周曉蘭 曾垂旋 侯 慈

河北華北石油工程建設(shè)有限公司河北省任丘市062552

1 管道自動(dòng)焊機(jī)現(xiàn)狀及存在問題

河北華北石油工程建設(shè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱公司）原有管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24（圖1）是2005 年從上海前山管道技術(shù)有限公司購(gòu)置的，焊接方法為：手工氬弧焊打底+ 機(jī)器CO2填充、蓋面。該焊機(jī)已使用十幾年，目前存在設(shè)備老化、焊接方法落后等問題。為適應(yīng)小口徑管道焊接日趨自動(dòng)化的焊接需求，決定將管道自動(dòng)化預(yù)制廠房?jī)?nèi)焊接設(shè)備進(jìn)行維修升級(jí)改造。

圖1 改造前管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24

2 管道自動(dòng)焊機(jī)的升級(jí)改造

針對(duì)已有管道自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)備老化及焊接方法落后問題，公司聯(lián)合設(shè)備廠家對(duì)焊接的各項(xiàng)功能進(jìn)行了完善及改造，對(duì)老化的電路及部件進(jìn)行了更換及維修（圖2）。改造后的管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 增加了機(jī)器自動(dòng)氬弧焊打底及埋弧焊填充蓋面的功能。焊接方法為：機(jī)器自動(dòng)氬弧焊打底+CO2氣保焊/ 埋弧焊填充蓋面三合一集成。改造后的管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 與傳統(tǒng)手工焊接對(duì)比有實(shí)用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、焊縫成形美觀、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小、焊材損耗少、環(huán)境污染小，以及能夠持續(xù)連接長(zhǎng)時(shí)間焊接作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)。

改造前后管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 對(duì)比見表1。

圖2 升級(jí)改造完畢的管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24

管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 系統(tǒng)構(gòu)造按功能劃分為3 個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分，即林肯焊接電源、機(jī)械臂焊槍固定架、PLC 主屏控制器和管件支撐滾動(dòng)系統(tǒng)。其中機(jī)械臂焊槍固定架是管道自動(dòng)焊機(jī)焊接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、管道自動(dòng)焊機(jī)臂、末端操作器和內(nèi)部傳感器等組成。它的主要任務(wù)是精確地保證焊槍根據(jù)PLC 主控屏所設(shè)定的焊接要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)。PLC 主屏控制器是管道自動(dòng)預(yù)制焊機(jī)的神經(jīng)中樞，它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、管道自動(dòng)焊機(jī)控制軟件、焊接參數(shù)程序（焊接速度、焊接電流、焊接電壓、焊接層數(shù)、焊絲的送進(jìn)速度、擺幅、擺速、焊槍的角度、氣體的流量、噴嘴的直徑、焊絲干伸長(zhǎng)度、焊接過程中焊槍在左中右停留的時(shí)間等），它負(fù)責(zé)處理管道自動(dòng)焊機(jī)工作過程中的全部信息并控制其全部動(dòng)作。管件支撐滾動(dòng)系統(tǒng)起到支撐固定管件的作用，并根據(jù)管件的焊接速度均勻配合焊槍進(jìn)行自動(dòng)焊接。

管道自動(dòng)預(yù)制焊機(jī)升級(jí)改造的內(nèi)容包括自動(dòng)焊機(jī)控制系統(tǒng)、新增氬弧焊焊槍、埋弧焊焊接機(jī)頭、焊槍、送絲機(jī)、水冷系統(tǒng)、高頻發(fā)生器、十字調(diào)節(jié)器等配件與原有的焊機(jī)設(shè)備優(yōu)化整合改造。實(shí)現(xiàn)氬弧焊+CO2氣保焊+ 埋弧焊三合一集成一體化。整套焊機(jī)設(shè)備全面檢查、維修、保養(yǎng)，更換旋鈕、按鈕開關(guān)、老化線纜氣管、等離子二次線夾具，重新制作電氣控制線路板，改善提升機(jī)器整體性能。

