CN101780590A - 数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置及其埋弧自动焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的数控马鞍形埋弧自动焊接装置及其埋弧自动焊接方法属于非平面自动焊接技术领域。本发明要解决背景技术焊接重型压力容器中焊接存在生产效率低、焊接质量不易保证的技术问题。本发明的自动焊接装置及其焊接方法主要包括：旋转电机(3)转动带动焊枪(2)做旋转运动a，同时机头升降电机(4)使焊枪(2)做升降运动b，上述两种运动a和b以一定的数学模型进行合成运动，通过该数控的合成运动，焊枪头(2-1)能准确的实现窄坡口马鞍形轨迹的焊接。同时还能实现窄坡口内每一层焊道数、搭接量、焊接层数、焊道厚度的数控。本发明主要用于重型压力容器中接管与筒体间的窄坡口马鞍形焊接。

Description

数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置及其埋弧自动焊方法

技术领域

本发明提出的数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置及其埋弧自动焊方法属于非平面空间焊接连接技术领域，特别涉及到马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置和埋弧自动焊方法。

背景技术

重型压力容器主要包括核电机组中的压力壳、大型煤制气成套设备中煤液化反应器、大型乙烯装置中的加氢反应器、大型火力发电机组中的锅炉汽包。

一台压力容器的筒体需要焊上几个甚至几十个接口管，焊缝为空间马鞍形曲线，但根据不同的坡口形式，需要多层多道连续焊接，这些焊缝往往成为产品制造的关键与瓶颈。

目前，国内大多数厂家采用手工焊接，仅少数厂家采用焊接专用机，但自动化程度不高，焊枪的马鞍形运动靠机械方式实现，即通过焊枪的旋转运动带动偏心轮，通过偏心轮转动带动焊枪升降运动，焊接过程中需要人工调节偏心距，效率低，焊接质量难以保证，而且一旦发生焊接缺陷，由于大厚度、深坡口而非常难以修复。

发明内容

根据背景技术中接管与筒体的马鞍形焊接中存在的问题，本发明提出一种数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置及其埋弧自动焊方法，它能够高质量、高效的完成接管与筒体马鞍形窄坡口的焊接。

本发明的技术方案如下：

1、一种数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊接装置，其特征在于，该自动焊接装置包括：

1)旋转电机3设置在中心固定轴1一侧，机头升降电机4固定在中心固定轴1另一侧，相对于横臂5垂直设置的立柱9的下方固定着焊枪2，横臂5上设有横移电机7，还有一焊枪升降电机8设置在立柱9上，送丝机6固定在立柱9的下方；

2)在多层多道连续焊接时，为防止设备与外部连接的输电线和输气管缠绕，设有旋转导电、导气装置：

旋转导电装置的结构如下：

在中心轴2-5上装有绝缘套2-6，小导电环2-7固定在绝缘套2-6上，小导电环2-7之间装有绝缘环2-8，使之相互绝缘，外部进来的控制导线2-9分别与小导电环2-7连接，外部进来的焊接电流导线2-10与大导电环2-11连接；旋转套2-12上装有互相绝缘的碳刷座2-13，小电刷2-14分别安装在碳刷座2-13中，通过弹簧2-15压紧在小导电环2-7上，引出控制导线2-16与小碳刷2-14连接；大碳刷2-17也通过弹簧2-18压紧在大导电环2-11上，引出的焊接电流导线2-19与大碳刷2-17连接；焊接时，中心轴2-5和小导电环2-7、大导电环2-11固定不动，小碳刷2-14和大碳刷2-17与装置一起转动，焊接电流和控制电流旋转导出；

旋转导气装置的结构如下：

导气轴2-20安装在中心轴2-5上，进气孔2-23设置在导气轴2-20上；导气套2-21安装在旋转套2-22上，出气孔2-24设置在导气套2-21上；导气套2-21加工出环形导气环2-26，其上下个有一个“O”形密封圈2-25，用于防止输入的压缩空气外泄；

当装置旋转时，中心轴2-5、进气孔2-23不动，导气套2-21和出气孔2-24旋转，压缩空气旋转导出，通往控制箱，用于控制箱的空气冷却；

3)夹紧固定装置11包括其上部的转动手轮12、一组伞齿轮11-1、丝母11-2、丝杆11-3，丝杆11-3端头设置的拉杆11-4、移动环11-5以及三组连杆机构11-6；

