0前言
目前，我国焊接钢管的传统设备为单丝埋弧焊，相比气体保护焊，焊接效率相对较高，焊缝质量稳定可靠，但考虑钢管焊接的整体焊接工作量，焊接效率有待提高，需要一款既能保证焊接质量稳定可靠，又能整体提高焊接效率的新型埋弧焊设备满足生产节拍的需求。钢管的焊接分为内环、纵缝的焊接及外环、纵缝的焊接，对于4种工位的焊接，传统的坡口形式均为V形或X形，坡口角度一般为55°~60°，为了保证焊缝质量，生产过程中避免不了的一道工序就是背面碳弧气刨清根，然后进行坡口打磨清理，此工序焊材、生产工时浪费严重，操作者技能水平依赖程度高，如有操作不当容易造成焊接缺陷，生产环境污染严重，笔者寻求一种新的工艺能够省去此焊接操作。传统焊接设备进行钢管焊接，由于自动化程度低，操作者需要实时观察焊接状态，及时进行焊接调整，效率低下，操作者技能要求较高，人工管理成本高，且焊接质量稳定性较差，焊缝合格率低，渴望一款自动化程度较高的设备来提高焊接效率，降低人工成本及改善焊接质量。基于上述问题，本公司与唐山开元特种焊接设备有限公司进行多次技术交流，通过大量的工艺性试验，创新焊接工艺，进行焊接效率对比，经济效益分析，最终由唐山开元特种焊接设备有限公司为本公司开发制作了一整套钢管焊接中心检测及自动化控制系统。
1系统组成
该系统由焊接操作机、滚轮架、埋弧焊电源、单电源双细丝埋弧焊悬挂机头、焊缝跟踪系统、电器控制系统，焊剂回收系统、视频检测系统等设备组成。
1．1焊接操作机
该操作机升降采用安全性高的多链条驱动方式，操作臂横向运动采用齿轮齿条驱动，驱动采取自锁机构，安全可靠，变频无级调速，调速范围宽，操作臂及立柱均采用箱形构造，高刚性结构设计，使弯曲变形达到最小，如图1所示。
1．2滚轮架
40T自调式滚轮架，采用独特的滚轮构造，减速可靠，变频控制，无级变速，自定心，适应工件广泛，可实现外径为600~4200mm钢管的6~90m/h的匀速转动，如图2所示。另外，设备安装有机械顶轮式防窜架，安装在滚轮架上，顶轮与工件的端面接触，并随工件一起转动，当发生轴向窜动趋势时，顶轮会起到定位的作用，保证了钢管内、外环缝的稳定焊接。
1．3埋弧焊电源
ZD5－1250E型埋弧焊电源，电流可调节范围宽，可实现250~1250A电流的稳定焊接；额定负载持续率为100％，适用于长时间连续焊接，应用广泛，可进行埋弧焊、碳弧气刨、电渣焊，如图3所示。
1．4单电源双细丝埋弧焊悬挂机头
单电源双细丝埋弧焊悬挂机头，可以实现90°旋转，兼顾钢管的内、外环，纵缝的焊接。该机头配备的送丝机构设计独特，彻底解决了国产焊丝丝径不均匀造成焊接不稳定的技术难题，并已获得国家专利；大功率进口专用送丝电机，力矩大，送丝稳定，配备准1．6mm桶装焊丝，可实现长时间连续焊接（图4）。
1．5焊剂回收系统
后置式焊剂回收系统，集焊剂回收、输送于一体，是长时间连续焊接必不可少的一部分，可以将远控接口连接至操作机的移动手控盒进行远程控制，操作方便，如图5所示。
1．6视频检测系统
在设备的焊接机头处配有彩色CCD摄像机，可把焊接位置的图像实时传到触摸屏旁的工业液晶监视器上，实现对焊接的远程观测及实时控制。可根据客户需要通过以太网的连接，实现远距离对设备进行实时视频及数据监控，能够全程记录设备运行参数、物料运行状态等数据，可以实现对现场作业的综合管理。视频检测系统如图6所示。
1．7焊缝跟踪系统
由于工件坡口加工及组对过程难免出现尺寸偏差，在焊接钢管内、外环缝时，滚轮架滚动过程中焊缝可能偏离原运行轨迹，焊接机头上安装了接触式传感器焊缝跟踪装置，如图7所示。该跟踪系统具有初始自动寻找焊缝、焊缝末端定位探测、换向跟踪、强制跟踪等多种功能，并应用独特的焊缝跟踪技术解决了在进行盖面焊时坡口不易识别、不易跟踪的技术难题。焊缝跟踪系统为焊缝智能自动排道功能的实现奠定了基础。
