精密數字控制雙絲窄間隙埋弧焊接系統

精密數字控制雙絲窄間隙埋弧焊接系統

蔡東紅，寧海峰，賀 罡，李敏拓

(艾美特焊接自動化技術(北京)有限公司，北京 102202)

介紹了AMET窄間隙雙絲埋弧焊接系統的基本構成及控制方案。AMET焊接機頭的多參數可調設計理念，數字控制的全面應用，控制系統的多模塊同步控制能力，精確的激光跟蹤系統，為客戶提供了超大的工藝開發空間和超強的參數穩定性保證。通過BHW35鍋爐用鋼的縱縫窄間隙雙絲埋弧焊接試驗，以及Q235厚壁件筒體的環縫焊接試驗，證明該系統可以獲得性能均勻的優質焊接接頭。

雙絲窄間隙埋弧焊；激光跟蹤；數字控制；同步控制

1 窄間隙雙絲埋弧焊的應用現狀

窄間隙雙絲埋弧焊是一種高效、高質量、高自動化程度的埋弧焊焊接方法。首先，窄間隙坡口尺寸較普通坡口的尺寸明顯減小，降低了接頭熔敷金屬的填充總量；其次，雙絲的引入減少了焊接道次，提高了焊接效率。通過前后絲焊接參數的合理調整，能夠在較寬的范圍內控制焊接能量的輸入，滿足不同使用條件下的性能要求。雖然窄間隙雙絲埋弧焊具有以上優點，但是該工藝并沒有在生產中得到廣泛的應用，大部分場合的焊接還是采用單絲埋弧。從焊接系統的角度著眼分析，主要存在以下問題：

(1)目前應用的焊接機頭設計上存在明顯缺陷，調節不方便。如焊絲擺角、前后槍之間的夾角等重要參數被設計為固定值，制約了該焊接工藝的應用。

(2)系統協調能力差，對故障的響應速度慢。對兩個電弧的偏置、相位、頻率等參數沒有能力進行精確控制，電弧之間的干擾很強烈，焊接時電弧和熔池的穩定性差。

(3)跟蹤方式粗糙，不具備精確控制和實時干預能力。當前大部分系統使用機械跟蹤，這種模式可調性差，焊接過程中即使發現問題也不能迅速進行調整。

(4)對輔助部件沒有進行專業的考慮，比如操作機剛度差、滾輪架轉動不穩定、焊劑系統缺陷等，系統運行穩定性無法保證。

AMET公司經過深入分析，針對窄間隙雙絲埋弧的實際工藝狀況和當前存在的問題，設計了窄間隙埋弧焊接控制系統和窄間隙單雙絲多用機頭。

2 AMET的解決方案

艾美特的窄間隙雙絲埋弧系統主要由：操作機、焊接機頭、控制系統、激光跟蹤系統、滾輪架、林肯焊接電源及送絲機構、焊劑輸送回收系統八部分組成。系統示意如圖1所示。該系統可實現3000mm長直縫和直徑φ 300～φ 3 000 mm環縫的焊接，并且支持單／雙絲焊接工藝之間的任意切換。

圖1 AMET窄間隙雙絲埋弧焊接系統模型

2.1 雙絲窄間隙機頭

焊接機頭是窄間隙雙絲埋弧焊系統的關鍵技術之一，窄間隙坡口的寬度較小，坡口底部寬度一般不超過20 mm，從而要求焊槍厚度較薄，動作靈敏、準確。AMET焊接機頭示意如圖2所示，該機頭的最大可焊坡口深度為400 mm。機頭主要組成部分為：前槍、后槍、焊劑輸送機構、焊劑回收機構、焊劑料斗、激光跟蹤頭、送絲機。

2.1.1 獨特的槍體保護層

窄間隙坡口深而窄，焊接時焊槍的大部分需要伸入坡口中工作，槍體與坡口側壁間的距離最近處達到3 mm。如果焊槍表面不進行絕緣處理，就極有可能在導電顆粒的作用下與坡口側壁之間打火起弧，破壞坡口，甚至燒毀焊槍。AMET的窄間隙埋弧焊槍采用三層保護處理，實現對焊槍的絕對保護。

2.1.2 優良的導電性設計

焊槍具有良好的導電性和導電均勻性，是焊接電弧穩定燃燒的前提。槍體材料本身要求具有良好的導電性、耐磨性和強度。AMET的焊槍采用特殊的銅合金制成，導電能力優良，整體剛度大，工作時不產生自由形變。導電嘴采取分瓣、加長設計的理念，實現導電嘴與焊絲之間大面積的緊密接觸，保證導電的穩定性。

