡盤，另一端穿過(guò)中心座，將1#直管一端穿入中心座，另一端放在輔助托架上，調(diào)整中心座卡盤使對(duì)接工件緊密貼合，進(jìn)行全位置焊接；將中心座移至右側(cè)另一條焊縫，重復(fù)上述步驟；將中心座移至最后一條焊縫，將右側(cè)偏心導(dǎo)管法蘭通過(guò)偏心法蘭盤裝夾在尾座卡盤上，制動(dòng)器制動(dòng)卡盤，卡緊對(duì)接工件，進(jìn)行全位置焊接，焊接完成后將尾座和中心座移至底座右端將管件卸下。

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖8 控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作控制為中心座回轉(zhuǎn)軸承同步旋轉(zhuǎn)、中心座縱向移動(dòng)及中心座鎖緊定位。精度指標(biāo)要求工件旋轉(zhuǎn)速度為0～3r/min，縱向移動(dòng)速度為0～5.5m/min。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)選用伺服電機(jī)、半閉環(huán)控制；中心座的縱向移動(dòng)選擇普通異步電機(jī)，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速?？刂葡到y(tǒng)采用集中控制方式，如圖8所示。通過(guò)人機(jī)界面（HMI）實(shí)現(xiàn)所有的控制開關(guān)、按鈕、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等功能，同時(shí)將常用功能按鈕在手持盒上備份，便于工人操作。系統(tǒng)主要控制元件PLC選用西門子S7-200 SMART，完成電機(jī)、電磁閥的指令控制及數(shù)據(jù)采集和計(jì)算[2]，利用模擬量輸入方式獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。通過(guò)西門子WinCC組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)界面程序，實(shí)現(xiàn)所有回路的控制操作和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

4 實(shí)施效果

導(dǎo)管環(huán)縫裝焊系統(tǒng)制造完成后，截止到目前為止，共計(jì)進(jìn)行了兩套18m、共計(jì)4件產(chǎn)品的生產(chǎn)。排氣導(dǎo)管環(huán)縫兩側(cè)導(dǎo)管同步旋轉(zhuǎn)完全由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，減少了人工參與，產(chǎn)品制造的穩(wěn)定性和一致性好。產(chǎn)品相應(yīng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求，實(shí)測(cè)情況如表1。焊后產(chǎn)品順利通過(guò)了冷沖擊、液壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)及檢漏。系統(tǒng)及排氣導(dǎo)管實(shí)物如圖9所示。

表1 焊后產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)實(shí)測(cè)情況

圖9 系統(tǒng)及排氣導(dǎo)管實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)亞洲第一長(zhǎng)度導(dǎo)管的生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了一套超長(zhǎng)導(dǎo)管環(huán)縫裝焊系統(tǒng)，為兩種不同材質(zhì)不同規(guī)格超長(zhǎng)導(dǎo)管的焊接成功生產(chǎn)制造奠定了良好的基礎(chǔ)。超長(zhǎng)導(dǎo)管環(huán)縫裝焊系統(tǒng)的研制，滿足了一機(jī)多用，提高了導(dǎo)管的環(huán)縫焊接質(zhì)量一致性，控制了超長(zhǎng)導(dǎo)管的焊接變形，保證了導(dǎo)管的尺寸和形位精度，縮短了產(chǎn)品加工周期，具備了超長(zhǎng)導(dǎo)管的生產(chǎn)能力。

1 許宗陽(yáng). 船用中型管管、管法蘭機(jī)器人焊接系統(tǒng)研究[D]. 江蘇：江蘇科技大學(xué)，2012

2 廖常初. S7-200 SMART PLC應(yīng)用教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015

Design of Girth Welding System for Extra-long Pipe

Chen Zhenhua Jiang Lan Yuan Liming Li Xu Dai Qin Zhang Xinyu Li Yong Xiao Changyuan

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

In order to improve the reliability requirements of two different type of extra-long conduits for the new-generation launch vehicles, research on the girth welding system of the extra-long conduit was developed. In view of the welding problems of extra-long pipe of multi-circular joint, easy deformation, and welding shrinkage, technical measures, including combined leveling, double-side drive for pipe butt welding, adjustable support for different pipe diameters, were proposed to ensure the welding quality and the functions of automatic rotating welding of exhaust pipe and all-position welding of pressurized pipe were realized. Through the design of the system, the bottleneck of production technology is solved, the size and shape accuracy of the product are guaranteed and the reliability of the product is improved.

extra-long pipe；girth welding；fabrication system

陳振華（1977），工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)；研究方向：非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。

2019-12-16