熱壁加氫接管內(nèi)壁自動堆焊設備的開發(fā)與應用

1、熱壁加氫接管內(nèi)壁自動堆焊設備的開發(fā)與應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?？希┱?要本文介紹了一種多功能加氫接管內(nèi)壁堆焊機，它集多種氣電焊技術于一機，可實現(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，滿足了各類加氫設備的接管堆焊要求。該設備采用單片微機作為主控中心，自適應協(xié)同控制多種氣電焊工藝過程，是一臺高檔機電一體化專用焊接設備。該機經(jīng)國內(nèi)30多家鍋爐廠及石化機械廠生產(chǎn)驗證表明，其長時間連續(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、，我國石油煉制已進入加氫精制、加氫裂化的新階段。由于加氫反應是在高溫（450左右），高壓（30Mpa左右）條件下進行的，若保證加氫設備長期安全運行，對加氫設備的制造技術要求很高, 難度也很大。加氫反應器是加氫設備的心臟部件，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，以保證設備在以上工況條件下長期運行安全可靠。由此看來，深小孔徑接管內(nèi)壁耐蝕層自動堆焊是加氫反應器制造的關鍵技術之一，是加氫設備必需解決的一個難題。二、主要技術關鍵多功能小管內(nèi)壁堆焊機有

3、以下技術關鍵必須解決。1、專機要適用各類加氫反應器、換熱器的接管堆焊（其管內(nèi)徑為50300mm），機械部件應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要求，該機的夾持轉動、進給、擺動等機械系統(tǒng)應在一個寬廣的速度變化范圍內(nèi)可調(diào)，床身及支撐滾輪等應滿足長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，所需純電弧時間近180小時。這意味著對專機的各個部件提出一個十分苛刻的要求，即必須保證設備各系統(tǒng)長時間連續(xù)運行穩(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)定可靠將由焊機各執(zhí)行機構的自身穩(wěn)定可靠給予保證。此外還必須具有較高自動化水平的控制系統(tǒng)，如TIG堆焊弧長自適應控制系統(tǒng)等。4、由于連續(xù)堆焊時間長，如何解決鎢極燒損，提高使用壽命及保護罩耐用問題，是能否保證設備長時間連續(xù)運行的關鍵。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，必須采用擺動機構，且擺寬、擺速、左右停留時間任意可調(diào)，其控制及執(zhí)行機構也必須長時間運行穩(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計、制造是技術關鍵。7、在工件預熱近250的堆焊管內(nèi)，電弧近區(qū)溫度高達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、從專機控制效果考慮，采用單片微機作為主控制系統(tǒng)，由于在TIG、MIG、MAG大功率焊接環(huán)境中，微機抗干擾是一技術難點。三、堆焊機的構成開發(fā)的多功能小直徑管內(nèi)壁自動堆焊機是一臺機電一體化，高自動化水平的多種氣電焊工藝焊接專機，該機主要由五部分組成。1、機械部分機械部分包括夾持轉動機構，床身及進給機構，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、搭道量等技術要求，為調(diào)節(jié)最佳工藝參數(shù)提供一個可充分選擇的調(diào)節(jié)范圍。夾持轉動機構可夾持外徑1000 mm管件，轉

6、速均勻，最低轉速可達0.1轉分，適應大孔管TIG堆焊的要求，采用變頻調(diào)速機構，該機可任意選擇所需焊接速度。機身全長6米，可實現(xiàn)2.5米管件的堆焊，床身導軌平直精度較高，可以滿足焊接工藝的要求。進給機構可實現(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的支撐轉動，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180°調(diào)頭堆焊的要求。2、堆焊機頭部分堆焊機頭包括焊接擺動執(zhí)行機構，弧長控制執(zhí)行機構，送絲機構等部件。焊槍長管安裝在機頭上可實現(xiàn)前、后、上、下往復運動。因機構采用直線軸承，運動平穩(wěn)、輕便。焊槍長管的

7、兩維運動用步進電機驅動，在單片微機控制下，可實現(xiàn)擺寬（025mm），左右停留時間（01秒），擺動速度（020mm秒），弧壓控制精度（±0.1±1V ）任意預置選調(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)外所公認的TIG堆焊鎢極燒損大，陶瓷保護罩使用壽命短的缺點，研究人員專門開發(fā)了弱等離子弧技術，并精心設計、制造了超小型大功率雙層氣體保護，水冷銅保護罩弱等

