大口徑水輪機入水蝶閥的高效化焊接設(shè)備

2013-10-17 鮑云杰北京時代科技股份有限公司

　　研究設(shè)計了滿足不同型號蝶閥的閥體和閥板的自動焊接系統(tǒng)。對不同型號蝶閥的結(jié)構(gòu)和焊接位置進(jìn)行了分析，提出了實現(xiàn)蝶閥自動焊接的技術(shù)要點和難點。此自動焊接系統(tǒng)采用多種監(jiān)控方法，可以滿足多種型號產(chǎn)品，可以實現(xiàn)多種焊接工藝的自動化焊接。通過實際生產(chǎn)中的用，大幅度提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動強度。

一、概述

　　在水利、電力、化工及能源等眾多行業(yè)中，閥門一直以來都發(fā)揮著重要的作用，其中大型蝶閥以其良好的性能也獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)已經(jīng)建立了較為完備的閥門生產(chǎn)體系，但是在焊接大型蝶閥時，仍然面臨著焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接效率低下的問題，這主要是由閥的大結(jié)構(gòu)、大板厚、大工作量等焊接特點造成的。在大型閥門的生產(chǎn)過程中，最重要的加工方法就是焊接。其原因除了焊接自身具有的節(jié)約材料、工藝簡單、生產(chǎn)周期短及適于多種類小批量生產(chǎn)等優(yōu)點外，還因為其他加工方法在閥門生產(chǎn)中具有難以克服的缺點。根據(jù)閥門公司生產(chǎn)現(xiàn)場的統(tǒng)計，一套大型蝶閥的制造過程中，60%以上的工時是用在焊接工序上，其中損耗的人工、電能成本也占據(jù)了生產(chǎn)成本中的很大一部分。因此目前對蝶閥中厚板焊接工藝的研究主要是集中在高效化焊接自動化設(shè)備、工藝參數(shù)優(yōu)化、接頭形式改良以及開發(fā)新的焊接方法等方面。

二、大口徑進(jìn)水蝶閥的結(jié)構(gòu)及焊接要求

　　1. 蝶閥的總體結(jié)構(gòu)

　　蝶閥主要部件包括閥體、閥板、閥板密封、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等(見圖1)。閥體采用垂直分瓣，拱橋形結(jié)構(gòu)，用鋼板拼焊再加工而成。閥板分為單蝶板和雙蝶板兩種結(jié)構(gòu)，雙蝶板采用雙偏心雙平板框形桁架拼焊結(jié)構(gòu)，具有足夠的強度和剛度。閥體和閥板是蝶閥的主要構(gòu)成，也是焊接工作量最大的兩個關(guān)鍵部件。閥體是一種環(huán)形結(jié)構(gòu)，焊縫形式以環(huán)角焊縫和短角焊縫為主;閥板是雙平板框形桁架拼焊結(jié)構(gòu)，焊縫以長角焊縫為主。

蝶閥的結(jié)構(gòu)組成

圖1 蝶閥的結(jié)構(gòu)組成

　　2. 蝶閥焊接特點分析

　　目前國內(nèi)制造的蝶閥通徑最大達(dá)到5500mm，均為中厚板、厚板焊接，鋼材用量大，焊接工作量也很大。閥體的焊縫長度超過300m，閥板焊縫最長也超過200m。另外焊接條件復(fù)雜，工件材質(zhì)既有綜合焊接性能較好的Q235B，也有焊接性能差的 WCB鋼，同時存在大量平焊縫、橫焊縫，甚至還有仰焊縫。復(fù)雜多變的焊接條件，要求現(xiàn)場工人必須具有熟練的操作手法和豐富的焊接經(jīng)驗。閥體和閥板的單件重量最高可達(dá)35t，工件龐大，裝配、翻轉(zhuǎn)不易，不僅大部分工件在焊接過程中都需要借助行車完成裝配，而且在翻轉(zhuǎn)工件時，也需要用到行車或者變位機。由于上述問題，目前蝶閥的整體焊接效率偏低。與龐大的焊接量相比，目前在閥門生產(chǎn)中采用的焊接方式還是以CO2氣體保護(hù)焊為主，輔以焊條電弧焊。由于蝶閥板材屬于中厚板，焊接過程中需要采用多層多道焊，所以焊接效率還是不能令人滿意。