1．8电器控制系统
整个钢管焊接中心，以触摸屏为人机界面，操作者可以通过触摸屏来实现对整个系统全部的动作控制、参数设定、参数修改、实时监测，对操作机、滚轮架、焊剂回收装置、焊缝跟踪装置及视频监视装置的集中控制，体现了系统的集成化。电器控制系统如图8所示。
2系统技术优势
该焊接中心是专用于750mm以上钢管环、纵缝焊接设计的埋弧焊。集单电源双细丝高效埋弧焊焊接工艺、U形窄坡口不清根焊接工艺、焊缝跟踪技术、焊接自动排道，数字化控制技术、远程监控技术、网络通信技术、系统集成技术为一体，代表了国际最高水准的埋弧焊自动焊接设备。
2．1单电源双细丝埋弧焊焊接工艺
单电源双细丝埋弧焊是一种高熔敷速度、高焊接速度、小热输入的焊接工艺，如图9所示。传统单丝埋弧焊采用直径较粗的焊丝，为了提高熔敷速度，只能采用大电流低速焊，这样就提高了热输入，使焊缝组织不良；对准800mm左右的管子焊接时熔池铁液容易下淌；直径较粗的焊丝相对较硬，所以不适合长距离送丝，只能使用小盘焊丝，焊丝更换频繁。单电源双细丝焊接工艺是针对以上单丝埋弧焊的缺点进行开发的全新焊接工艺，在同等焊接电流条件下，由于焊丝截面积较小，所以焊丝单位截面积上的电流密度较大，有利于焊丝的快速熔化，通过试验证明，在同等焊接工艺参数下，单电源双细丝较单粗丝埋弧焊的熔敷速度提高42%~87％。同时，由于采用1．6mm丝径的细丝进行焊接，可以采用桶装焊丝进行远距离送丝，可以减少更换焊丝所需辅助时间，大大提高工作效率。由于焊丝熔化较快，同时两电极间电弧辐射热相互作用，能量利用率更高，熔滴过渡更细，焊接过程更平稳，焊缝成形更美观，焊缝质量更可靠。同时也使双细丝更适合高速焊接，使得焊接效率大大提高。以下为单丝埋弧焊与单电源双细丝埋弧焊相关对比试验。2．1．1熔敷速度对比试验方法：分别用单丝埋弧焊和单电源双细丝埋弧焊在焊接工艺参数相同的情况下，平板堆焊相同时间，计算熔敷速度（注：单丝直径为4．8mm，双细丝直径为1．6mm，焊接电源等其他外部条件也一致），试验数据见表1。由表1可知，在相同条件下，双细丝埋弧焊的平均熔敷速度平均是单丝埋弧焊的1．48倍以上。2．1．2焊接变形对比试验方法：取4块外形尺寸相同的7mm厚钢板，加引、熄弧板拼成2组工件，背面加金属衬垫，分别用单丝埋弧焊和单电源双细丝埋弧焊进行一面焊接，测量2组工件的焊前和焊后变形量（注：单丝直径为4．8mm，双细丝直径为1．6mm，焊接电源等其他外部条件也一致），试验要求：焊缝成形美观。焊接工艺参数见表2。由表3和表4可以看出，虽然单电源双细丝埋弧焊焊接过程中用的焊接电流、电弧电压较单丝埋弧焊大，但是随着焊接速度的大幅度提高，热输入实际上是降低了，焊接变形量明显减小。2．1．3焊接质量对比试验方法：取相同规格的Q345B钢板4块，制作成正面45°，背面40°的X形坡口（分别在板厚的1/3，2/3处开坡口，预留6mm钝边）的2组工件，分别用单丝埋弧焊和单电源双细丝埋弧焊进行焊接，对比焊缝的力学性能，焊接工艺参数见表5。单丝和单电源双细丝埋弧焊理化性能对比结果如图12所示。由图12可以看出，在提高焊接效率的同时，单电源双细丝埋弧焊焊接的焊缝力学性能明显高于单丝焊接的焊缝，且两者的性能均能满足国标标准。
2．2U形窄坡口不清根焊接工艺