2.1.3 下槍體擺動設計

窄間隙坡口的加工角度較小，雙邊角度3°～6°，坡口側壁幾乎與底部垂直，為了保證側壁能夠良好熔合，就要求焊接電弧稍偏向坡口側壁焊接。AMET的每支焊槍均設計為上下兩個槍體，焊接過程中上槍體固定，而下槍體可以沿上槍體上的銷軸擺動，實現焊接電弧向側壁的偏轉。實際焊接時，坡口沒有統一的尺寸和角度，因此工藝中對焊絲擺角也可能存在不同的要求?；诖?，AMET焊槍下槍體的擺角可以在±10°內任意調節，擺角可以在焊接程序中設定并在焊接過程中實時可調。在某些工藝條件下，為了獲得較寬的焊縫，往往希望兩個焊槍叉開一定角度進行焊接，比如前槍無擺角、后槍向左或向右擺動若干角度。AMET前后兩支焊槍的擺角可分別編程控制，為焊接工藝人員提供較大的工藝設計空間。

2.1.4 絲間距的可調性設計

兩個焊絲之間的距離對電弧之間干擾強度、熔池穩定性、熔池形狀、熔池的存留時間等影響較大。對于共熔池雙絲埋弧焊，焊絲間距一般為15～25 mm。AMET窄間隙埋弧焊槍的前后焊槍間距可以通過調距螺桿在5～50 mm內任意調整。

2.1.5 槍間夾角的設計

兩個焊槍之間的夾角會影響兩個電弧對焊接熔池的作用力，電弧對母材的熱輸入以及電弧之間的電磁作用力強弱。為此AMET對兩槍夾角進行了可調性設計，調整范圍15°～30°。

圖2 焊接機頭

2.2 精確控制

2.2.1 協調控制和快速的響應能力

基于循環控制和檢測技術的傳統計算機控制模式如圖3所示。傳統的計算機控制模式是在循環對外設和傳感器進行控制和監視時，即當它對某一個外設和傳感器進行通信時，其他的外設和傳感器處于非受控狀態。

AMET的控制與此截然不同。AMET采用分布式控制模式和同一時鐘平臺的同步控制技術，控制器的動作指令都是在統一的時間平臺上發出的，可以保證所有受控外設的同步性，以及相對關系的連續性、穩定性。AMET提供數字化控制手段，對焊接過程中的受控參數進行精確的實時過程控制。監控和記錄焊接電流、送絲速度、焊縫跟蹤和焊槍定位、焊絲角度、自動換層或焊道，為焊接過程提供實時的質量保證。

圖3 傳統計算機控制模型

2.2.2 對電弧的精確控制能力

XM控制器對林肯電源的控制模型如圖4所示。AMET與LINCOLN合作采用多處理器同步控制技術和ARC-LINK數字化通信技術，控制系統在同一時鐘平臺上對每臺焊接電源進行控制，準確控制每臺電源在任意時刻輸出電流的大小、頻率、相位、波形等參數。嚴格保證電弧間電參數的相對穩定性，明顯減輕了電弧間的干擾。

兩個電弧可以在控制器中分別編程控制，AMET支持兩個電弧具有不同的電流極性、電流相位、直流補償等電參數。XM控制系統還支持多段焊接程序連續焊接，工藝人員可以分別對每段程序的焊接時間、電弧極性、電流大小、焊接速度、焊槍擺角等進行設置。焊接程序的編程界面如圖5所示。

圖4 XM與林肯電源的連接模式

2.2.3 焊接過程的監控與數據采集

為了增加系統在焊接工藝故障排查方面的能力，方便工藝人員分析焊接工藝，AMET系統在實時監測系統各個參數的同時，還支持參數實時記錄功能。數據可以被實時分析，獲得諸如：焊接電流的脈沖特性和交流波形狀態，以及它們的執行質量；電弧電壓的連續性；焊槍位置和速度的執行質量；統計各種參數實際執行的最大值、最小值、平均值，判斷它們與設定值的偏差超差報警，并記錄位置、持續時間。圖6是某段焊接過程中記錄的電弧電壓在各時刻的即時值。

圖5 焊接程序編程界面

圖6 焊接電壓的實時記錄

2.3 先進的激光跟蹤系統

降服了天南星妖，天君念我有功，準許我重回天界。我懇請天君免去我戰神一職，我要去天涯海角，召回墨顏散落的魂靈。

窄間隙坡口的特點是窄而深，在工藝上均要求進行多層多道焊接，那么在如此狹窄的空間進行連續的焊接操作就需要有跟蹤機構作為系統的眼睛，引導焊槍在預定方向運動并實現預期的動作。AMET焊接系統中采用激光跟蹤模式，其最大優勢就在于它能被編程控制，在焊接過程中可以隨時調整相關參數。XM控制系統與META激光跟蹤系統的連接模式如圖7所示。采用激光掃描焊縫，提供實時焊縫坡口截面的圖像，快速提供給控制系統準確信息，實現焊槍的自動定位，實時焊縫跟蹤和焊道自動切換。另外，傳感及控制系統的高度集成使得整個系統更加可靠和易于操作。

