自動焊接技術(shù)與裝備

1 高壓焊接技術(shù)研究

作者所在單位承擔的子課題包括以下研究內(nèi)容：高壓焊接實驗艙的研制，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的修補焊接。在海底高壓且濕潤的干式艙中，采用高頻放電引弧對于潛水員是極不安全的，計算機控制的焊接電源可以對焊接電流和焊接電壓進行復(fù)雜精確控制，通過鎢極和工件的直接接觸實現(xiàn)引弧是可能的。

1．2 壓力對TIG焊電弧電壓的影響規(guī)律

壓力對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，電弧可以通過減少直徑來減少熱量損失。事實上，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。額外的能量需求導致上述的弧壓增加。
假如這個弧壓由位于母船上的電源提供，則需要增加—個額外電壓，以滿足連接電源與焊接艙的電纜阻抗的要求。由于環(huán)境對TIG弧壓的影響，在建立焊接過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TIG焊焊接效率的影響規(guī)律

對于TIG焊，效率從l個大氣壓時的90％下降到6bar（6×102kPa） 時的70％， 而8bar（8×102kPa）時又恢復(fù)到75％，之后基本保持恒定。對于恒定的工作電流，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。對影響規(guī)律更細致的分析表明，不穩(wěn)定的程度與屏蔽氣體的大量活動有關(guān)，已經(jīng)確證其原因是，鎢極尖真?zhèn)€空氣動力學效應(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、焊接預(yù)備的幾何外形以及外磁場的存在等等的影響。

2 焊接自動化的必要性

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)時間短、減壓時間長、工作效率低的特點。以空氣常規(guī)潛水為例，潛水深度60m以內(nèi)，在較淺深度適宜的水下工作時間較長，而在較大深度適宜的水下工作時間較短。表1列出的空氣常規(guī)潛水深度和水下適宜工作時間均按國標《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間表，見下表，無論從進步焊縫質(zhì)量的角度，還是從進步焊接效率的角度，都應(yīng)該盡量選用自動焊。當然，考慮到水下操縱環(huán)境的惡劣，管道坡口的制備有時很難達到自動焊所要求的水平，這時，不得不選用手工焊進行打底焊接。

空氣常規(guī)潛水的潛水深度和水下適宜工作時間表

其中

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

3 雙層管自動焊接設(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)備運載器完成水下焊室和支持船之間的材料、設(shè)備運送工作。水下焊接修補至少需要配備二名潛水員，互相配合。當配套職員到位并設(shè)置好焊接參數(shù)之后，潛水員通過潛水鐘靠近并進進焊室，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），然后開始焊接過程。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，事實上一旦焊接過程開始后，并不需要潛水員的持續(xù)干預(yù)。潛水員對焊接質(zhì)量的影響非常小，這對于水下高壓焊接具有深遠意義，由于通過該系統(tǒng)可以明顯降低對潛水員的資質(zhì)要求。

本項目的目標是對渤海灣海域海底輸油雙層管線破損段進行焊接修復(fù)，更換新的管段。主要過程包括，切除破損管段，管線密封與封堵，將干式焊接艙就位到待焊接部位，最后實施干式高壓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。

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

軌道焊機智能控制系統(tǒng)以S7－200型可編程控制器為核心，其外圍主要由人機接口、爬行車體伺服驅(qū)動器、步進電機控制驅(qū)動電路、機械記憶跟蹤檢測與處理電路組成。該控制系統(tǒng)采用了先進的視覺傳感器和角度位置傳感器，可以實現(xiàn)焊接的記憶跟蹤，軌跡跟蹤精度可以達到±0.5mm，此外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，軟件設(shè)計模塊化，可靠性高，系統(tǒng)軟件能根據(jù)遠控面板上各旋鈕、開關(guān)的設(shè)定值來綜合協(xié)調(diào)控制各機構(gòu)的運行動作。如圖2所示。

4 結(jié)束語

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