4)用于窄间隙单边深坡口马鞍形焊接的特殊的焊枪结构，焊枪2截面尺寸为25×8MM，窄处为8MM；该焊枪2由导电嘴2-1，焊枪杆2-2和导丝孔2-4组成，导电嘴2-1通过四个电钉2-3与焊枪杆2-2连接；导电嘴2-1由铬锆铜合金制成，它具有良好的耐磨性。

2、利用上述的自动焊装置进行数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊方法，其特征在于，该自动焊方法包括：

1)旋转电机3转动，通过齿轮副带动焊枪2围绕中心固定轴1进行旋转运动a，同时机头升降电机4通过丝杆、丝母传动副带动横臂5和立柱9做升降运动b，从而带动焊枪2也做同样的升降运动b；

上述两种运动a和b依据一定的数学模型实时进行合成运动，该数学模型以接管14的直径d和筒体13的直径D为参数；通过这种数控的合成运动，使焊枪2能准确的完成接管14与筒体13的窄坡口马鞍形轨迹的焊接；

2)通过装置控制箱10面板上人机界面，输入坡口15内每一层焊接的焊道数量(2～5道)、每一焊道的搭接量、焊接层数以及每一层焊道完成后焊枪(2)的提升高度；自动焊接时焊枪2首先从马鞍形焊道的最低点起焊，焊完一周完成搭接后，焊枪2由内向外自动平移一个位移，进行同层上第二道焊接：当一层焊接完成后，焊枪2自动提升一焊道高度，在坡口15内由外向内进行第二层焊接，依次循环往复进行，直到完成规定的焊接层数；

3)夹紧定位装置11用于将设备夹紧并定位安装在接管14上，人工摇动手轮12，带动一组伞齿轮11-1转动，进而带动丝母11-2，丝母11-2驱动丝杆11-3升降，带动三组连杆机构11-6向外涨紧或向内收缩，当三组连杆机构11-6涨紧在接管14内壁后设备安装完成，并且焊枪2旋转中心定位在接管14的中心上。

3、根据上述2所述的埋弧自动焊方法，当被焊的接管14和筒体13制备的尺寸不准确时，通过开关或遥控器对焊枪2的运动进行微调，横移电机7转动，通过齿轮、丝杆转动副使焊枪2实现在横臂5上的左右微调c，焊枪升降电机8的转动，通过丝杆、丝母传动带实现焊枪2的上下微调d。

4、根据上述2所述的自动焊方法，依据接管14与筒体13的外马鞍形、内马鞍形以及水平环形焊接不同的三种连接形式，设计三种不同的数控程序供选用，其中第一种和第二种程序均为旋转与升降运动合成的马鞍形运动轨迹，只是焊接的起始点位置不同，相差90°，而第三种只有旋转运动，没有升降运动。

采用本发明提出的数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置及其自动焊方法对接管和筒体进行焊接与背景技术中手工或自动化程度不高的焊接方法相比明显提高了生产效率，并且能保证马鞍形焊接的高质量。

附图说明

图1本发明的数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置的示意图；

图2图1的侧视图；

图3焊枪的马鞍形运动轨迹合成示意图；

图4马鞍形窄坡口焊道排列示意图

图5被焊的接管和筒体不同的连接形式的示意图

图6(a)焊枪旋转导电装置的结构示意图；

图6(b)焊枪旋转导气装置的结构示意图；

图7接管的夹紧定位装置的结构图；

图8用于马鞍形窄坡口焊接的焊***构图。

图1和图2可以清楚地表示本发明的数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊装置。中心固定轴1的一侧设置着旋转电机3，机头升降电机4安装在中心固定轴1另一侧，相对于横臂5垂直设置的立柱9的下方固定着焊枪2，横臂5上设有横移电机7，还有一焊枪升降电机8设置在立柱9上，送丝机6固定在立柱9的下方。在装置的下方还有接管14的夹紧定位装置11和转动手轮12。

再结合图3能够看出焊枪2马鞍形运动轨迹的图合成，旋转电机3转动，通过齿轮副带动焊枪2围绕中心固定轴1进行旋转运动a，同时机头升降电机4通过丝杆、丝母传动副带动横臂5和立柱9做升降运动b，从而带动焊枪2也做同样的升降运动b。

