大口徑水輪機(jī)入水蝶閥的高效化焊接設(shè)備

2013-10-17 鮑云杰北京時(shí)代科技股份有限公司

　　研究設(shè)計(jì)了滿足不同型號(hào)蝶閥的閥體和閥板的自動(dòng)焊接系統(tǒng)。對(duì)不同型號(hào)蝶閥的結(jié)構(gòu)和焊接位置進(jìn)行了分析，提出了實(shí)現(xiàn)蝶閥自動(dòng)焊接的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)。此自動(dòng)焊接系統(tǒng)采用多種監(jiān)控方法，可以滿足多種型號(hào)產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)多種焊接工藝的自動(dòng)化焊接。通過實(shí)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(dòng)強(qiáng)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(guó)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(shí)，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(diǎn)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(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短及適于多種類小批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)外，還因?yàn)槠渌庸し椒ㄔ陂y門生產(chǎn)中具有難以克服的缺點(diǎn)。根據(jù)閥門公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)，一套大型蝶閥的制造過程中，60%以上的工時(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)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(gè)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(zhǎng)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(diǎn)分析

　　目前國(guó)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(zhǎng)度超過300m，閥板焊縫最長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)工人必須具有熟練的操作手法和豐富的焊接經(jīng)驗(yàn)。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(shí)，也需要用到行車或者變位機(jī)。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(duì)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(diǎn)、鋼板材料、焊接位置及焊接工藝等特點(diǎn)，提高焊接效率的最有效手段是開發(fā)自動(dòng)化焊接設(shè)備。為滿足蝶閥的高效自動(dòng)化焊接，自動(dòng)焊接設(shè)備需要解決以下問題：①要滿足多種型號(hào)蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動(dòng)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(dòng)焊設(shè)備能夠完成90%以上規(guī)則焊縫的自動(dòng)焊接。⑤針對(duì)閥板腔體內(nèi)部的長(zhǎng)角焊縫，系統(tǒng)具備自動(dòng)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(dòng)焊接系統(tǒng)包括大型焊接操作機(jī)、重型變位機(jī)、焊接電源和控制系統(tǒng)。

　　1. 焊接工藝的選擇

大口徑水輪機(jī)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(dòng)化焊接(當(dāng)然有空間位置等其他限制條件)。根據(jù)國(guó)內(nèi)閥門行業(yè)焊接工藝技術(shù)的現(xiàn)狀，也參考國(guó)內(nèi)其他行業(yè)的高效化焊接技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，CO2氣體保護(hù)焊和埋弧焊仍然是實(shí)現(xiàn)蝶閥高效自動(dòng)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(diǎn)。埋弧焊的熔覆效率高，表面成形好，但是打底焊接時(shí)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(duì)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(jì)蝶閥高效自動(dòng)焊接設(shè)備初期，對(duì)于適合采用自動(dòng)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(duì)于打底焊道和填充焊道，采用CO2氣體保護(hù)焊工藝，對(duì)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(jì)

　　考慮到要滿足多種型號(hào)蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動(dòng)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(jī)的設(shè)計(jì)具有很大技術(shù)難度。首先確定變位機(jī)的承載重量，用戶產(chǎn)品的最大單體工件重量為32t，變位機(jī)設(shè)計(jì)的最大承重量為35t，工作臺(tái)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(jī)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(jī)的整體結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)工件處于圖4位置，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)T型槽和緊固工裝將承受很大的拉力，因此工作臺(tái)面和夾具也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作。為保證變位機(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)(見圖5)，回轉(zhuǎn)亦采用對(duì)稱排列的雙驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)均設(shè)有機(jī)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(jī)床的夾具無(wú)法滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)的使用和安全要求，我們對(duì)緊固螺栓的螺距、夾持體都

　　進(jìn)行了很多改進(jìn)。新設(shè)計(jì)的變位機(jī)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(shí)現(xiàn)裝夾、拆卸快速方便。變位機(jī)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(shí)現(xiàn)和焊接操作機(jī)聯(lián)控，組成蝶閥大型自動(dòng)焊接系統(tǒng)。

　　3. 焊接操作機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　焊接操作機(jī)的主體結(jié)構(gòu)采用時(shí)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(duì)操作機(jī)的橫梁和機(jī)頭進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)閥板的最大直徑為4m，閥板加強(qiáng)筋按等邊三角形排列，最小邊長(zhǎng)為650mm。從而可見，空間狹小是橫梁和機(jī)頭設(shè)計(jì)的主要限制條件。焊接操作機(jī)采用雙機(jī)頭結(jié)構(gòu)(見圖7)，一側(cè)懸掛CO2氣體保護(hù)焊機(jī)頭(左側(cè))，一側(cè)懸掛埋弧焊機(jī)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?huì)增加)，所以橫梁無(wú)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?jī)?nèi)伸縮臂的進(jìn)給來實(shí)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(zhǎng)臂結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)，只有加長(zhǎng)臂部分伸入到工件內(nèi)部。

　　圖4所示閥體由于兩個(gè)法蘭盤的間距有限，同時(shí)機(jī)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(shí)現(xiàn)法蘭內(nèi)外環(huán)縫的焊接，通過加裝三級(jí)合葉將機(jī)頭調(diào)整到和焊縫平行的角度，同時(shí)也滿足機(jī)電跟蹤的位置需求。

　　4. 控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)

　　自動(dòng)焊接系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)都集成在一個(gè)控制平臺(tái)上(見圖8)，控制系統(tǒng)主要完成對(duì)焊接操作機(jī)、變位機(jī)、焊接電源、焊接機(jī)頭拖板及焊接過程的參數(shù)設(shè)置、動(dòng)作控制和參數(shù)調(diào)節(jié)。為便于現(xiàn)場(chǎng)的操作，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)手持控制器供用戶使用。在焊接蝶閥筋板時(shí)，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(dòng)焊接系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了焊縫跟蹤和監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于埋弧焊機(jī)頭(見圖9)，軌跡跟蹤采用的是機(jī)電跟蹤的方法，機(jī)械探頭沿坡口移動(dòng)，行走出現(xiàn)偏差，通過電動(dòng)拖板實(shí)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?cái)z像頭前端安裝工業(yè)照明燈予以光線補(bǔ)償。對(duì)于CO2氣體保護(hù)焊機(jī)頭(見圖10)，軌跡跟蹤也是采用機(jī)電跟蹤的方法。

　　由于普通工業(yè)攝像頭(自然光)無(wú)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(jì)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(dòng)焊系統(tǒng)控制線長(zhǎng)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(jì)的焊接熔池監(jiān)控裝置解決了觀測(cè)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(cè)到焊絲和工件。

四、自動(dòng)焊系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

　　蝶閥自動(dòng)焊接系統(tǒng)調(diào)試完成后，即在實(shí)際生產(chǎn)中開始應(yīng)用(見圖12)。首先變位機(jī)通過了35t實(shí)際工件的負(fù)載試驗(yàn)，可以實(shí)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(dòng)焊系統(tǒng)的兩側(cè)機(jī)頭都可以順利通過最小腔體并且穩(wěn)定焊接。機(jī)電跟蹤系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定位運(yùn)動(dòng)軌跡，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，不會(huì)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(dòng)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。