大口徑水輪機入水蝶閥的高效化焊接設備

　　研究設計了滿(mǎn)足不同型號蝶閥的閥體和閥板的自動(dòng)焊接系統。對不同型號蝶閥的結構和焊接位置進(jìn)行了分析，提出了實(shí)現蝶閥自動(dòng)焊接的技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)。此自動(dòng)焊接系統采用多種監控方法，可以滿(mǎn)足多種型號產(chǎn)品，可以實(shí)現多種焊接工藝的自動(dòng)化焊接。通過(guò)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)強度。

一、概述

　　在水利、電力、化工及能源等眾多行業(yè)中，閥門(mén)一直以來(lái)都發(fā)揮著(zhù)重要的作用，其中大型蝶閥以其良好的性能也獲得了越來(lái)越廣泛的應用。目前國內已經(jīng)建立了較為完備的閥門(mén)生產(chǎn)體系，但是在焊接大型蝶閥時(shí)，仍然面臨著(zhù)焊接質(zhì)量不穩定、焊接效率低下的問(wèn)題，這主要是由閥的大結構、大板厚、大工作量等焊接特點(diǎn)造成的。在大型閥門(mén)的生產(chǎn)過(guò)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約材料、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短及適于多種類(lèi)小批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)外，還因為其他加工方法在閥門(mén)生產(chǎn)中具有難以克服的缺點(diǎn)。根據閥門(mén)公司生產(chǎn)現場(chǎng)的統計，一套大型蝶閥的制造過(guò)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(dòng)化設備、工藝參數優(yōu)化、接頭形式改良以及開(kāi)發(fā)新的焊接方法等方面。

二、大口徑進(jìn)水蝶閥的結構及焊接要求

　　1. 蝶閥的總體結構

　　蝶閥主要部件包括閥體、閥板、閥板密封、液壓驅動(dòng)系統、執行系統和電氣系統等(見(jiàn)圖1)。閥體采用垂直分瓣，拱橋形結構，用鋼板拼焊再加工而成。閥板分為單蝶板和雙蝶板兩種結構，雙蝶板采用雙偏心雙平板框形桁架拼焊結構，具有足夠的強度和剛度。閥體和閥板是蝶閥的主要構成，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)形結構，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構，焊縫以長(cháng)角焊縫為主。

圖1 蝶閥的結構組成

　　2. 蝶閥焊接特點(diǎn)分析

　　目前國內制造的蝶閥通徑最大達到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(cháng)度超過(guò)300m，閥板焊縫最長(cháng)也超過(guò)200m。另外焊接條件復雜，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。復雜多變的焊接條件，要求現場(chǎng)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35t，工件龐大，裝配、翻轉不易，不僅大部分工件在焊接過(guò)程中都需要借助行車(chē)完成裝配，而且在翻轉工件時(shí)，也需要用到行車(chē)或者變位機。由于上述問(wèn)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(mén)生產(chǎn)中采用的焊接方式還是以CO2氣體保護焊為主，輔以焊條電弧焊。由于蝶閥板材屬于中厚板，焊接過(guò)程中需要采用多層多道焊，所以焊接效率還是不能令人滿(mǎn)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(mén)行業(yè)的研究課題。結合蝶閥的結構特點(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(kāi)發(fā)自動(dòng)化焊接設備。為滿(mǎn)足蝶閥的高效自動(dòng)化焊接，自動(dòng)焊接設備需要解決以下問(wèn)題：①要滿(mǎn)足多種型號蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動(dòng)焊接。②適應最大工件重量為35t，所有焊接位置需要調節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)焊設備能夠完成90%以上規則焊縫的自動(dòng)焊接。⑤針對閥板腔體內部的長(cháng)角焊縫，系統具備自動(dòng)跟蹤功能。⑥焊接過(guò)程穩定性及電弧狀態(tài)需要監控。

