熱壁加氫接管內(nèi)壁自動(dòng)堆焊設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用

1、熱壁加氫接管內(nèi)壁自動(dòng)堆焊設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用北京華巍中興電氣有限公司 魏倫 總工程師北京華巍中興電氣有限公司 魏征 副總經(jīng)理 （此文刊登在MM現(xiàn)代制造雜志2006年5月北京埃森焊接展會(huì)?？希┱?要本文介紹了一種多功能加氫接管內(nèi)壁堆焊機(jī)，它集多種氣電焊技術(shù)于一機(jī)，可實(shí)現(xiàn)TIG弱等離子弧，MIG及CO2藥芯焊絲堆焊，可堆焊管內(nèi)徑50300mm，管長2.5m，滿足了各類加氫設(shè)備的接管堆焊要求。該設(shè)備采用單片微機(jī)作為主控中心，自適應(yīng)協(xié)同控制多種氣電焊工藝過程，是一臺(tái)高檔機(jī)電一體化專用焊接設(shè)備。該機(jī)經(jīng)國內(nèi)30多家鍋爐廠及石化機(jī)械廠生產(chǎn)驗(yàn)證表明，其長時(shí)間連續(xù)工作穩(wěn)定可靠。一、前 言隨著我國石化工業(yè)的飛速發(fā)展

2、，我國石油煉制已進(jìn)入加氫精制、加氫裂化的新階段。由于加氫反應(yīng)是在高溫（450左右），高壓（30Mpa左右）條件下進(jìn)行的，若保證加氫設(shè)備長期安全運(yùn)行，對(duì)加氫設(shè)備的制造技術(shù)要求很高, 難度也很大。加氫反應(yīng)器是加氫設(shè)備的心臟部件，用2 1/4 Cr1Mo耐熱鋼制造，筒體壁厚為200mm以上，并裝有二十多根內(nèi)徑不同（50300mm），長短不同2.5m的冷氫管、熱偶管、開口管和泄料管等。筒體及接管內(nèi)壁均需堆焊不銹鋼耐蝕層，以保證設(shè)備在以上工況條件下長期運(yùn)行安全可靠。由此看來，深小孔徑接管內(nèi)壁耐蝕層自動(dòng)堆焊是加氫反應(yīng)器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，是加氫設(shè)備必需解決的一個(gè)難題。二、主要技術(shù)關(guān)鍵多功能小管內(nèi)壁堆焊機(jī)有

3、以下技術(shù)關(guān)鍵必須解決。1、專機(jī)要適用各類加氫反應(yīng)器、換熱器的接管堆焊（其管內(nèi)徑為50300mm），機(jī)械部件應(yīng)滿足多種工藝不同管徑堆焊所必須的各種焊接速度、堆焊螺距及搭邊量等技術(shù)要求，該機(jī)的夾持轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)給、擺動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)在一個(gè)寬廣的速度變化范圍內(nèi)可調(diào)，床身及支撐滾輪等應(yīng)滿足長2.5m，重2.5噸左右管件的堆焊。2、在內(nèi)徑300mm，長2.5m的管內(nèi)，采用TIG填絲堆焊三層不銹鋼，堆焊焊道總長度大約1200m左右，所需純電弧時(shí)間近180小時(shí)。這意味著對(duì)專機(jī)的各個(gè)部件提出一個(gè)十分苛刻的要求，即必須保證設(shè)備各系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。3、在50 mm內(nèi)壁的深孔堆焊，由于孔徑過小，對(duì)堆焊過程的觀察十

4、分不利，堆焊過程的穩(wěn)定可靠將由焊機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自身穩(wěn)定可靠給予保證。此外還必須具有較高自動(dòng)化水平的控制系統(tǒng)，如TIG堆焊弧長自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。4、由于連續(xù)堆焊時(shí)間長，如何解決鎢極燒損，提高使用壽命及保護(hù)罩耐用問題，是能否保證設(shè)備長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵。5、加氫小管內(nèi)壁TIG填絲堆焊超低碳不銹鋼，由于考慮到母材熔深均勻，稀釋率較低以及焊縫成型美觀，平整等要求，必須采用擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，且擺寬、擺速、左右停留時(shí)間任意可調(diào)，其控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)也必須長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠。6、滿足最小可堆焊孔徑內(nèi)壁50 mm的需要，超小型大功率焊槍的設(shè)計(jì)、制造是技術(shù)關(guān)鍵。7、在工件預(yù)熱近250的堆焊管內(nèi)，電弧近區(qū)溫度高達(dá)400以上。

