自動(dòng)焊接技術(shù)與裝備

1 高壓焊接技術(shù)研究

作者所在單位承擔(dān)的子課題包括以下研究?jī)?nèi)容：高壓焊接實(shí)驗(yàn)艙的研制，高壓TIG焊接電源的研制和高壓TIG管道焊接工藝研究。TIG焊是最輕易控制的焊接技術(shù)，在水下復(fù)雜環(huán)境下是首選的焊接方法。

1．1手工高壓TIG焊

手工TIG焊用在不規(guī)則管道的打底焊和局部焊點(diǎn)的修補(bǔ)焊接。在海底高壓且濕潤(rùn)的干式艙中，采用高頻放電引弧對(duì)于潛水員是極不安全的，計(jì)算機(jī)控制的焊接電源可以對(duì)焊接電流和焊接電壓進(jìn)行復(fù)雜精確控制，通過(guò)鎢極和工件的直接接觸實(shí)現(xiàn)引弧是可能的。

1．2 壓力對(duì)TIG焊電弧電壓的影響規(guī)律

壓力對(duì)TiG焊的重要影響是弧壓增加。工作電壓的增加是由于高壓環(huán)境吸熱能力的增加。由于熱量更輕易從電弧外部區(qū)域損失，電弧可以通過(guò)減少直徑來(lái)減少熱量損失。事實(shí)上，這就要求工作電流的電弧交叉區(qū)域小，從而增加電流密度、電離水平和工作溫度。額外的能量需求導(dǎo)致上述的弧壓增加。
假如這個(gè)弧壓由位于母船上的電源提供，則需要增加—個(gè)額外電壓，以滿(mǎn)足連接電源與焊接艙的電纜阻抗的要求。由于環(huán)境對(duì)TIG弧壓的影響，在建立焊接過(guò)程合適的工作電壓限值之前，這些因素必須特別地考慮。

1．3 壓力對(duì)TIG焊焊接效率的影響規(guī)律

對(duì)于TIG焊，效率從l個(gè)大氣壓時(shí)的90％下降到6bar（6×102kPa） 時(shí)的70％， 而8bar（8×102kPa）時(shí)又恢復(fù)到75％，之后基本保持恒定。對(duì)于恒定的工作電流，弧壓隨水深增加的速度比焊接效率下降速度快。

1．4 壓力對(duì)TIG焊電弧穩(wěn)定性的影響規(guī)律

隨著環(huán)境壓力增加，TIG焊電弧穩(wěn)定性降低。對(duì)影響規(guī)律更細(xì)致的分析表明，不穩(wěn)定的程度與屏蔽氣體的大量活動(dòng)有關(guān)，已經(jīng)確證其原因是，鎢極尖真?zhèn)€空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)與電弧四周的漂浮效應(yīng)的共同作用。電弧穩(wěn)定性還受到工作電流、弧長(zhǎng)、焊接預(yù)備的幾何外形以及外磁場(chǎng)的存在等等的影響。

2 焊接自動(dòng)化的必要性

潛水作業(yè)不管呼吸壓縮空氣還是人工配制的混合氣，都存在水下作業(yè)時(shí)間短、減壓時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低的特點(diǎn)。以空氣常規(guī)潛水為例，潛水深度60m以?xún)?nèi)，在較淺深度適宜的水下工作時(shí)間較長(zhǎng)，而在較大深度適宜的水下工作時(shí)間較短。表1列出的空氣常規(guī)潛水深度和水下適宜工作時(shí)間均按國(guó)標(biāo)《空氣潛水減壓技術(shù)要求》（GB12521－90）的規(guī)定。

空氣常規(guī)潛水的潛水深度和水下適宜工作時(shí)間表，見(jiàn)下表，無(wú)論從進(jìn)步焊縫質(zhì)量的角度，還是從進(jìn)步焊接效率的角度，都應(yīng)該盡量選用自動(dòng)焊。當(dāng)然，考慮到水下操縱環(huán)境的惡劣，管道坡口的制備有時(shí)很難達(dá)到自動(dòng)焊所要求的水平，這時(shí)，不得不選用手工焊進(jìn)行打底焊接。

