锅炉封头相贯线接缝自动焊机的研制

摘要：介绍了用于锅炉封头接管相贯线接缝自动焊机的结构、组成和工作原理, 及主要特点, 给出了该焊机用来控制焊枪运动轨迹的关键部件凸轮的形状与尺寸的计算公式。该焊机已成功地应用于锅炉封头相贯线接缝的自动焊接生产中。生产实践证明:该焊机在锅炉封头相贯线接缝的焊接应用中取得了良好的效果, 是一种低成本自动化新型的相贯线接缝专用焊接设备。管道切割机，相贯线切割机

关键词：锅炉封头　自动焊机　相贯线接缝

0  序言

      在电力、石油、化工、锅炉等行业中, 经常遇到锅炉封头与相应的接管焊成的相贯线接缝。这些锅炉的封头有碟形、椭园形、球形等多种形式, 为了使受力合理, 多采用球形封头, 对于这种接管与封头的相贯线接缝目前大都采用手工焊接, 使这种结构制造周期长、成本高、生产效率低、劳动强度大, 焊接质量难以保持稳定[ 1] 。有些厂家从国外引进管、板自动焊机, 除了价格高和维修所需的关键零部件依赖进口外, 这类焊机只能焊接接管与封头正交形成的规则平面角环缝, 对于斜交的相贯线接缝还不能实现自动焊接。国内有些厂家从国外引进弧焊机器人焊接这类相贯线接缝,但这些机器人价格非常昂贵, 同时对零部件的备料, 要求综合尺寸精度高、形位公差小, 往往由于几个尺寸不合格就使得焊枪偏离焊缝, 严重影响了焊缝的内部和外部质量。还有的厂家由于机器人出现故障无法修复, 使我国引进的机器人中有60 %以上不能很好地用于生产[ 2] 。为了降低成本, 缩短生产周期, 需要研制专用的焊接装置。国内某些单位虽然已研制出管与管对接接头的全位置自动焊机[ 3] , 但还没有人对封头接管相贯线接缝自动焊接系统开展研究工作。本文介绍作者自行设计和研制的一种低成本自动化锅炉封头相贯线接缝的自动焊机的结构、组成和工作原理。管道切割机，相贯线切割机

1 　焊机的结构、组成与工作原理

       图1 是该自动焊机的组成和工作原理示意图。整个焊机由机械传动部分, 电器控制部分和焊接电源所组成, 主要工作原理简单介绍如下。
      (1)封头与接管的安装:变位机5 固定在左箱体3 的传动主轴4 的右端, 锅炉封头6 安装在变位机上, 封头接管7 由安装在右箱体9 的三爪卡盘8 卡紧、定位, 左右箱体分别固定在底座13上, 调整变位机的三个自由度, 使封头的相贯线接缝与封头接管接触良好, 转动手轮10 可以使丝杠螺母带动右箱体沿导轨左右水平移动, 以适应不同尺寸的封头和接管需要, 再通过锁紧装置11 将右箱体固定在底座上。管道切割机，相贯线切割机
     (2)焊枪送进机构:焊枪送进电机15 和焊枪送进机构14 通过焊枪上下运动机构18 固定在微调机构17 上, 控制焊枪送进电机的正反转可实现对焊枪12 的送进或回拖。
     (3)焊前初始位置的确定:左箱体的外侧有一组微调机构, 可以用来调节焊枪与焊缝在焊前的初始位置。

        Fig.1　Work principle scheme of automatic arc welding machine for intersection-line seam of end for boiler
       1 —main motor-drive ;2—cams ;3—left case ;4 —transmi ssion spindle ;5 —change position mechanism ;
       6 —end f or boiler cylinders ;7 —connection-pipe in the end for boiler cylinders ;8 —three-claw-clamp ;
       9 —right case ;10 —handwheel;11— locking vice ;12 —welding torch ;13 —pedestal ;14 —advance mechanism ;
      15—motordrive for welding torch ;16 —direction shaft ;17 —fine adjustment;18 —up and down motion mechanism ;
      19 —changegear mechanism ;20 —spring ;21 —locus selector mechanism ;22—drive chain