升級(jí)完畢的管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 為觸摸屏人機(jī)界面（圖3），需要在歡迎界面輸入用戶密碼進(jìn)入主頁(yè)面，區(qū)分為6 個(gè)功能模塊：歡迎界面、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、安裝說(shuō)明、擴(kuò)展功能。

（1）手動(dòng)控制區(qū)域：手動(dòng)控制模式下，各部件控制主要通過手動(dòng)點(diǎn)擊觸摸屏，對(duì)焊件托架進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)調(diào)整；對(duì)槍架進(jìn)行上升、下降、左移、右移、進(jìn)槍、退搶、擺動(dòng)設(shè)置。

表1 改造前后管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 對(duì)比

（2）自動(dòng)控制區(qū)域：可以通過觸摸屏對(duì)焊接托架進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置；對(duì)槍架進(jìn)行擺幅、擺速、提槍量、焊接層數(shù)、總層數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（3）參數(shù)設(shè)置區(qū)域：可以通過觸摸屏對(duì)引弧時(shí)間、搭接時(shí)間、收弧時(shí)間、送絲延時(shí)、回?zé)?、回抽時(shí)間、多層參數(shù)（擺幅、擺速、轉(zhuǎn)速、左停、右停、提槍量）進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。

圖3 觸摸屏控制界面截圖

觸控屏主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)焊機(jī)焊槍的工作過程控制，針對(duì)自動(dòng)焊機(jī)配套電源的電流、電壓需要，根據(jù)已有的焊接經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。這些參數(shù)的設(shè)置尤為重要，直接影響著焊接質(zhì)量的好壞。最初設(shè)想將電流電壓參數(shù)同步設(shè)置進(jìn)觸控屏，將焊接經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值直接錄入存儲(chǔ)進(jìn)觸控屏，但因?yàn)楝F(xiàn)有配套的焊接電源年代久遠(yuǎn)，焊機(jī)電源內(nèi)并未設(shè)置程序控制的接口，所以直接存儲(chǔ)整套焊接參數(shù)的想法暫時(shí)行不通。為了更加明確直接地指導(dǎo)焊工對(duì)自動(dòng)焊接的操作，通過大量的焊接試驗(yàn)，總結(jié)匯總了焊接過程中發(fā)現(xiàn)的問題及對(duì)應(yīng)的解決方案。最終，有效提升了管道自動(dòng)預(yù)制焊機(jī)焊接一次合格率（達(dá)到98%），在熟練掌握焊機(jī)操作的情況下可達(dá)100%。

3 試焊過程中存在問題及解決方案

改造后管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 因?yàn)槿鄙賹?duì)應(yīng)的具體焊接參數(shù)，沒有焊縫跟蹤系統(tǒng)，且機(jī)器焊接時(shí)針對(duì)焊接管件橢圓度、坡口加工精度、組對(duì)間隙，以及焊工操作熟練程度等都有較高要求。為保證焊機(jī)在焊接過程中達(dá)到較高的一次合格率，需要進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)，尋找改進(jìn)后焊機(jī)焊接中存在的問題并進(jìn)行分析研究，以確定適宜的焊接參數(shù)，并編制相應(yīng)的設(shè)備操作流程說(shuō)明。管道自動(dòng)焊機(jī)試驗(yàn)初期焊接一次合格率如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)初期焊接合格率

3.1 焊材的問題

管道自動(dòng)焊機(jī)焊接培訓(xùn)及練兵初期，因新預(yù)定的焊材未到貨，先期使用了之前庫(kù)存的CO2氣體保護(hù)焊絲，雖然其外觀與新焊絲無(wú)差別，但是在實(shí)際焊接過程中偶爾會(huì)出現(xiàn)焊機(jī)停機(jī)、卡頓、未熔等問題，焊接完畢的焊縫外觀目測(cè)有均勻的弧坑，焊縫外觀成型質(zhì)量差，且焊道無(wú)損檢測(cè)合格率低。經(jīng)分析，認(rèn)為庫(kù)存焊絲由于長(zhǎng)期存放、受潮等原因已不適用管道自動(dòng)焊機(jī)的焊接需求，因而及時(shí)更換了新焊絲，基本上解決了上述問題。圖5 為更換焊絲前后的焊縫外觀。