空氣常規(guī)潛水的潛水深度和水下適宜工作時(shí)間表

其中

水下工作時(shí)間（分鐘）
潛水工作效率（％）＝ --------------------------------------- ×100％
水下工作時(shí)間（分鐘）＋減壓時(shí)間（分鐘）

3 雙層管自動(dòng)焊接設(shè)備

在干式艙下潛到海底之前，焊接頭、固定軌道和預(yù)熱裝置安裝在焊室中，替換管段也已經(jīng)在水面預(yù)先預(yù)備好，由設(shè)備運(yùn)載器完成水下焊室和支持船之間的材料、設(shè)備運(yùn)送工作。水下焊接修補(bǔ)至少需要配備二名潛水員，互相配合。當(dāng)配套職員到位并設(shè)置好焊接參數(shù)之后，潛水員通過(guò)潛水鐘靠近并進(jìn)進(jìn)焊室，檢查系統(tǒng)狀態(tài)（包括焊接耗材、預(yù)熱溫度、潮汐狀態(tài)等），然后開(kāi)始焊接過(guò)程。在干式艙中配備潛水員主要是為了焊接預(yù)備、更換電極、調(diào)整送絲角度和位置，事實(shí)上一旦焊接過(guò)程開(kāi)始后，并不需要潛水員的持續(xù)干預(yù)。潛水員對(duì)焊接質(zhì)量的影響非常小，這對(duì)于水下高壓焊接具有深遠(yuǎn)意義，由于通過(guò)該系統(tǒng)可以明顯降低對(duì)潛水員的資質(zhì)要求。

本項(xiàng)目的目標(biāo)是對(duì)渤海灣海域海底輸油雙層管線(xiàn)破損段進(jìn)行焊接修復(fù)，更換新的管段。主要過(guò)程包括，切除破損管段，管線(xiàn)密封與封堵，將干式焊接艙就位到待焊接部位，最后實(shí)施干式高壓TIG焊接。焊接工作包括內(nèi)管的兩道環(huán)縫，外管的兩道環(huán)縫和兩道縱縫。

軌道焊機(jī)結(jié)構(gòu)與組成如圖1所示，其工作原理為：橫向執(zhí)行機(jī)構(gòu)在軸向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及軸向驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的作用下，沿管道方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫縫焊接所需要的軸向運(yùn)動(dòng)?？v向執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以垂直管道方向運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)管道尺寸的變化，焊槍角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)連接板與擺動(dòng)器的移動(dòng)滑塊相連接，焊槍角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由小齒輪和角度調(diào)節(jié)齒輪組成，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證焊槍始終位于管道最高點(diǎn)，并能夠與焊縫成一角度，保證焊接的順利進(jìn)行。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪與導(dǎo)軌嚙合，完成環(huán)縫焊接所需的周向運(yùn)動(dòng)。焊槍配備擺動(dòng)機(jī)構(gòu)以滿(mǎn)足環(huán)縫焊接擺動(dòng)的需要。

軌道焊機(jī)智能控制系統(tǒng)以S7－200型可編程控制器為核心，其外圍主要由人機(jī)接口、爬行車(chē)體伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、機(jī)械記憶跟蹤檢測(cè)與處理電路組成。該控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的視覺(jué)傳感器和角度位置傳感器，可以實(shí)現(xiàn)焊接的記憶跟蹤，軌跡跟蹤精度可以達(dá)到±0.5mm，此外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，軟件設(shè)計(jì)模塊化，可靠性高，系統(tǒng)軟件能根據(jù)遠(yuǎn)控面板上各旋鈕、開(kāi)關(guān)的設(shè)定值來(lái)綜合協(xié)調(diào)控制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動(dòng)作。如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目的研究，可以獲得水下管道修補(bǔ)焊接的技術(shù)成果、焊接工藝和雙層管修復(fù)自動(dòng)焊的設(shè)備，填補(bǔ)該領(lǐng)域的空缺。