8、離子焊槍，對比試驗結果表明可使鎢極使用壽命提高510倍，解決了管件長時間連續(xù)堆焊的主要技術難題。此外，由于以上各類焊槍都長時間工作于焊管內(nèi)高溫環(huán)境中，為保護焊槍及氣、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)的冷卻保護問題。4、堆焊電源部分本機配備兩套焊接電源，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、微機自適應控制系統(tǒng)本系統(tǒng)的控制核心由單片微機構成，通過各種輸入輸出接口讀取操作者予選的堆焊參數(shù)和在線實時檢測多種反饋信號并驅動執(zhí)行機構工作，系統(tǒng)控制原理見圖1。控制系統(tǒng)主要由以下功能：5

9、.1參數(shù)予選本系統(tǒng)在操作面版上設有六個堆焊參數(shù)予選開關。操作者在堆焊前對其6個參數(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 弧長自適應調(diào)節(jié)在深小孔徑管內(nèi)壁堆焊工藝中，弧長的波動將影響填絲及母材的熔化，堆焊層厚度也會受其影響產(chǎn)生變化，還會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，弧長自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。通常弧壓閉環(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。當反饋電壓高于給定電壓時，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)。整個過程弧壓始終在調(diào)節(jié)，弧壓動態(tài)紋波較大，這是堆焊工藝不希望出現(xiàn)的。為了解決弧

10、壓動態(tài)振蕩問題，有的設計者采取了設置誤差帶的方法，見圖3。當反饋弧壓和給定弧壓之差不大于±V時，執(zhí)行機構不調(diào)節(jié)，當其差值大于±V時再調(diào)節(jié)。其設計思想無疑是合理的，但實現(xiàn)起來卻發(fā)現(xiàn)仍然是一個振蕩系統(tǒng)。只不過振蕩基準線出現(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)，是因為其系統(tǒng)當弧壓從誤差帶外向誤差帶內(nèi)調(diào)節(jié)時不能一次精確將其調(diào)回原基準線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)在設計時考慮到這兩種控制方案的不

11、足，一是因為其控制線路沒有智能判斷功能，不能送出精確的控制信號，二是因為其驅動電機不能精確可控。所以本系統(tǒng)在設計上采用了微機控制，驅動環(huán)節(jié)采用了步進電機。系統(tǒng)中不同的弧壓控制精度對應不同的誤差帶，不同的誤差帶又對應不同的調(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，并使弧長動態(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，在堆焊過程中，經(jīng)常出現(xiàn)瞬間較大波動。如果在弧壓波動瞬間采樣作為弧壓反饋信號去和給定值比較，整個系統(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，對弧壓每次分時采12個數(shù)據(jù)，

12、CPU對其數(shù)據(jù)進行比較，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)運算的是經(jīng)過這種數(shù)字處理后的弧壓反饋信號。所以本系統(tǒng)有效的防止了弧壓隨機干擾信號引起的系統(tǒng)誤調(diào)節(jié)。5.3擺動自適應調(diào)節(jié)由于本系統(tǒng)以微機作為中心控制部件，執(zhí)行機構由步進電機驅動，其擺動軌跡不僅可以產(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軌跡，其特點為：擺速均勻可調(diào)，擺寬可調(diào)，兩端停留時間可調(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，此時步進電機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調(diào)節(jié)技術，可以將焊道偏移誤差控制在±0.2mm.此系統(tǒng)是在擺動機頭的兩側裝有一對專門設計的接觸傳感器，此對傳感器之間的距離可以調(diào)整。從電路的角度看，這對傳感器是連在一起的，可以看做一個電極。而擺動機頭上也裝有一個專門設計的電極。這兩個電極和微機系統(tǒng)CPU中斷線相聯(lián)。當堆焊機頭擺動出現(xiàn)偏移使兩電極接觸時，CPU立即響應中斷，對堆焊偏移量進行自適應調(diào)整。由于在軟件設計上對CPU進行智能判斷編程，不論擺動機頭向哪個方向偏移，系統(tǒng)都能作出準確判斷，并可知偏移量數(shù)值。微機則控制步進電機向相反