5、為保證焊槍及其水、電、氣管路在長期高溫環(huán)境中工作可靠，焊槍的選材及散熱將十分重要。8、從專機(jī)控制效果考慮，采用單片微機(jī)作為主控制系統(tǒng)，由于在TIG、MIG、MAG大功率焊接環(huán)境中，微機(jī)抗干擾是一技術(shù)難點(diǎn)。三、堆焊機(jī)的構(gòu)成開發(fā)的多功能小直徑管內(nèi)壁自動(dòng)堆焊機(jī)是一臺(tái)機(jī)電一體化，高自動(dòng)化水平的多種氣電焊工藝焊接專機(jī)，該機(jī)主要由五部分組成。1、機(jī)械部分機(jī)械部分包括夾持轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，床身及進(jìn)給機(jī)構(gòu)，兩套支撐滾輪，焊管托盤等部件組成，其主要功能是滿足不同管徑，不同堆焊工藝所需要的不同焊接速度、堆焊螺距、搭道量等技術(shù)要求，為調(diào)節(jié)最佳工藝參數(shù)提供一個(gè)可充分選擇的調(diào)節(jié)范圍。夾持轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可夾持外徑1000 mm管件，轉(zhuǎn)

6、速均勻，最低轉(zhuǎn)速可達(dá)0.1轉(zhuǎn)分，適應(yīng)大孔管TIG堆焊的要求，采用變頻調(diào)速機(jī)構(gòu)，該機(jī)可任意選擇所需焊接速度。機(jī)身全長6米，可實(shí)現(xiàn)2.5米管件的堆焊，床身導(dǎo)軌平直精度較高，可以滿足焊接工藝的要求。進(jìn)給機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)堆焊螺距在0.8 幾十毫米范圍內(nèi)選擇，能滿足各類堆焊工藝所需的堆焊螺距變化。兩套支撐滾輪用于較長管件堆焊時(shí)的支撐轉(zhuǎn)動(dòng)，允許載荷2.5噸左右。焊管托盤可托撐焊管，便于裝卡、卸卡及管件旋轉(zhuǎn)180°調(diào)頭堆焊的要求。2、堆焊機(jī)頭部分堆焊機(jī)頭包括焊接擺動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，弧長控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，送絲機(jī)構(gòu)等部件。焊槍長管安裝在機(jī)頭上可實(shí)現(xiàn)前、后、上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因機(jī)構(gòu)采用直線軸承，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輕便。焊槍長管的

7、兩維運(yùn)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在單片微機(jī)控制下，可實(shí)現(xiàn)擺寬（025mm），左右停留時(shí)間（01秒），擺動(dòng)速度（020mm秒），弧壓控制精度（±0.1±1V ）任意預(yù)置選調(diào)。常用多組工藝參數(shù)值已固化在EPROM中，也可直接調(diào)用，兩種操作切換方便。3、焊槍部分根據(jù)不同堆焊工藝的要求，配有超小型大功率弱等離子焊槍，MIG及CO2藥芯焊絲用焊槍。等離子焊槍可堆焊50 mm以上的內(nèi)孔，MIG及CO2焊槍可堆焊150 mm以上的內(nèi)孔。鑒于國內(nèi)外所公認(rèn)的TIG堆焊鎢極燒損大，陶瓷保護(hù)罩使用壽命短的缺點(diǎn)，研究人員專門開發(fā)了弱等離子弧技術(shù)，并精心設(shè)計(jì)、制造了超小型大功率雙層氣體保護(hù)，水冷銅保護(hù)罩弱等

8、離子焊槍，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明可使鎢極使用壽命提高510倍，解決了管件長時(shí)間連續(xù)堆焊的主要技術(shù)難題。此外，由于以上各類焊槍都長時(shí)間工作于焊管內(nèi)高溫環(huán)境中，為保護(hù)焊槍及氣、電、水管路，提高使用壽命，開發(fā)了水冷雙層壁焊槍管，解決了焊槍系統(tǒng)的冷卻保護(hù)問題。4、堆焊電源部分本機(jī)配備兩套焊接電源，一種是ZX7500型陡降特性焊接電源，用于弱等離子弧堆焊；另一種是NB500型平特性焊接電源，用于MIG及CO2藥芯焊絲堆焊。5、微機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)本系統(tǒng)的控制核心由單片微機(jī)構(gòu)成，通過各種輸入輸出接口讀取操作者予選的堆焊參數(shù)和在線實(shí)時(shí)檢測多種反饋信號(hào)并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，系統(tǒng)控制原理見圖1?？刂葡到y(tǒng)主要由以下功能：5

9、.1參數(shù)予選本系統(tǒng)在操作面版上設(shè)有六個(gè)堆焊參數(shù)予選開關(guān)。操作者在堆焊前對(duì)其6個(gè)參數(shù)可分別予置，也可選擇已固化在EPROM中的多組最佳堆焊規(guī)范。5.2 弧長自適應(yīng)調(diào)節(jié)在深小孔徑管內(nèi)壁堆焊工藝中，弧長的波動(dòng)將影響填絲及母材的熔化，堆焊層厚度也會(huì)受其影響產(chǎn)生變化，還會(huì)引起堆焊層鐵素體含量發(fā)生變化，這些變化將直接影響堆焊質(zhì)量。所以能否保證堆焊質(zhì)量，弧長自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通?；洪]環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，其弧壓調(diào)節(jié)是處于一種振蕩狀態(tài)，見圖2。當(dāng)反饋電壓高于給定電壓時(shí)，向下調(diào)。調(diào)節(jié)后反饋電壓又低于給定電壓，又向上調(diào)。整個(gè)過程弧壓始終在調(diào)節(jié)，弧壓動(dòng)態(tài)紋波較大，這是堆焊工藝不希望出現(xiàn)的。為了解決弧