　　3. 提高蝶閥焊接效率的方法和手段

　　針對蝶閥的焊接，如何提高焊接效率一直是閥門行業(yè)的研究課題。結(jié)合蝶閥的結(jié)構(gòu)特點、鋼板材料、焊接位置及焊接工藝等特點，提高焊接效率的最有效手段是開發(fā)自動化焊接設(shè)備。為滿足蝶閥的高效自動化焊接，自動焊接設(shè)備需要解決以下問題：①要滿足多種型號蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動焊接。②適應(yīng)最大工件重量為35t，所有焊接位置需要調(diào)節(jié)到平焊位置或船形焊位置。③選擇的焊接方法必須具備很高的熔敷效率。④自動焊設(shè)備能夠完成90%以上規(guī)則焊縫的自動焊接。⑤針對閥板腔體內(nèi)部的長角焊縫，系統(tǒng)具備自動跟蹤功能。⑥焊接過程穩(wěn)定性及電弧狀態(tài)需要監(jiān)控。

三、蝶閥高效焊接設(shè)備的研制

　　蝶閥自動焊接系統(tǒng)包括大型焊接操作機、重型變位機、焊接電源和控制系統(tǒng)。

　　1. 焊接工藝的選擇

大口徑水輪機入水蝶閥的高效化焊接設(shè)備

圖2 閥體主要焊縫形式　　圖3 閥板主要焊縫形式

　　由于閥體和閥板的材料都是中厚板，閥體的主要焊縫軌跡都是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形(見圖2)，閥板的主要焊縫的軌跡都是直線形(見圖3)，比較適合高效自動化焊接(當(dāng)然有空間位置等其他限制條件)。根據(jù)國內(nèi)閥門行業(yè)焊接工藝技術(shù)的現(xiàn)狀，也參考國內(nèi)其他行業(yè)的高效化焊接技術(shù)的經(jīng)驗，CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊仍然是實現(xiàn)蝶閥高效自動化焊接的優(yōu)選工藝。中厚板的焊接鋼板需要預(yù)制坡口，然后采用多層多道的焊接順序。CO2氣體保護(hù)焊與埋弧焊相比，各有優(yōu)缺點。埋弧焊的熔覆效率高，表面成形好，但是打底焊接時脫渣困難，特別是在閥板筋板腔體內(nèi)部的焊接，清根難度很大。CO2氣體保護(hù)焊大規(guī)范焊接熔覆效率也很高，對于結(jié)構(gòu)件焊接，焊縫層間不需要進(jìn)行清理。但是CO2氣體保護(hù)焊飛濺比較大，大規(guī)范焊接焊縫表面質(zhì)量不如埋弧焊焊縫。在設(shè)計蝶閥高效自動焊接設(shè)備初期，對于適合采用自動焊接的多層多道焊接，我們規(guī)劃采取CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊復(fù)合焊接工藝。對于打底焊道和填充焊道，采用CO2氣體保護(hù)焊工藝，對于蓋面焊道，更多地采用埋弧焊工藝。

　　2. 蝶閥固定及位置調(diào)整變位系統(tǒng)的設(shè)計

　　考慮到要滿足多種型號蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動焊接，并且要求所有焊接位置要處于水平或船形焊位置，焊接變位機的設(shè)計具有很大技術(shù)難度。首先確定變位機的承載重量，用戶產(chǎn)品的最大單體工件重量為32t，變位機設(shè)計的最大承重量為35t，工作臺面直徑為6.4m。為保證閥體上法蘭盤角焊縫焊接處于船形焊位置，變位機最大翻轉(zhuǎn)角度需要達(dá)到135°(見圖4)。

圖4 閥體的最大翻轉(zhuǎn)角度　圖5 變位機的整體結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)工件處于圖4位置，回轉(zhuǎn)工作臺T型槽和緊固工裝將承受很大的拉力，因此工作臺面和夾具也是設(shè)計的重點工作。為保證變位機的翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)，翻轉(zhuǎn)采用雙扇型齒板，雙電動機驅(qū)動(見圖5)，回轉(zhuǎn)亦采用對稱排列的雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)均設(shè)有機電雙重鎖定保護(hù)，確保各種工作變位狀態(tài)和失電狀況均能確保安全。標(biāo)準(zhǔn)機床的夾具無法滿足用戶現(xiàn)場的使用和安全要求，我們對緊固螺栓的螺距、夾持體都

　　進(jìn)行了很多改進(jìn)。新設(shè)計的變位機夾具確保了受交變力作用下，夾具均能滿足用戶提出的定位及夾緊要求，實現(xiàn)裝夾、拆卸快速方便。變位機的控制采用PLC控制，加裝旋轉(zhuǎn)編碼器組成半閉環(huán)系統(tǒng)，可精確定位、復(fù)位，可實現(xiàn)和焊接操作機聯(lián)控，組成蝶閥大型自動焊接系統(tǒng)。