上述的两种运动，即焊枪2的旋转运动a和升降运动b依据一定的数学模型实时进行合成运动，该数学模型以接管14的直径d和筒体13的直径D为参数，这样通过数控使焊枪2-1能准确的完成接管14与筒体13间的窄坡口15的马鞍形焊接，图3的曲线16就表示出合成运动后焊枪2马鞍形运动轨迹。

当被焊的接管14和筒体13制备的尺寸不准确时，通过开关或遥控器对焊枪2的运动进行微调，横移电机7转动，通过齿轮、丝杆转动副焊枪2实现在横臂5上的左右微调c，焊枪升降电机8的转动，通过丝杆、丝母传动副实现焊枪2的上下微调d。

这样，由于数控的焊接枪头2-1的旋转运动和升降运动进行实时合成运动，再补充焊枪头2-1的上下左右的微调。其结果使得焊枪头2-1能够准确的实现窄坡口的马鞍形运动轨迹，完成高质量的焊接。

图4示意的表示了坡口15内焊道排列的状况。通过装置控制箱10面板上人工界面，输入坡口15内如下的焊道参数：每一层的焊道数、搭接量、焊接层数以及焊枪2每焊完一层后的提升高度，数控自动焊接时，上述焊道参数都可以自动控制，焊枪头2-1首先从马鞍形焊道的最低点起焊，焊完一周完成搭接后，焊枪2由内向外自动平移一个位移，进行同层上第二道焊接：当一层焊接完成后，焊枪2自动提升一焊道高度，在坡口15内由外向内进行第二层焊接，依次循环往复进行，直到实现规定的焊接层数，完成接管14与筒体13之间的马鞍形焊接。

从以上的说明可以看出，本发明的装置不仅能数控马鞍形焊道的运动轨迹，而且还可以数控坡口15内焊道的排列，实现多层多道连续焊接，因此能够保证高精度、高质量的焊接。

由于接管14与筒体13的连接形式不同，如图5所示，实际上两者可以出现三种连接方式，即如接管14在筒体13外部的外马鞍形接头(图5(1))，接管14在筒体13内部的内马鞍形接头图5(2)和接管14与筒体13平面部分连接的水平环形式接头图5(3)，对应不同的接管14与筒体13的接头形式可以设计不同的数控程序以供选用，其中图5(1)和图5(2)表示的接头形式采用的数控程序均为马鞍形运动轨迹，只是焊接的起始位置不同，相差90°，而图5(3)的数控程序相对简单，只有旋转运动，无升降运动。

为了防止在多层多道连续焊接时，设备与外部连接的输电线和输气管缠绕，设备设有旋转导电、导气装置。

图6(a)是焊枪旋转导电装置的结构示意图。在中心轴2-5上装有绝缘套2-6，小导电环2-7固定在绝缘套2-6上，小导电环2-7之间装有绝缘环2-8，使之相互绝缘，外部进来的控制导线2-9分别与小导电环2-7连接，外部进来的焊接电流导线2-10与大导电环2-11连接；旋转套2-12上装有机电绝缘的碳刷座2-13，小电刷2-14分别安装在碳刷座2-13中，通过弹簧2-15压紧在小导电环2-7上，引出控制导线2-16与小碳刷2-14连接；大碳刷2-17也通过弹簧2-18压紧在大导电环2-11上，引出的焊接电流导线2-19与大碳刷2-17连接。

焊接进行时，中心轴2-5和小导电环2-7、大导电环2-11固定不动，小碳刷2-14和大碳刷2-17与装置一起转动，这样才能防止装置转动时输送控制电流和焊接电流的输电线不缠绕。

图6(b)是焊枪旋转导气装置的结构示意图。导气轴2-20安装在中心轴2-5上，进气孔2-23设置在导气轴2-20上；导气套2-21安装在旋转套2-22上，出气孔2-24设置在导气套2-21上；导气套2-21加工出环形导气环2-26，其上下个有一个“O”形密封圈2-25，用于防止输入的压缩空气外泄；