背面清根工序，浪费焊接材料，浪费工时，操作者技能水平依赖性高，同时还增加了焊缝质量的不稳定因素，噪声、光、粉尘污染严重，给企业造成了很大的经济损失。但是对于传统对接接头的V形或X形坡口工艺，坡口内的焊接熔深受到限制，如果焊接电流过大，会造成烧穿现象，如果焊接电流过小，会造成焊缝根部未熔合，且焊丝稍微偏移焊缝中心线，熔深大幅减小，实际生产中很难找到一个既能保证焊缝根部充分熔合，又能保证稳定焊接不烧穿的临界点，所以，背面清根工序必不可少。如何控制焊接时既能保证足够熔深又能不烧穿，成为是否需要背面清根的关键点。借鉴薄板焊接时正反两面焊接的焊接工艺，笔者拟采用U形窄坡口工艺。因为，较V形坡口，U形坡口根部U形处相对平直，在相同焊接方式，相同焊接参数情况下，焊缝熔深较大，且焊丝对中容错率高，加上工件背面焊接的熔深，可能会实现省去背面清根的目的。经实践证明，采用该工艺焊缝超声波探伤结果合格，焊缝理化性能达到技术要求。U形窄坡口焊接工艺还有以下优点：传统的钢管焊接对接接头V形或X形坡口加工方法为火焰切割，坡口角度等尺寸精度很难保证，且需打磨，这样给工件组对及焊接等后道工序造成很大麻烦，控制不当还会影响钢管的整体尺寸，造成钢管的整体尺寸不良。采用铣边机加工U形窄坡口，节省了坡口加工时间，提高了坡口的精度，有利于下道工序的进行，并且经计算焊缝的金属填充量U形窄坡口与V形或X形坡口基本持平，随着板厚的增加，甚至少于V形或X形坡口的金属填充量。坡口具体尺寸如图13所示。U形窄坡口焊接工艺具体操作顺序为：先用单电源双细丝埋弧焊焊接工件背面90°V形坡口侧，采用相对较大的电流焊接，只焊接1道，既保证了坡口填充、盖面，又获得了较大的熔深，然后用较大电流焊接工件正面U形坡口侧，保证了焊缝根部充分熔合。
2．3智能化自动排道功能
该功能主要针对以往半自动焊接设备对人员素质要求过高的不利因素而专门开发，可以有效减少焊接过程中对人的依赖，使焊接过程自动化程度更高，便于操作。只需工艺人员提供相应参数，即可实现无人化的焊接管理，减轻操作者的劳动强度，同时提高了焊缝的一致性，并很好地保证了焊接过程中人为因素造成的焊接缺陷。同时该系统还具有针对环缝V形及U形坡口进行自动排道焊接的功能，从而适应更多样的焊接形式，如图14所示。焊接前需要选择坡口类型，然后输入坡口角度及深度、层间提升量、坡口壁与焊丝距离、最大平移量等数据。焊接时，程序会自动向上提枪，换算下一道焊接时向两侧的偏移量，以及每层焊接的道数、总焊接层数等。并且系统会实时监测当前焊接所处的哪一层，该层的哪一道，下一道的换道方向及水平方向、垂直方向的偏移量大小等数据，配合合适的焊接参数，实现自动排道焊接。同时该系统也可以进行实时人为干预功能，从而更好地保证了焊接质量。30mm板厚U形窄坡口环焊缝焊接工艺参数见表6。
3钢管焊接中心实际使用情况
以1200mm×30mm钢管，2500mm长度为例，传统焊接工艺方法与创新焊接工艺方法对比见表8。由表8中数据可知，使用创新工艺，生产效率、经济效益得到了很大的提高，焊接质量得到了很大的提升，自动化程度、环境污染得到很大的改善。反观该设备，笔者发现生产效率的提高主要体现在以下几点：（1）火焰切割坡口改为坡口机加工坡口，坡口的加工时间缩短了一半。（2）单电源双细丝埋弧焊焊接工艺较单粗丝埋弧焊焊接工艺效率平均提高48％以上。（3）改单粗丝埋弧焊为单电源双细丝埋弧焊，焊接速度明显提高，且坡口填充道数减少，层间清渣时间减少。（4）省去了背面清根工序，节省了清根、打磨时间，省去了因清根带来的附加坡口填充金属时间。（5）焊接质量的提高，减少了焊后不良工件的返修时间。（6）自动排道功能的使用，使整个坡口连续不间断焊接，省去了中间的焊接辅助工作，节省了生产时间，降低了对焊接人员技能的要求，使传统焊接方式的焊接质量靠焊接人员技能和责任心去保证变为靠工艺和设备来保证。（7）桶装焊丝及焊剂输送回收一体机的使用，缩短了焊接辅助时间。
4结论
与传统的钢管焊接设备、焊接工艺相比较，钢管焊接中心检测及自动化控制系统在钢管焊接上的使用，提高了生产效率，降低了生产成本，改善了生产环境，为企业创造了可观的经济价值。
作者：吕志珍 单位：中建钢构有限公司
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