      (4)焊枪轨迹的控制:左箱体的左侧有一个凸轮2 安装在左箱体的传动主轴4 上, 传动主轴带动工件转动时, 空间凸轮随之一起转动。借助于弹簧20 的推力迫使微调机构17 带动焊枪12 沿水平方向做有规律的轴向摆动。传动主轴又通过传动链条22 驱使上下运动机构动作, 该机构利用盘形凸轮控制焊枪上下位置的变化。

      (5)动作程序:先安装好工件;再调整好焊枪;启动焊枪电机;通过焊枪送进机构把焊枪送进到焊接位置上;引弧;固定在底座上的主电机转动;此时通过变速机构19 和传动主轴, 带动左右箱体之间的变位机和工件按照预先调好的速度回转;空间凸轮控制焊枪在水平方向运动;盘形凸轮控制焊枪在上下方向运动(该运动只用于弯管与封头的相贯线接缝);按照调好的焊接规范参数焊接, 实现封头相贯线焊缝的自动焊接。

      (6)厚壁封头与接管的自动焊接:对于薄壁封头与接管单层焊接时, 只有一个控制尺寸, 而对于厚壁封头多层焊接时, 每层的相贯线形状不一样, 这就需要计算出每层焊接时对应的凸轮形状。焊接前只要根据封头和接管的壁厚及二者的交角α, 确定出坡口的形状和尺寸, 找出焊枪运动的中心轨迹, 再确定出对应的半径尺寸(R 1 、R2 、…Rn , r1 、r2 、… 、rn)。最后确定出凸轮工作面的形状和尺寸[ 5] 。管道切割机，相贯线切割机
      当第一层焊缝焊完以后, 通过与凸论相接触的选择轨迹机构21 , 调节其与凸轮接触面的位置,以改变焊枪在不同层数焊接时的运动轨迹, 来满足不同层数焊接的需要, 对于同一层数、不同道数的焊缝, 每当一道焊缝焊接结束以后, 便可通过微调机构17 来改变焊枪的左右位置, 来实现该层多道焊缝的焊接。当工件的形状出现误差时, 为了使焊枪不偏离焊缝, 还可借助微调机构来修正焊枪的运动轨迹, 使焊枪始终沿焊缝的轨迹焊接。管道切割机，相贯线切割机

2 　控制焊枪运动的凸轮的主要参数

     为了保证焊接质量, 必须使焊枪始终沿着封头与接管相交所形成的相贯线轨迹移动, 这就需要计算出封头和接管相交后的相贯线轨迹。从而计算出凸轮的形状。再根据壁厚计算出不同厚度时的凸轮形状, 这样就可在焊接时由封头和接管所确定的凸轮形状来控制焊枪的运动。封头与接管组焊时有三种位置如图2 、图3 、图4 所示。

对于图2 的形式, 控制焊枪横向运动的空间凸轮的母线长d为[ 4]

d =Zo -[ R2 -r2 -a2 -b2 -2r(a ＊cosψ+b ＊sinψ)] 1/2 +c (1)

式中R ———半球封头半径
r ———接管半径
a ———接管轴线与封头轴线交点的横(x)坐标
b ———接管轴线与封头交点轴线的纵(y)坐标
c ———接管轴线与封头交点轴线的竖(z)坐标
ψ———决定母线位置的参数, 为凸轮半径与X 轴的夹角(0°≤ψ≤360°)
Zo ———任意值
对于图3 的形式, 其相贯线为一平面图形轨迹, 凸轮母线d为一常数[ 4] , 即

d =Zo -(R2 -r2)1/2 +R (2)