10、壓動(dòng)態(tài)振蕩問題，有的設(shè)計(jì)者采取了設(shè)置誤差帶的方法，見圖3。當(dāng)反饋弧壓和給定弧壓之差不大于±V時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不調(diào)節(jié)，當(dāng)其差值大于±V時(shí)再調(diào)節(jié)。其設(shè)計(jì)思想無疑是合理的，但實(shí)現(xiàn)起來卻發(fā)現(xiàn)仍然是一個(gè)振蕩系統(tǒng)。只不過振蕩基準(zhǔn)線出現(xiàn)了上下平移的情況，一種是給定弧壓VgV，一種是給定弧壓VgV。分析這種原因之所以出現(xiàn)，是因?yàn)槠湎到y(tǒng)當(dāng)弧壓從誤差帶外向誤差帶內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)不能一次精確將其調(diào)回原基準(zhǔn)線Vg ,而只是調(diào)入了V誤差或V誤差線邊緣。經(jīng)反饋電壓和給定電壓比較后，由于不超出誤差，系統(tǒng)不在繼續(xù)調(diào)節(jié)。從而造成了在±V誤差線邊緣振蕩調(diào)節(jié)的情況。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到這兩種控制方案的不

11、足，一是因?yàn)槠淇刂凭€路沒有智能判斷功能，不能送出精確的控制信號(hào)，二是因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)電機(jī)不能精確可控。所以本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了微機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)采用了步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)中不同的弧壓控制精度對(duì)應(yīng)不同的誤差帶，不同的誤差帶又對(duì)應(yīng)不同的調(diào)節(jié)量，力求每次都可將弧壓調(diào)至平衡值Vg。此種控制方法克服了弧壓在Vg及Vg±V邊緣振蕩工作的缺點(diǎn)，并使弧長動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性大大提高。由于電弧電壓受各種因素影響，并不是理想的直流信號(hào)，在堆焊過程中，經(jīng)常出現(xiàn)瞬間較大波動(dòng)。如果在弧壓波動(dòng)瞬間采樣作為弧壓反饋信號(hào)去和給定值比較，整個(gè)系統(tǒng)將出現(xiàn)失控狀態(tài)。為解決這一問題，本系統(tǒng)在軟件上采取了數(shù)字濾波措施，對(duì)弧壓每次分時(shí)采12個(gè)數(shù)據(jù)，

12、CPU對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將其中最大和最小的數(shù)據(jù)去掉，而將其余的10個(gè)數(shù)據(jù)取平均值再送入特定的內(nèi)存單元，參與系統(tǒng)運(yùn)算的是經(jīng)過這種數(shù)字處理后的弧壓反饋信號(hào)。所以本系統(tǒng)有效的防止了弧壓隨機(jī)干擾信號(hào)引起的系統(tǒng)誤調(diào)節(jié)。5.3擺動(dòng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)由于本系統(tǒng)以微機(jī)作為中心控制部件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其擺動(dòng)軌跡不僅可以產(chǎn)生正弦波形，還可以產(chǎn)生三角形，梯形和矩形，見圖4。小管堆焊工藝采用梯形擺動(dòng)軌跡，其特點(diǎn)為：擺速均勻可調(diào)，擺寬可調(diào)，兩端停留時(shí)間可調(diào)，兩端啟停擺速斜率可調(diào)。其參數(shù)調(diào)節(jié)可以滿足各種堆焊工藝的要求，使堆焊出的產(chǎn)品熔深均勻，表面光潔。由于產(chǎn)品管的堆焊需要連續(xù)工作幾十小時(shí)，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)丟步及其它原因均可造成堆焊焊道偏移。本文研制成功一種防止焊道偏移自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，可以將焊道偏移誤差控制在±0.2mm.此系統(tǒng)是在擺動(dòng)機(jī)頭的兩側(cè)裝有一對(duì)專門設(shè)計(jì)的接觸傳感器，此對(duì)傳感器之間的距離可以調(diào)整。從電路的角度看，這對(duì)傳感器是連在一起的，可以看做一個(gè)電極。而擺動(dòng)機(jī)頭上也裝有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的電極。這兩個(gè)電極和微機(jī)系統(tǒng)CPU中斷線相聯(lián)。當(dāng)堆焊機(jī)頭擺動(dòng)出現(xiàn)偏移使兩電極接觸時(shí)，CPU立即響應(yīng)中斷，對(duì)堆焊偏移量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。由于在軟件設(shè)計(jì)上對(duì)CPU進(jìn)行智能判斷編程，不論擺動(dòng)機(jī)頭向哪個(gè)方向偏移，系統(tǒng)都能作出準(zhǔn)確判斷，并可知偏移量數(shù)值。微機(jī)則控制步進(jìn)電機(jī)向相反