当装置旋转时，中心轴2-5、进气孔2-23不动，导气套2-21和出气孔2-24旋转，压缩空气旋转导出。

这样输入压缩空气的管线当装置旋转时也不会缠绕。

焊接时被焊工件要产予热150°左右，为了防止安装在装置上的控制***过热，要用旋转导入的压缩空气来冷却。

图8表示接管14的夹紧定位装置的结构图。人工操纵转动手轮12，带动一组伞齿轮11-1转动，进而带动丝母11-2，丝母11-2驱动丝杆11-3升降，丝杆11-3端部装有拉杆11-4，拉杆11-4推动移动环11-5，带动三组连杆机构11-6通过定位杆11-7向外涨紧或向内收缩，当三组连杆机构11-6涨紧在接管14内壁后设备安装完成，并且焊枪头2-1旋转中心定位在接管14的中心上。

图8(a)表示用于马鞍形窄坡口焊接的焊枪结构图。焊枪2为了适应马鞍形窄坡口焊接，采用一种特殊的结构，焊枪2截面尺寸为25×8MM，窄处为8MM，该焊枪2由导电嘴2-1、焊枪杆2-2和导丝孔2-4组成，导电嘴2-1通过螺钉2-3与焊枪杆2-2连接，导电嘴2-1由铬锆铜合金制成，它具有良好的耐磨性能。

图8(b)为图8(a)的俯视图。

具体实施方式

将整个焊接装置吊运到被焊接管14和筒体13的上方，夹紧定位装置11落入接管14内孔，摇动转动手轮12，夹紧定位装置11夹紧接管14并将焊枪2的旋转中心定位在接管14的中心上。通过装置控制箱10面板上人机界面，输入被焊接的接管14的直径d和筒体13的直径D以及焊接厚度、焊接层数、搭接量、每层焊道数等控制参数，再通过焊接控制箱输入焊接电流、焊接电压等工艺参数，完成参数的设置环节。

按下控制面板10的启动按钮，自动焊开始，焊枪头2-1由旋转电机3和机头升降电机4驱动，完成数控实时合成的马鞍形焊接运动轨迹。焊接时，当接管14和筒体13制备的尺寸不准确时，可利用遥控器通过横移电机7转动和焊枪升降电机8的转动，实现焊枪头2-1运动轨迹上下左右微调。

在坡口15内，第一层焊道排列由内向外，焊枪头2-1每旋转一周并搭接一段距离后，向外侧移动一个焊道宽度，进行同层上第二道焊接，完成一层焊道焊接后，焊枪头2-1自动提高一个焊道厚度，再反方向由外向内排列焊道，进行第二层焊接，如此循环往复，完成设定的焊接层数后，整个坡口15的焊接完成。这些焊接程序也是微机自动控制完成。

本申请的装置及其方法实现各类重型压力容器接管与筒体马鞍形焊接的主要技术参数如下：

接管的直径范围：500-2000mm

接管的高度：≤800mm

筒体厚度：≤300mm

马鞍形最大落差量：≤300mm

焊枪长度：450mm

焊枪最大摆角：±4°

焊接电源额定电流：1000A

焊接电源额定电压：44V

焊接速度：300～500mm/min

焊丝直径：3.2～4.0mm

坡口底部径向最小尺寸：24mm

燃弧方式：短路引弧

本申请的装置和方法能够满足各类压力容器接口管焊接的工艺要求。

Claims (4)

1.一种数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊接装置，其特征在于，该自动焊接装置包括：

1)旋转电机(3)设置在中心固定轴(1)一侧，机头升降电机(4)固定在中心固定轴(1)另一侧，相对于横臂(5)垂直设置的立柱(9)的下方固定着焊枪(2)，横臂(5)上设有横移电机(7)，还有一焊枪升降电机(8)也设置在立柱(9)上，送丝机(6)固定在立柱(9)的下方；

2)为防止在多层多道连续焊接时，设备与外部连接的输电线和输气管缠绕，设备设有旋转导电、导气装置：

旋转导电装置的结构如下：

在中心轴(2-5)上装有绝缘套(2-6)，小导电环(2-7)固定在绝缘套(2-6)上，小导电环(2-7)之间装有绝缘环(2-8)，使之相互绝缘，外部进来的控制导线(2-9)分别与小导电环(2-7)连接，外部进来的焊接电流导线(2-10)与大导电环(2-11)连接；旋转套(2-12)上装有互相绝缘的碳刷座(2-13)，小电刷(2-14)分别安装在碳刷座(2-13)中，通过弹簧(2-15)压紧在小导电环(2-7)上，引出控制导线(2-16)与小碳刷(2-14)连接；大碳刷(2-17)也通过弹簧(2-18)压紧在大导电环(2-11)上，引出的焊接电流导线(2-19)与大碳刷(2-17)连接；焊接时，中心轴(2-5)和小导电环(2-7)、大导电环(2-11)固定不动，小碳刷(2-14)和大碳刷(2-17)与装置一起转动，焊接电流和控制电流旋转导出；