圖7 Amet Meta多層多道焊系統結構

2.3.1 激光跟蹤主要編程參數

(1)焊縫類型：直縫或環縫；(2)坡口類型：窄間隙或其他類型坡口；(3)跟蹤模式：跟蹤模式、只做高度跟蹤模式、重復內存模式；(4)側壁偏置距離：設定焊絲外端面距坡口側壁的距離；(5)填充方案：預定焊接層數、每層的焊接道次；(6)前視距離：設定激光測試點與熔池之間的距離(僅用于直縫焊接)。

2.3.2 激光跟蹤與側壁偏置距離

側壁偏置距離是指焊絲靠近坡口側壁的端點到坡口側壁的距離，一般控制為3～5 mm。該距離的大小直接影響坡口側壁的熔合質量，距離過大會造成側壁未熔合或熔合處夾渣，距離過小會產生咬邊。在AMET的窄間隙雙絲埋弧焊接系統中，該距離由激光跟蹤系統來保證，焊接開始前在程序中設定該距離的數值，焊接開始后激光跟蹤系統會通過掃描坡口尺寸對該距離進行實時跟蹤以保證穩定。

2.3.3 激光跟蹤與焊道切換

在窄間隙焊接過程均采用多層多道焊工藝，如果在每道焊接結束后，下一道焊接前都要進行重新設定焊槍位置，將會降低焊接效率，而且不利于保證側壁的熔合質量。在AMET的焊接系統中，只要在焊接程序中設定焊接層數和每層的焊接道次，系統將會在每道焊接結束后自動切換到下一道進行焊接，新焊道中焊槍的位置將由激光跟蹤系統自動確定。

2.3.4 激光跟蹤與焊接速度調整

環縫焊接時，焊接的有效直徑會隨焊接道次的增加而逐漸變化，要想實現連續不停的自動化焊接，焊接系統需要實時測知工件的有效焊接直徑，并改變工件轉動角速度，保證焊接速度的恒定。AMET焊接系統中，激光跟蹤會在每道焊接結束時給出工件的平均有效焊接直徑，并反饋給XM控制器，控制器將會通過調整滾輪架的轉速實現對焊接速度的調整。

2.4.1 操作機

為了保證系統的剛性和重心定位精度，AMET設計的操作機的主要運動單元采用伺服電機、精密減速機和伺服級的直線運動導軌，其橫梁伸縮運動作為編程焊接軸受控于控制系統。

2.4.2 滾輪架

滾輪架采用交流伺服電機和編碼器閉環反饋機構獲得精確的環縫焊接速度和焊接位置控制能力，對焊接速度的調整有很快的響應能力。采用高耐沖擊定制減速機，提供至少3倍于常用減速機的承載能力和瞬間抗沖擊能力。

2.4.3 焊劑輸送與回收系統

窄間隙埋弧焊要求重復使用的焊劑具有較高的干凈度，如果不能清除其間夾雜的鐵磁顆粒，很容易在焊接過程中造成導電嘴與坡口側壁之間打火，或造成焊縫與側壁熔合質量變差產生缺陷。AMET窄間隙雙絲埋弧焊系統中采用雙送料系統通過控制新舊焊劑的輸送來避免此問題的發生。

3 焊接實例

3.1 BHW35鍋爐鋼直縫焊接試驗

3.1.1 試件接頭形式

工件的坡口加工形式如圖8所示，試件厚度145mm，窄間隙坡口深130mm，坡口單邊角度1.5°。

圖8 試件坡口形式

3.1.2 焊接材料

焊絲型號H08Mn2MoA，φ 4.0mm；焊劑型號SJ101。

3.1.3 焊接工藝

埋弧焊前工件背面采用焊條電弧焊封底。正面窄間隙坡口采用埋弧焊填充蓋面，第一層采用單絲直流反接打底，焊接電流550 A，焊接電壓30 V，焊接速度600mm／min，其余各層采用雙絲埋弧焊接，每層兩道[1]。焊后進行熱處理。雙絲埋弧焊工藝見表1。焊縫橫斷面的宏觀照片如圖9所示，照片顯示焊縫熔合線自上而下非常均勻，且焊縫邊緣熔合良好。

