一种有轨式全位置机动焊接装置及其焊接工艺的制作方法

本发明涉及一种有轨式全位置机动焊接装置及其焊接工艺，特别适用于三维曲面的全位置焊接，属于焊接系统技术领域。

背景技术：

20 世纪70 年代，国外就开始研究球罐全位置自动焊技术，前苏联、德国、日本和美国等较早将自动焊技术应用于球罐制造业。最初工程应用中主要采用埋弧自动焊对球体局部位置进行焊接。但埋弧自动焊受到了位置限制，其焊接过程需要球罐转动，很难满足大体积球罐焊接要求。随着焊接技术的发展，球罐的自动化焊接技术也得到了较快的发展。目前，美国、日本等工业发达国家在球罐全位置自动焊中相继应用了药芯焊丝自保护焊及MIG 焊等方法，并开发了一系列多功能球罐自动焊接设备和相应的自动焊材，以适应球罐高参数和多品种的发展需要。目前国内现场安装的球形储罐普遍采用焊条电弧焊进行焊接，焊工劳动强度大，环境恶劣，尤其内壁施焊时，烟尘很大，不能很好地预防，严重影响焊工身体健康。1990年代国内开始有施工企业探索球罐全位置自动焊，主要以药芯焊丝为主焊接球罐纵缝，不能实现全位置焊接。近年来球罐手工焊工日工资高达500元以上，焊工劳动成本的大幅上涨导致施工企业成本压力越来越大，采用更为先进的球罐自动焊接技术取代传统手工焊是石化工程建设市场发展的必然趋势。国内大型球罐群、化工装置、大型储运设施等工程项目越来越多，每个工程的焊接工程量都很大。实芯焊丝全位置自动焊接方法比焊条电弧焊效率高、对焊工素质要求较低，同时实芯焊丝为《压力容器焊接规程》推荐使用的焊接材料，应用无障碍。开发实芯焊丝全位置自动焊接技术不仅可应用在球罐焊接上，也可应用于现场组焊容器和常压储罐、烟道等的焊接，应用前景十分可观。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种有轨式全位置机动焊接装置及焊接工艺，以解决现有技术下焊工的恶劣工作环境、低下工作效率及项目成本增加等问题，同时，该发明还可有效保障焊接质量及焊缝金属力学性能。

本发明采取的技术方案是：一种有轨式全位置机动焊接装置，包括行走系统，焊接系统和气保护系统，所述行走系统包括钢制半柔性轨道、行走小车和驱动机构，所述行走小车安装在钢制半柔性轨道上并通过所述驱动机构驱动行走，所述钢制半柔性轨道上设有安装支架，安装支架的顶端连接可180°旋转的开关磁铁，所述行走小车的车体上连接有十字调节机构、摆动调节机构、焊枪加持机构及送丝机构，所述摆动调节机构包括摆动器和角度调节器，所述摆动器与角度调节器相互连接配合，且摆动器连接在所述十字调节机构的前端，所述焊枪加持机构固定在角度调节器上。

进一步的，所述钢制半柔性轨道包括采用宽100mm、厚3mm钢板制作的轨道面板以及固定在该轨道面板中间位置的齿条，所述齿条与驱动机构中的驱动齿轮啮合，所述轨道面板的背面固定有可调节的安装支架。

进一步的，所述气保护系统气瓶、气带和气体配比器，所述气瓶包括一瓶纯度99.99%的Ar气与一瓶CO₂气，且两瓶气体通过气带连接到气体配比器的输入端，通过设定气体配比器的配比量，从气体配比器输出端通过电磁阀然后进入焊枪。

进一步的，所述焊接系统包括焊接电源和外接控制盒，所述焊接电源通过焊接把线连接焊枪，并通过焊接地线连接焊接母材；所述外接控制盒通过小车控制线连接所述行走系统的驱动机构，通过丝送机控制线连接所述送丝机构，以及通过电压反馈线分别连接焊枪和焊接母材。

进一步的，所述外接控制盒通过主控制线连接所述气体配比器，通过控制气体配比器来调节Ar气与CO₂气的配合比例。

进一步的，所述摆动器内部设置有左右停顿时间控制电路及五种摆动方式选择电路；所述送丝机构的送丝机内部设置有与送丝通断电路相配合使用的延时断弧电路。

进一步的，所述十字调节机构、摆动调节机构及焊枪夹持机构均固定在一根连杆上，且该连杆可180°调节。

本发明采取的另一技术方案是：一种有轨式全位置机动焊接装置的焊接工艺，其包括以下步骤：

步骤一：在所要施焊的焊接母材的焊缝附近固定电压反馈线，实现焊接电缆较长时终端电压的精确控制；

步骤二：选择根焊程序：采用可控的短路过渡形式，自动选取焊接工艺参数，且辅助人工对焊接参数的微调，实现根焊完全穿透；

步骤三：选择填充层及盖面层程序：采用精确脉冲形式，自动选取焊接工艺参数，且辅助人工对焊接参数的微调，按焊接位置选择焊丝行走轨迹，实现填充层及盖面层焊接；其中，所输入或自动选取的焊接工艺参数为：所用焊接材料为Ø1.2-2.0mm焊丝；焊接电流为100A-220A；焊接电压为18V-25V；送丝速度为160-240cm/min；焊接速度为6-15cm/min；焊丝杆伸长为15-25mm；直线摆动方式，焊丝行走轨迹为锯齿形、斜45°锯齿形及不规则梯形的组合；停顿时间为0-2s；