3.2 坡口制作的精度問題

根據(jù)管道焊接組對(duì)質(zhì)量要求，坡口制作精度對(duì)焊接合格率影響較大。但在管道自動(dòng)焊接練兵初期，焊接使用的管材是庫(kù)存舊管材，針對(duì)不同管徑、不同批次、不同材質(zhì)管材加工制造的橢圓度，以及庫(kù)存管材不同的銹蝕度，先后采用人工火焊切割、磁力切割機(jī)切割和外委加工車坡口等方式進(jìn)行坡口的加工制作，前面兩種方法切割出來(lái)的坡口對(duì)傳統(tǒng)的手工焊接影響不大，但應(yīng)用在自動(dòng)化焊機(jī)上進(jìn)行氬弧焊打底基本上無(wú)法進(jìn)行。因?yàn)楣艿雷詣?dòng)焊機(jī)對(duì)管道坡口的精度要求較高，人工切割的坡口在管道自動(dòng)焊機(jī)上應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致焊機(jī)頻繁卡頓、停機(jī)。為此，外委加工了一批坡口專門應(yīng)用到管道自動(dòng)焊機(jī)，結(jié)果焊接效果大幅提升，成功地焊接出完整的氬弧焊打底焊口。因此，管道自動(dòng)焊機(jī)焊接所用的管材坡口要求外表有金屬光澤，且切面平整規(guī)則。圖6為人工加工和機(jī)器加工的坡口。

圖6 人工加工和機(jī)器加工的坡口

3.3 焊縫組對(duì)的間隙問題

根據(jù)管道焊接組對(duì)的質(zhì)量要求，焊口組對(duì)間隙對(duì)焊接質(zhì)量影響也較大。管道自動(dòng)焊接練兵初期使用的人工切割坡口，打磨之后組對(duì)的間隙加上管子橢圓度的影響，同一道口的組對(duì)間隙最小為1mm，最大點(diǎn)達(dá)到4～5mm；而使用坡口機(jī)加工出來(lái)的坡口組對(duì)的焊口間隙最小點(diǎn)可達(dá)0～1mm，最大點(diǎn)達(dá)到2～3mm，焊口組對(duì)間隙的縫隙均勻度大大提高（圖7）。管道自動(dòng)焊機(jī)焊接過程中組對(duì)間隙均勻的機(jī)加工坡口焊接更順暢，焊機(jī)卡頓，以及因焊絲觸碰管材坡口而導(dǎo)致的停機(jī)現(xiàn)象大幅減少。因此，管道自動(dòng)焊機(jī)焊接時(shí)管材的坡口組對(duì)間隙大小差距應(yīng)控制在1mm 左右。

3.4 焊機(jī)焊接參數(shù)的影響

為得到本次改造管道自動(dòng)焊接的最佳工藝參數(shù)，針對(duì)焊接速度、焊接電流、焊接送絲速度和焊接擺幅大小進(jìn)行了多次試驗(yàn)。施焊初期，在其他條件不變的情況下，分別從最小值至最大值改變焊接速度、焊接電流和焊接送絲速度，觀測(cè)焊縫外觀最佳時(shí)的數(shù)值，并做好相關(guān)記錄。

3.4.1 焊接速度

圖7 手工打磨和機(jī)加工坡口的組對(duì)間隙

管道自動(dòng)焊機(jī)焊接速度設(shè)置過快，焊材使用少、焊道薄，會(huì)導(dǎo)致未熔、未焊透等焊接缺陷；焊接速度設(shè)置過慢，焊材使用多、焊道厚，會(huì)導(dǎo)致熱量集中熔孔增大，從而形成焊瘤等焊接缺陷。焊接速度還與坡口形式、角度大?。ń嵌仍酱筇畛淞吭酱?，焊接速度越慢），以及是否有鈍邊有關(guān)（有鈍邊需要設(shè)置較慢的焊接速度，且可以減少焊材填充量），而且焊機(jī)焊接速度的快慢設(shè)置也會(huì)因焊工焊接習(xí)慣的不同而有所差別。