式中R ———半球封头半径
r ———接管半径
Zo ———任意值

对于图4 的形式, 控制焊枪横向运动的空间凸轮的母线长d为[ 4]

d =Zo +c ＊cosα+b ＊sinα-[ R2 -r2cos2 ψ-a2-2a ＊r ＊cos ψ-(r ＊sin ψ＊cosα+b)2 -(-r ＊sin ψ＊sin α+c)2 +(c ＊cosα+b ＊sinα)2] 1/2 　　(3)

式中R ———半球封头半径
r ———接管半径
α———接管轴线与半球封头轴线交角(α≤90°)
a ———接管轴线与封头轴线交点的横(x)坐标
b ———接管轴线与封头轴线交点的纵(y)坐标
c ———接管轴线与封头轴线交点的竖(z)坐标
ψ———决定母线位置的参数, 为凸轮半径与X 轴的夹角(0°≤ψ≤360°)
Zo ———任意值

      对于已经确定的封头和接管, 半径R 、r 、二者的交角α、交点的坐标(a , b , c)等均为已知参数,对于封头与接管不同的相交形式, 可分别利用式(1)、(2)、(3)就可以求出任意结构时所对应的空间凸轮的母线长度d 。

     对以上这几种接管, 因工件的回转轴线都与接管轴线重合, 所以一般不用盘形凸轮。如果工件回转轴线与接管轴线不平行, 只要求出对应凸轮的尺寸[ 4] , 利用该自动焊机的上下运动机构仍可实现自动焊。管道切割机，相贯线切割机

3 　焊机的主要设计特点

      该自动焊机利用凸枪机构控制焊枪端部的运动轨迹, 只要改变凸轮的形状和尺寸就可实现不同尺寸的锅炉封头和接管以不同角度相交所形成的相贯线接缝的自动焊接。已建立起凸轮形状尺寸的计算公式并编制出计算程序[ 4] 。

     该焊机工件的转动与焊枪两个方向的运动采用单级直接传动, 结构简单, 传动平稳, 传动误差小。通过焊枪送进机构、凸轮机构、焊枪轨迹选择机构、以及工件回转机构的协调动作, 使焊枪在三维空间运动, 实现了相贯线360°范围内焊缝连续焊接。管道切割机，相贯线切割机

     该焊机主要利用凸轮机构和一些其它的结构, 将简单的机械运动变为焊枪端部复杂的曲线运动, 简化了相应的电器控制线路, 可采用小功率的直流伺服电机。所有的焊枪位置都靠行程开关来保证, 不但调整方便, 运动位置准确, 而且避免了传动误差积累, 提高了焊枪运动重现性的精度。并可在任意位置引弧、焊接。该机设计了手动和自动两套控制线路, 为试焊单件小批生产简化了调试手续, 又为大批量生产提高了效率。管道切割机，相贯线切割机

4 　工艺试验结果

      该焊机研制成功之后, 通过对锅炉封头与接管的相贯线焊缝的焊接应用, 取得了良好的效果,比手工焊接提高效率5 ～ 8 倍, 焊接质量稳定可靠。焊接工艺试验结果表明:焊缝成形良好, 表面光滑均匀, 水压和密封试验, 力学性能等各项技术指标全部满足产品技术要求。

5 　结　　论

      (1)所研制的封头相贯线接缝自动焊机, 结构简单, 传动平稳, 运行可靠, 特别适合于锅炉、容器等封头相贯线接缝的自动焊接。
      (2)工件的转动与焊枪的运动二者配合协调, 可在工件的任意位置引弧、焊接, 不存在传动积累误差。采用手动和全自动两套控制系统, 操作简单, 调整方便, 工作可靠。
      (3)实际生产应用证明, 该焊机大幅度提高生产效率, 焊接质量稳定可靠。焊缝成形良好。
      (4)用割炬代替焊枪, 可在封头上实现自动切割相贯线曲线。管道切割机，相贯线切割机

本文作者：张忠厚　李文娟(济南　山东工业大学）   刘强    (济南市锅炉压力容器检验研究所）