三、蝶閥高效焊接設備的研制

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

　　1. 焊接工藝的選擇

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準環(huán)形(見(jiàn)圖2)，閥板的主要焊縫的軌跡都是直線(xiàn)形(見(jiàn)圖3)，比較適合高效自動(dòng)化焊接(當然有空間位置等其他限制條件)。根據國內閥門(mén)行業(yè)焊接工藝技術(shù)的現狀，也參考國內其他行業(yè)的高效化焊接技術(shù)的經(jīng)驗，CO2氣體保護焊和埋弧焊仍然是實(shí)現蝶閥高效自動(dòng)化焊接的優(yōu)選工藝。中厚板的焊接鋼板需要預制坡口，然后采用多層多道的焊接順序。CO2氣體保護焊與埋弧焊相比，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部的焊接，清根難度很大。CO2氣體保護焊大規范焊接熔覆效率也很高，對于結構件焊接， 焊縫層間不需要進(jìn)行清理。但是CO2氣體保護焊飛濺比較大，大規范焊接焊縫表面質(zhì)量不如埋弧焊焊縫。在設計蝶閥高效自動(dòng)焊接設備初期，對于適合采用自動(dòng)焊接的多層多道焊接，我們規劃采取CO2氣體保護焊和埋弧焊復合焊接工藝。對于打底焊道和填充焊道，采用CO2氣體保護焊工藝，對于蓋面焊道，更多地采用埋弧焊工藝。

　　2. 蝶閥固定及位置調整變位系統的設計

　　考慮到要滿(mǎn)足多種型號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，焊接變位機的設計具有很大技術(shù)難度。首先確定變位機的承載重量，用戶(hù)產(chǎn)品的最大單體工件重量為32t，變位機設計的最大承重量為35t，工作臺面直徑為6.4m。為保證閥體上法蘭盤(pán)角焊縫焊接處于船形焊位置，變位機最大翻轉角度需要達到135°(見(jiàn)圖4)。

圖4 閥體的最大翻轉角度　圖5 變位機的整體結構

　　當工件處于圖4位置，回轉工作臺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計的重點(diǎn)工作。為保證變位機的翻轉和回轉的平穩，翻轉采用雙扇型齒板，雙電動(dòng)機驅動(dòng)(見(jiàn)圖5)，回轉亦采用對稱(chēng)排列的雙驅動(dòng)結構。翻轉和回轉均設有機電雙重鎖定保護，確保各種工作變位狀態(tài)和失電狀況均能確保安全。標準機床的夾具無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)現場(chǎng)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)。新設計的變位機夾具確保了受交變力作用下，夾具均能滿(mǎn)足用戶(hù)提出的定位及夾緊要求，實(shí)現裝夾、拆卸快速方便。變位機的控制采用PLC控制，加裝旋轉編碼器組成半閉環(huán)系統，可精確定位、復位，可實(shí)現和焊接操作機聯(lián)控，組成蝶閥大型自動(dòng)焊接系統。

　　3. 焊接操作機的結構設計

　　焊接操作機的主體結構采用時(shí)代公司TZ4型標準結構，主要是根據蝶閥的焊接位置(見(jiàn)圖4)和焊接空間(見(jiàn)圖6)對操作機的橫梁和機頭進(jìn)行針對性設計。生產(chǎn)現場(chǎng)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(cháng)為650mm。從而可見(jiàn)，空間狹小是橫梁和機頭設計的主要限制條件。焊接操作機采用雙機頭結構(見(jiàn)圖7)，一側懸掛CO2氣體保護焊機頭(左側)，一側懸掛埋弧焊機頭(右側)。為保證整體結構的穩定性，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氣體保護焊一側采用內伸縮臂的結構形式，焊接行走不靠橫梁行走，依靠?jì)壬炜s臂的進(jìn)給來(lái)實(shí)現，有效行程為4m。埋弧焊一側由于有焊劑回收裝置，不能采用內伸縮臂結構，所以采用了加長(cháng)臂結構，焊接時(shí)，只有加長(cháng)臂部分伸入到工件內部。