　　3. 焊接操作機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　焊接操作機的主體結(jié)構(gòu)采用時代公司TZ4型標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，主要是根據(jù)蝶閥的焊接位置(見圖4)和焊接空間(見圖6)對操作機的橫梁和機頭進(jìn)行針對性設(shè)計。生產(chǎn)現(xiàn)場閥板的最大直徑為4m，閥板加強筋按等邊三角形排列，最小邊長為650mm。從而可見，空間狹小是橫梁和機頭設(shè)計的主要限制條件。焊接操作機采用雙機頭結(jié)構(gòu)(見圖7)，一側(cè)懸掛CO2氣體保護(hù)焊機頭(左側(cè))，一側(cè)懸掛埋弧焊機頭(右側(cè))。為保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，橫梁的截面尺寸必須得到保證(否則橫梁的下?lián)隙葧黾?，所以橫梁無法直接進(jìn)入閥板腔體進(jìn)行焊接。CO2氣體保護(hù)焊一側(cè)采用內(nèi)伸縮臂的結(jié)構(gòu)形式，焊接行走不靠橫梁行走，依靠內(nèi)伸縮臂的進(jìn)給來實現(xiàn)，有效行程為4m。埋弧焊一側(cè)由于有焊劑回收裝置，不能采用內(nèi)伸縮臂結(jié)構(gòu)，所以采用了加長臂結(jié)構(gòu)，焊接時，只有加長臂部分伸入到工件內(nèi)部。

　　圖4所示閥體由于兩個法蘭盤的間距有限，同時機頭本身還有一些附屬的跟蹤設(shè)備，占據(jù)一些空間，所以要實現(xiàn)法蘭內(nèi)外環(huán)縫的焊接，通過加裝三級合葉將機頭調(diào)整到和焊縫平行的角度，同時也滿足機電跟蹤的位置需求。

　　4. 控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)

　　自動焊接系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)都集成在一個控制平臺上(見圖8)，控制系統(tǒng)主要完成對焊接操作機、變位機、焊接電源、焊接機頭拖板及焊接過程的參數(shù)設(shè)置、動作控制和參數(shù)調(diào)節(jié)。為便于現(xiàn)場的操作，同時設(shè)計一個手持控制器供用戶使用。在焊接蝶閥筋板時，焊接區(qū)域在可視范圍外，焊接路線和焊接狀態(tài)不確定，因此本自動焊接系統(tǒng)特別設(shè)計了焊縫跟蹤和監(jiān)控系統(tǒng)。對于埋弧焊機頭(見圖9)，軌跡跟蹤采用的是機電跟蹤的方法，機械探頭沿坡口移動，行走出現(xiàn)偏差，通過電動拖板實現(xiàn)微調(diào)。由于埋弧焊沒有弧光，焊接過程監(jiān)控采用的是普通工業(yè)攝像頭(自然光)，監(jiān)控攝像頭前端安裝工業(yè)照明燈予以光線補償。對于CO2氣體保護(hù)焊機頭(見圖10)，軌跡跟蹤也是采用機電跟蹤的方法。

　　由于普通工業(yè)攝像頭(自然光)無法滿足CO2氣體保護(hù)焊熔池監(jiān)控的要求，所以需要特別設(shè)計一套焊接熔池監(jiān)控裝置。本裝置由高速攝像頭、鏡頭、光學(xué)濾鏡和棱鏡等幾部分組成(見圖11)。由于自動焊系統(tǒng)控制線長度超過20m，所以為了減少焊接干擾的影響，數(shù)據(jù)線采用網(wǎng)線模式。自主設(shè)計的焊接熔池監(jiān)控裝置解決了觀測視角問題，也保證了狹小空間的物距要求。調(diào)試結(jié)果表明，本裝置可以過濾焊接弧光的干擾，視野足夠大，可清楚觀察焊接熔池狀態(tài)，能夠清晰觀測到焊絲和工件。

四、自動焊系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

　　蝶閥自動焊接系統(tǒng)調(diào)試完成后，即在實際生產(chǎn)中開始應(yīng)用(見圖12)。首先變位機通過了35t實際工件的負(fù)載試驗，可以實現(xiàn)0°～135°任意角度翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在135°角度工件裝夾安全可靠。自動焊系統(tǒng)的兩側(cè)機頭都可以順利通過最小腔體并且穩(wěn)定焊接。機電跟蹤系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位運動軌跡，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，不會造成撞槍等事故。熔池監(jiān)控圖像清晰，能夠準(zhǔn)確判斷CO2氣體保護(hù)焊的電弧狀態(tài)。使用蝶閥自動焊接系統(tǒng)，焊縫成形和焊接質(zhì)量得到保障(見圖13)，焊接效率提升50%以上。