步骤四：通过操作外接控制盒控制行走小车沿所述钢制半柔性轨道行走，且通过固定在所述行走小车上的半自动气保护焊接系统的焊枪进行焊接，其焊接过程包括以下步骤：

（a）对所要焊接的焊缝进行除锈清洁预热后，按步骤二选择的程序进行根焊；

（b）按步骤三选择的程序辅助人工对焊接参数的微调进行填充层焊接，按焊接位置选择焊丝行走轨迹，直至焊到焊口深度为2-3mm处；

（c）按步骤三选择的程序辅助人工对焊接参数的微调，按焊接位置选择焊丝行走轨迹，进行盖面层焊接。

进一步的，所述步骤一中的焊接母材为直径Ø≧2m、壁厚≧4mm的筒体或者直径Ø≧9m、壁厚≧8mm的球罐，且焊接母材的材质为碳钢；所述步骤三中所述的焊丝为实芯焊丝或金属粉芯焊丝或自保护焊丝，焊丝直径Ø1.2-Ø2.0mm。

进一步的，所述步骤（a）中所述的根焊为摆动模式下的单道焊，步骤（b）中的填充层焊接为摆动模式下的单道或多道焊，步骤（c）中的填充层焊接为摆动模式下的单道或多道焊。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、适合于三维曲面及各种位置的焊接，尤其解决了行业内一直未能解决的三维曲面横缝焊接问题。

2、使用脉冲MAG焊，可以满足多种材质的焊接要求，既可以使用自保护焊丝焊接，也可以使用实芯焊丝或者金属粉芯焊丝焊接，焊接飞溅小，焊接熔池稳定性好。

3、因塑料或橡胶材质，不适合球罐焊接时的高温，故使用钢制半柔性可调节轨道，把需要焊接的焊缝假想成一个圆面，以这个圆面的直径为直径把需要焊接的焊缝围成的圆面顺着直径逐渐减小的一侧假想成一个圆柱体，这样就可以利用轨道安装支架一侧可调节的功能，解决三维曲面焊道焊丝行走轨迹无法与焊缝保持重叠的问题。

4、使用钢制半柔性可调节轨道，辅助十字调节机构、摆动机构、焊枪加持机构作为一个整体部件使用时相对于小车可以整体调节的功能，完美解决了三维曲面横缝无法自动焊接的问题。

5、设备重量轻，行走小车、送丝机构、十字调节机构、摆动机构、焊枪加持机构总共重12kg，更方便于现场操作与搬运。

6、使用体积小巧的单块承重45kg的开关磁铁，避免了电磁铁因突然断电致使设备掉落的危险及永磁铁会吸附大量杂物的困扰，更加有利于轨道的安装及搬运，同时非常可靠的保证了设备使用安全。

7、多种摆动方式的组合，有效保证了焊缝外观成型。

8、摆动方式与停顿时间组合，有效消除了实芯焊丝直线摆动在盖面焊接时出现的咬边现象。

9、焊缝金属熔敷率高，手工焊熔敷率为45-55%，脉冲MAG焊熔敷率为90-95%，焊材利用率显著提高。

10、工效高，相比此类化工设备使用的现有技术，该项技术的应用至少提高工效3-5倍。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的原理结构框图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是本发明所用钢制半柔性轨道示意图。

图4是安装支架安装调整示意图。

图5是十字调节机构、摆动调节机构、焊枪加持机构连接示意图。

图6是纵缝焊接焊缝焊道排布示意图。

图7是横缝及仰焊位置焊缝焊道排布示意图。

图中标记为：1-焊接电源，2-外接控制盒，3-气瓶，4-气体配比器，5-行走小车，6-钢制半柔性轨道，7-齿条，8-安装支架，9-开关磁铁，10-十字调节机构，11-摆动调节机构，12-焊枪加持机构，13-送丝机构，14-焊接母材。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一。

如图1-5所示，一种有轨式全位置机动焊接装置，包括行走系统，焊接系统和气保护系统，所述行走系统包括钢制半柔性轨道6、行走小车5和驱动机构，所述行走小车5安装在钢制半柔性轨道6上并通过所述驱动机构驱动行走，所述钢制半柔性轨道6上设有安装支架8，安装支架8的顶端连接可180°旋转的开关磁铁9，所述行走小车5的车体上连接有十字调节机构10、摆动调节机构11、焊枪加持机构12及送丝机构13，所述摆动调节机构11包括摆动器和角度调节器，所述摆动器与角度调节器相互连接配合，且摆动器连接在所述十字调节机构10的前端，所述焊枪加持机构12固定在角度调节器上。