　　圖4所示閥體由于兩個(gè)法蘭盤(pán)的間距有限，同時(shí)機頭本身還有一些附屬的跟蹤設備，占據一些空間，所以要實(shí)現法蘭內外環(huán)縫的焊接，通過(guò)加裝三級合葉將機頭調整到和焊縫平行的角度，同時(shí)也滿(mǎn)足機電跟蹤的位置需求。

　　4. 控制系統及監控系統

　　自動(dòng)焊接系統的控制系統和監控系統都集成在一個(gè)控制平臺上(見(jiàn)圖8)，控制系統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(guò)程的參數設置、動(dòng)作控制和參數調節。為便于現場(chǎng)的操作，同時(shí)設計一個(gè)手持控制器供用戶(hù)使用。在焊接蝶閥筋板時(shí)，焊接區域在可視范圍外，焊接路線(xiàn)和焊接狀態(tài)不確定，因此本自動(dòng)焊接系統特別設計了焊縫跟蹤和監控系統。對于埋弧焊機頭(見(jiàn)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(dòng)，行走出現偏差，通過(guò)電動(dòng)拖板實(shí)現微調。由于埋弧焊沒(méi)有弧光，焊接過(guò)程監控采用的是普通工業(yè)攝像頭(自然光)，監控攝像頭前端安裝工業(yè)照明燈予以光線(xiàn)補償。對于CO2氣體保護焊機頭(見(jiàn)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(wú)法滿(mǎn)足CO2氣體保護焊熔池監控的要求，所以需要特別設計一套焊接熔池監控裝置。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(jiàn)圖11)。由于自動(dòng)焊系統控制線(xiàn)長(cháng)度超過(guò)20m，所以為了減少焊接干擾的影響，數據線(xiàn)采用網(wǎng)線(xiàn)模式。自主設計的焊接熔池監控裝置解決了觀(guān)測視角問(wèn)題，也保證了狹小空間的物距要求。調試結果表明，本裝置可以過(guò)濾焊接弧光的干擾，視野足夠大，可清楚觀(guān)察焊接熔池狀態(tài)，能夠清晰觀(guān)測到焊絲和工件。

四、自動(dòng)焊系統的現場(chǎng)應用

　　蝶閥自動(dòng)焊接系統調試完成后，即在實(shí)際生產(chǎn)中開(kāi)始應用(見(jiàn)圖12)。首先變位機通過(guò)了35t實(shí)際工件的負載試驗，可以實(shí)現0°～135°任意角度翻轉，翻轉和回轉平穩，在135°角度工件裝夾安全可靠。自動(dòng)焊系統的兩側機頭都可以順利通過(guò)最小腔體并且穩定焊接。機電跟蹤系統能夠準確定位運動(dòng)軌跡，調節平穩，不會(huì )造成撞槍等事故。熔池監控圖像清晰，能夠準確判斷CO2氣體保護焊的電弧狀態(tài)。使用蝶閥自動(dòng)焊接系統，焊縫成形和焊接質(zhì)量得到保障(見(jiàn)圖13)，焊接效率提升50%以上。

五、結語(yǔ)

　　(1)詳細分析了蝶閥焊接的特點(diǎn)，為實(shí)現蝶閥的自動(dòng)化焊接，提出了焊接工藝和自動(dòng)焊接設備方面需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

　　(2)研制了大型焊接變位機，能夠適應多種型號蝶閥的閥體和閥板的安裝和固定，能夠滿(mǎn)足大翻轉角度下的安全設計要求。

　　(3)操作機的機頭設計既滿(mǎn)足閥板狹小空間的焊接要求，又能實(shí)現閥體環(huán)縫的焊接姿態(tài)的要求。

　　(4)自主設計的焊接熔池監控裝置獲得很好的CO2氣體保護焊熔池的圖像，熔池周?chē)�的參照物圖像清晰，可實(shí)現CO2氣體保護焊焊接過(guò)程監控的指標要求。