3.1.4 接頭性能試驗

(1)焊縫金屬化學成分。

焊縫金屬由面層到底層的四個位置的化學成分如表2所示。由表2可知，面層和中間層的化學成分十分均勻，底層由于采用焊條電弧焊焊接，化學成分與中間層和面層稍有不同。

(2)全焊縫力學性能。

分別在焊縫在厚度方向自上而下的三個位置取全焊縫拉伸試樣，編號依次為CHL1，CHL2，CHL3。每個位置取試樣兩件，分別進行高溫拉伸和常溫拉伸。拉伸試驗結果如表3所示。

圖9 焊縫橫斷面

表1 縱縫窄間隙雙絲埋弧焊工藝

表2 焊縫金屬化學成分 %

表3 全焊縫拉伸試驗結果

(3)接頭橫向拉伸。

將焊縫在厚度方向均分為10層進行橫向拉伸試驗，結果如表4所示。試件的破壞位置有的在焊縫上，有的在焊縫外，說明焊縫與母材的強度匹配合理。另外在厚度方向上還分別截取了3個試件做高溫拉伸試驗，自面層到底層的編號依次是GJL1，GJL2，GJL3。接頭的高溫拉伸試驗結果如表5所示。

(4)缺口沖擊試驗。

分別在焊縫厚度方向的面層、中間層、底層每個位置截取6個試樣，其中3個缺口開在焊縫、另外3個開在熱影響區。結果如表6所示。

表4 接頭橫向拉伸試驗結果

表5 接頭熱拉伸試驗

表6 沖擊試驗結果(20℃)

3.2 環縫焊接

環縫的焊接能夠顯示出窄間隙雙絲埋弧焊系統高度自動化的優勢。在環縫焊接時，熔池在圓周上的位置對焊縫質量影響較大。如圖10所示，在圖10a位置，焊縫外觀扁平，容易出現凝固裂紋，嚴重時焊縫金屬甚至沿圓周下滑，焊縫中心存在凝固裂紋(見圖11a)。圖10b的位置焊縫質量最佳，焊縫表面圓滑，焊縫形貌見圖11b。圖10c所示位置，焊縫表面容易隆起甚至金屬有可能沿轉動方向下淌，焊縫表面出現脊狀凸起，如圖11c所示。

圖11 熔池在圓周上不同位置獲得的焊縫形貌

3.2.1 環縫工件的尺寸和坡口

環焊縫焊接試驗件(材質Q235)外徑為1000 mm，壁厚145 mm，窄間隙坡口深度135 mm。坡口的加工尺寸如圖12所示。

圖12 環縫工件坡口加工尺寸

3.2.2 焊接材料及工藝

試驗選用焊絲H08MnA，φ 4.0 mm，焊劑SJ101。焊前將工件預熱到150℃，第一層采用單絲直流反接打底，焊接電流575 A，焊接電壓30 V，焊接速度450 mm／min。中間層和蓋面層均采用雙絲埋弧焊，工藝參數如表7所示。環縫的橫斷面照片如圖13所示。

圖13 環焊縫橫斷面

表7 環縫焊接工藝參數

3 結論

AMET窄間隙雙絲埋弧焊接系統可以在一個控制器上實現所有參數和邏輯關系的設定，并且這些設定在焊接過程中實時可調；實現多絲實時相序控制，焊接過程穩定，電弧間干擾??；每個電弧的參數都可以根據坡口和熔覆量的需要獨立編程設置；焊接過程中的數據采集和過程監視能力使得故障的排查與分析變得十分容易。

AMET窄間隙焊接機頭將槍擺角、焊絲間距、焊絲夾角均變為可調參數，焊槍具有更優良的可操作性、更強的工藝兼容性。在激光跟蹤系統輔助下，焊槍能夠實現焊槍定位、焊接、焊道切換、焊接速度校正等動作的完全自動化。BHW35鋼縱縫焊接試驗和φ 1 000 mm環縫焊接試驗充分驗證了AMET焊接系統工作的穩定性和優越性。

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Tandem narrow gap SAW system with precision digital control technology

CAI Dong-hong，NING Hai-feng，HE Gang，LI Min-tuo
(AMET Welding Automation Technology(Beijing)Co.，Ltd.，Beijing 102202，China)

In this paper，the basic components and control design of AMET tandem narrow gap SAW were introduced.Flexible design on the welding head make the key parameters such as angle，distance between two wires adjustable.Synchronized control technology based on one time clock was used in this system.All these features give great chance and posibility to develop the welding process for a good and stable.Longitudinal seam in BHW35 boiler steel alloy and circumferential seam in Q235 carbon steel were practised by new NG SAW system in AMET.High quality weld joints were achieved by the testing.

tandem narrow gap SAW；laser tracking；digital control；synchronized control

TG445

A

1001-2303(2010)02-0016-06

2010-01-28

蔡東紅(1981—)，男，河北唐山人，碩士，主要從事焊接系統開發和焊接工藝的研究工作。