本实施例中，所述钢制半柔性轨道6包括采用宽100mm、厚3mm钢板制作的轨道面板以及固定在该轨道面板中间位置的齿条7，所述齿条7与驱动机构中的驱动齿轮啮合，所述轨道面板的背面固定有可调节的安装支架8。

本实施例中，所述气保护系统气瓶3、气带和气体配比器4，所述气瓶3包括一瓶纯度99.99%的Ar气与一瓶CO₂气，且两瓶气体通过气带连接到气体配比器4的输入端，通过设定气体配比器4的配比量（80%Ar；20% CO₂），从气体配比器4输出端通过电磁阀然后进入焊枪。此系统是为了使气体配比更加准确，焊接熔池得到更好的保护。

本实施例中，所述焊接系统包括焊接电源1和外接控制盒2，所述焊接电源1通过焊接把线连接焊枪，并通过焊接地线连接焊接母材14；所述外接控制盒2通过小车控制线连接所述行走系统的驱动机构，通过丝送机控制线连接所述送丝机构13，以及通过电压反馈线分别连接焊枪和焊接母材14。

本实施例中，所述外接控制盒2通过主控制线连接所述气体配比器4，通过控制气体配比器来调节Ar气与CO₂气的配合比例。所述摆动器内部设置有左右停顿时间控制电路及五种摆动方式选择电路；所述送丝机构13的送丝机内部设置有与送丝通断电路相配合使用的延时断弧电路。所述十字调节机构10、摆动调节机构11及焊枪夹持机构12均固定在一根连杆上，且该连杆可180°调节。

实施例二。

一种有轨式全位置机动焊接装置的焊接工艺，其包括以下步骤：

步骤一：在所要施焊的焊接母材的焊缝附近固定电压反馈线，实现焊接电缆较长时终端电压的精确控制；

步骤二：选择根焊程序：采用可控的短路过渡形式，自动选取焊接工艺参数，且辅助人工对焊接参数的微调，实现根焊完全穿透；

步骤三：选择填充层及盖面层程序：采用精确脉冲形式，自动选取焊接工艺参数，且辅助人工对焊接参数的微调，按焊接位置选择焊丝行走轨迹，实现填充层及盖面层焊接；其中，所输入或自动选取的焊接工艺参数为：所用焊接材料为Ø1.2-2.0mm焊丝；焊接电流为100A-220A；焊接电压为18V-25V；送丝速度为160-240cm/min；焊接速度为6-15cm/min；焊丝杆伸长为15-25mm；直线摆动方式，焊丝行走轨迹为锯齿形、斜45°锯齿形及不规则梯形的组合；停顿时间为0-2s；

步骤四：通过操作外接控制盒控制行走小车沿所述钢制半柔性轨道行走，且通过固定在所述行走小车上的半自动气保护焊接系统的焊枪进行焊接，其焊接过程包括以下步骤：

（a）对所要焊接的焊缝进行除锈清洁预热后，按步骤二选择的程序进行根焊；

（b）按步骤三选择的程序辅助人工对焊接参数的微调进行填充层焊接，按焊接位置选择焊丝行走轨迹，直至焊到焊口深度为2-3mm处；

（c）按步骤三选择的程序辅助人工对焊接参数的微调，按焊接位置选择焊丝行走轨迹，进行盖面层焊接。

本实施例中，所述步骤一中的焊接母材为直径Ø≧2m、壁厚≧4mm的筒体或者直径Ø≧9m、壁厚≧8mm的球罐，且焊接母材的材质为碳钢；所述步骤三中所述的焊丝为实芯焊丝或金属粉芯焊丝或自保护焊丝，焊丝直径Ø1.2-Ø2.0mm。

本实施例中，所述步骤（a）中所述的根焊为摆动模式下的单道焊，步骤（b）中的填充层焊接为摆动模式下的单道或多道焊，步骤（c）中的填充层焊接为摆动模式下的单道或多道焊。

实施例三。

摆动系统，摆动方式为直线摆动，通过机械方式调节摆动机构，可实现斜45度摆动，通过开关档位控制，可实现长方形、锯齿形、梯形、四边形焊丝行走轨迹。

纵缝焊接时，将钢制半柔性可调节轨道粘贴在距离焊缝边缘220mm的等距离曲线上，将全位置机动焊接行走小车固定在钢制半柔性可调节轨道上，轻微调节钢制半柔性可调节轨道，就可以实现焊接。

横缝及仰焊位焊接时，将钢制半柔性可调节轨道粘贴在距离焊缝边缘220mm的下侧，并通过调节钢制半柔性轨道，使钢制半柔性可调节轨道粘贴在焊缝下方等距离曲线上（这一过程，要保证焊缝上坡口边缘与水平面的垂线和轨道面板平行），将全位置机动焊接行走小车固定在钢制半柔性可调节轨道上，就可以实现焊接。

以上实施例中所涉及的十字调节机构、摆动调节机构、焊枪加持机构及送丝机构均直接采用现有的结构即可，本专利无需对其再作创造性改进。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。