旋转导气装置的结构如下：

导气轴(2-20)安装在中心轴(2-5)上，进气孔(2-23)设置在导气轴(2-20)上；导气套(2-21)安装在旋转套(2-22)上，出气孔(2-24)设置在导气套(2-21)上；导气套(2-21)加工出环形导气环(2-26)，其上下各有一个“O”形密封圈(2-25)，用于防止输入的压缩空气外泄；

当装置旋转时，中心轴(2-5)、进气孔(2-23)不动，导气套(2-21)和出气孔(2-24)旋转，压缩空气旋转导出；

3)设备的夹紧定位装置(11)包括其上部的转动手轮(12)、一组伞齿轮(11-1)、丝母(11-2)、丝杆(11-3)，丝杆(11-3)端头设置的拉杆(11-4)、移动环(11-5)以及三组连杆机构(11-6)；

4)用于单边窄坡口马鞍形埋弧自动焊接的特殊焊枪结构，焊枪(2)截面尺寸为25×8MM，窄处为8MM；该焊枪(2)由导电嘴(2-1)、焊枪杆(2-2)和导丝孔(2-4)组成，导电嘴(2-1)通过四个螺钉(2-3)与焊枪杆(2-2)连接；导电嘴(2-1)由铬锆铜合金制成，它具有良好的耐磨性。

2.利用权利要求1所述的自动焊装置进行数控马鞍形窄坡口埋弧自动焊方法，其特征在于，该自动焊方法包括：

1)旋转电机(3)转动，通过齿轮副带动焊枪(2)围绕中心固定轴(1)进行旋转运动a，同时机头升降电机(4)通过丝杆、丝母传动副带动横臂(5)和立柱(9)做升降运动b，从而带动焊枪(2)也做同样的升降运动b；

上述两种运动a和b依据一定的数学模型实时进行合成运动，该数学模型以接管(14)的直径d和筒体(13)的直径D为参数；通过这种数控的合成运动，使焊枪(2)能准确的完成接管(14)与筒体(13)的窄坡口马鞍形轨迹的焊接；

2)通过装置控制箱(10)面板上人机界面，输入坡口(15)内每一层焊接的焊道数量、每一焊道的搭接量、焊接层数以及每一层焊道完成后焊枪(2)的提升高度；自动焊接时焊枪(2)首先从马鞍形焊道的最低点起焊，焊完一周完成搭接后，焊枪(2)由内向外自动平移一个位移，进行同层上第二道焊接：当一层焊接完成后，焊枪(2)自动提升一焊道高度，在坡口(15)内由外向内进行第二层焊接，依次循环往复进行，直到完成规定的焊接层数；

3)夹紧定位装置(11)用于将设备夹紧并定位安装在接管(14)上，人工摇动手轮(12)，带动一组伞齿轮(11-1)转动，进而带动丝母(11-2)，丝母(11-2)驱动丝杆(11-3)升降，带动三组连杆机构(11-6)向外涨紧或向内收缩，当三组连杆机构(11-6)涨紧在接管(14)内壁后设备安装完成，并且焊枪(2)的旋转中心定位在接管(14)的中心上。

3.根据权利要求2所述的埋弧自动焊方法，其特征在于，

当被焊的接管(14)和筒体(13)制备的尺寸不准确时，通过开关或遥控器对焊枪(2)的运动进行微调，横移电机(7)的转动，通过齿轮、丝杆转动副焊枪(2)实现在横臂(5)上的左右微调c，焊枪升降电机(8)的转动，通过丝杆、丝母传动付实现焊枪(2)的上下微调d。

4.根据权利要求2所述的埋弧自动焊方法，其特征在于，

依据接管(14)与筒体(13)的外马鞍形、内马鞍形以及水平环形焊接不同的三种连接形式，设计三种不同的数控程序供选用，其中第一种和第二种程序均为旋转与升降运动合成的马鞍形运动轨迹，只是焊接的起始点位置不同，相差90°，而第三种只有旋转运动，没有升降运动。

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