3.4.2 焊接電流參數(shù)

管道自動(dòng)焊機(jī)焊接過程中，如果設(shè)置焊接電流過小，會(huì)出現(xiàn)不易起弧、易息弧、電弧不穩(wěn)定、熔深不足，焊道窄余高大等現(xiàn)象，容易造成未焊透、夾渣、焊瘤和冷裂紋等問題；如果設(shè)置焊接電流過大，則焊縫熔深大，焊道寬余高大，容易造成燒穿、咬邊、夾鎢、氣孔、熱裂紋等焊接缺陷。在其他條件不變的情況下，加大電流可以加大熔深和熔寬，同時(shí)飛濺也會(huì)加大。通過焊接試驗(yàn)不斷測(cè)試電流大小，直至達(dá)到合格的焊縫要求。

3.4.3 焊接送絲速度

焊機(jī)送絲機(jī)構(gòu)、送絲電路對(duì)管道自動(dòng)焊機(jī)送絲速度靈敏度有直接影響，而送絲速度對(duì)于焊接過程的穩(wěn)定、焊縫成型質(zhì)量起著重要的作用。在其他焊接條件不變的情況下，變換不同的送絲速度，觀察檢驗(yàn)焊縫的成型質(zhì)量好壞發(fā)現(xiàn)：送絲速度過快，大于熔化速度時(shí)，未熔化的焊絲穿過焊接熔池會(huì)造成穿絲、燒斷等問題，破壞焊縫成型；送絲速度過慢，則會(huì)造成金屬填充量不足，形成咬邊缺陷；送絲速度不穩(wěn)定，又會(huì)造成焊縫高低不平、寬窄度不均勻等焊接缺陷。

3.4.4 焊槍擺幅大小設(shè)置

焊絲的型號(hào)及送絲速度決定了焊縫的寬度，但是通過送絲速度調(diào)節(jié)焊縫的寬度范圍有限，必須通過設(shè)置焊槍擺幅大小來(lái)達(dá)到焊縫的預(yù)定寬度。因管道自動(dòng)焊機(jī)未設(shè)定焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊接作業(yè)前需要將擺幅在PLC 控制面板設(shè)置完畢，而焊接過程中在PLC 控制面板無(wú)法臨時(shí)調(diào)整擺幅大小，因此需要手動(dòng)調(diào)節(jié)控制擺幅的大小。若擺幅太大，易產(chǎn)生未焊透和氣孔缺陷；而擺幅太小，則達(dá)不到焊縫寬度，會(huì)產(chǎn)生咬邊和余高不足的缺陷。通過調(diào)整焊接參數(shù)，焊接出的焊道外觀如圖8所示。

圖8 管道自動(dòng)焊機(jī)氬弧焊打底和CO2 氣保焊填充蓋面外觀

3.5 高頻發(fā)生器電磁干擾問題

管道自動(dòng)焊機(jī)在焊接過程中出現(xiàn)了不明原因的停機(jī)、卡頓，以及焊機(jī)不送絲、送絲機(jī)反應(yīng)遲鈍等現(xiàn)象；設(shè)置送絲速度為0 時(shí)機(jī)器依然送絲，而且加快或者減慢送絲速度送絲機(jī)反應(yīng)緩慢。逐個(gè)檢查所有電氣線路及設(shè)備元件接線，未發(fā)現(xiàn)問題。結(jié)合設(shè)備改造廠家提出的建議認(rèn)為：在開啟高頻發(fā)生器，焊機(jī)引弧操作之后，需要及時(shí)將高頻發(fā)生器關(guān)閉防止電磁干擾。經(jīng)過試驗(yàn)操作之后，仍出現(xiàn)焊接過程無(wú)原因停機(jī)、卡頓現(xiàn)象，無(wú)法完成整道焊口的連續(xù)順暢焊接。經(jīng)多方查找原因，并結(jié)合電氣儀表相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行焊接試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作分析檢查，確定為高頻發(fā)生器干擾導(dǎo)致的問題。通過對(duì)高頻發(fā)生器、送絲機(jī)、管道自動(dòng)焊機(jī)的接電線路逐一進(jìn)行防干擾試驗(yàn)，即將高頻發(fā)生器、送絲機(jī)逐個(gè)設(shè)置白鐵皮防電磁干擾箱，將連接焊機(jī)的線路設(shè)置防電磁干擾防護(hù)層。經(jīng)過多次防干擾試驗(yàn)及采取防干擾措施，終于成功解決了高頻發(fā)生器的電磁干擾問題。詳見圖9—圖11。

4 焊接操作參數(shù)的確定及設(shè)備操作流程

經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)及調(diào)整，對(duì)管道自動(dòng)焊機(jī)操作流程、注意事項(xiàng)進(jìn)行了匯總整理，形成了管道自動(dòng)焊機(jī)操作指南，總結(jié)出了固定式管道自動(dòng)焊接焊接參數(shù)范圍，如表2 和表3 所示。

圖9 送絲機(jī)加裝防電磁干擾防護(hù)層

圖10 焊機(jī)架加裝防電磁干擾防護(hù)層

圖11 高頻發(fā)生器移位加裝防電磁干擾防護(hù)層

通過各項(xiàng)影響焊接質(zhì)量的因素分析及逐個(gè)改進(jìn)，焊接一次合格率有了跨越式的提升，升級(jí)改造后的管道自動(dòng)焊機(jī)在華油工建公司油建二公司長(zhǎng)慶分公司蘇米圖項(xiàng)目安裝調(diào)試并進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，焊接的管件材質(zhì)涉及20# 的Φ60×5、Φ76×9、Φ89×6、Φ114×5共4 種規(guī)格的試件，經(jīng)RT 無(wú)損檢測(cè)抽檢4 道焊口，無(wú)損檢測(cè)100%合格。2020 年8 月份，管道自動(dòng)焊機(jī)PPAWM- 24 在油建二公司長(zhǎng)慶分公司蘇米圖項(xiàng)目正式啟用后,進(jìn)行井口預(yù)制焊接技術(shù)應(yīng)用，百口磨合階段焊接Φ76×9 焊口100 道，經(jīng)RT 無(wú)損檢測(cè)，合格100道，焊接一次合格率達(dá)到100%（圖12）。目前，升級(jí)改造后的管道自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)入500 道口井口預(yù)制焊接作業(yè)期，繼續(xù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過本次管道自動(dòng)焊機(jī)的升級(jí)改造及焊接參數(shù)的摸索，解決了各種焊接缺陷、高頻發(fā)生器電磁干擾等主要問題，實(shí)現(xiàn)了管道自動(dòng)焊機(jī)焊接一次合格率達(dá)到98%以上的既定目標(biāo)。管道自動(dòng)焊機(jī)實(shí)用性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、焊縫成形美觀、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率比人工高出3 倍，焊材使用比人工焊接節(jié)約1/ 3，能夠大大降低焊工的作業(yè)強(qiáng)度。

表2 管道預(yù)制自動(dòng)焊機(jī)參數(shù)

表3 管道預(yù)制自動(dòng)焊機(jī)參數(shù)

圖12 管道自動(dòng)焊機(jī)升級(jí)改造后的效果

數(shù)據(jù)顯示，在過去10 年歐美發(fā)達(dá)國(guó)家新建的管道中，自動(dòng)焊接技術(shù)的比例超過85%，然而在我國(guó)自動(dòng)焊接比例僅不到5%。應(yīng)用管道自動(dòng)焊接技術(shù)不僅是管道行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是管道施工企業(yè)開拓海外市場(chǎng)的利器。管道自動(dòng)焊接技術(shù)的研究為公司及國(guó)內(nèi)自動(dòng)焊接技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，以及海外市場(chǎng)的拓展貢獻(xiàn)了一份力量。