利用PLC控制功能和相应的工艺措施消除气电立焊的焊接盲区.pdf

3 0巷 3期 2 0 0 8{ Ii 6 ／ 1 V o 1 ． 3 0 No ． 3 J a n． 2 o o 8 利用 P L C控制功能和相应的工艺措施 消除气 电立焊 的焊接盲区 万海江 中国石化集 团第五建设公司 ，甘肃兰州 7 3 0 0 6 0 摘要 通过大量的比照试验和实际工程应用， 明确了消除气电立焊焊接盲区的消除办法有两种 一是设备本身是否具备 “ 起弧段闭环控制 功能的先决条件， 另外⋯种是在这基础上的相应工艺手段。 消除气电立焊起弧段的焊接盲区， 可降低气电立焊在工程中应用的难度和成本， 也使气电立焊“ 优质、 高效”的特点得到进一步的体现。 关键词气电 立焊焊接盲区消除 中图分类号 T 一 9 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 9 3 2 3 2 0 0 8 0 3 0 0 2 8 1 0 自动气 电立焊焊接方法与应用工艺以其焊接效率 高、 焊接质量好、设备操作比较简单等优势，已在 5 万 m 及l 0 万m 等级大型储罐的施工中得以广泛应用 。 然 而，由于实施该方法和工艺的焊接设备 自身及大型储 罐 “ 正装法”组焊的特殊形式，导致该焊接方法不能 1 0 0 ％地对整条立向向上的焊缝进行完整焊接 ， 始终在 起始段存在着需要为保证焊接内部质量而进行返修 的 一 定长度的焊接盲区，俗称 “ 小尾 巴” 。 之前， 收 “ 小尾 巴”的工作普遍地是依靠手工电弧 焊来完成的 ，生产效率低。而且 由于气电立焊所需的 焊缝间隙较大 ， 因此也增加了收 “ 小尾 巴” 时手工焊的 工作量 ，对电焊工个人的操作技能要求也较高。从另 一 个角度来看，由于 “ 小尾 巴”的存在， 也影响着焊缝 的整体观感质量，而且会导致罐壁立缝的施工成本增 加， 工效难以提高 ， 从而让气电立焊应有的 “ 优质、高 效”的焊接特色不能充分体现 出来。 为解决这种 自动气 电立焊焊接盲区的缺陷和 以上 所述 的关联问题 ，自动焊设备制造厂和许多设备使用 单位均在设备性能的设计提升和设备实际应用的条件 上不断改善 ， 开始了对 “ 消除气电立焊焊接盲区”进行 不断的探索 、研究和实践。 我们主要是与设备制造商一起，通过对气电立焊 设备的原理进行细化分析、 设备控制技术的优化提升 、 提高设备的优 良性能为先决的保障条件 ，然后在实际 的应用中再辅 以一些外部的必要因素条件，最 终彻底 地消除实际施工 中的气电立焊焊接盲区的。 1气电立焊产生焊接盲区原因的一般分析 1 ． 1 工 作原理 自动气 电立焊是焊接电弧在焊缝坡 口正面的水冷 铜滑块、背面的水冷铜垫板所围成的空间内，在 C O2 气体及药芯焊丝熔渣的联合保护下持续燃烧 ，并通过 电流反馈控制技术控制焊接小车带动焊枪能自动适应 焊接坡口条件而变速提升 ， 从而保持焊丝杆伸长不变、 熔池液面基本稳定 ， 从而完成立向焊缝的焊接动作， 达 到单道立向焊缝强迫一次 自动焊接成形的高效焊接方 法。 见 图 l 、图2 圈 1 气屯立焊焊接 x型坡口1 躲理示意 闰 2 。 ‘ 电立焊焊 接I v疆坡 1 J5 i 理示意嘲 1 ． 2罐壁立缝与环缝结合部的结构特点 储罐罐壁板的厚度通常是由下至上递减的。当采 用正装法施工时 ，罐壁立缝与环缝结合部的丁字缝在 罐壁内侧是平齐的，而在罐壁外侧则存在不同程度的 错边。当滑块靠在立缝下端 丁字缝中心 起焊时， 铁 水会从滑块两侧环缝坡 口处流出。 在罐壁外侧焊接时， 由于错边 的原 因， 滑块不能同时与上下罐壁紧密贴合， 使滑块与罐壁之间出现更大的缝隙 见图4 ，焊接时 欢迎访问 中国化工建设网 w w w ． c e e e n r ． o r g 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 万海江 利用 P L C控制功能和相应 的工 艺措施 消除气电立焊的焊接盲区 铁水侧漏情况会更严重。 1 ． 3 气电立焊起弧段的焊接特 点 罐壁丁字缝 的结构特点及气 电立焊的焊接 原理 决 定了其起弧焊接必须在预先设置好的辅助托台上进行。 施工现场普遍采用的设置方法有 手工焊堆焊、填加 垫铁或填加碎丝等方法。 气电立焊起弧焊接时为防止高温将起 弧托台熔毁 铁水漏出， 通常采用间断引弧法。即电弧引燃3 ～5 s 后 熄弧， 等待3 ～5 s 后再次引燃电弧，如此反复几次确认 底部不会焊穿时，再引燃 电弧开始焊接。这样在起弧 段 焊缝下端部向上 5 ～1 0 mm左右的范围通常易出 现未熔、气孔、夹渣等缺陷。如果引弧托台比较牢靠 ， 不会出现被熔毁的可能，可以不采用间断引弧法而直 接引弧焊接。但由于引弧托台上表面积 比较大，起弧 时熔池温度较低，药芯焊丝焊接时产生的熔渣和气体 较少等一些因素仍会导致起弧段产生未熔 、气孔、夹 渣等缺陷。 通过上述分析可知气电立焊产生焊接盲区的主要 因素有以下几点首先气电立焊焊接原理及原焊接工 艺是导致存在焊接盲区的内在因素。其次，采用正装 法施工的大型储罐丁字缝处的特殊结构不能满足气 电 立焊原焊接工艺的要求 ，因此成为存在焊接盲区的外 在因素。即焊接电弧必须在由焊缝坡 口及其前后滑 块、垫板围成的空间内燃烧。由于罐壁丁字缝的结构 特点不能满足工艺要求，导致焊接时必然存在焊接盲 区。此外，起弧段 内通常存在未熔、气孔 、夹渣等缺 陷，也是盲区难以得到突破 的重要 因素之一 参见图 3 、 图 4 。 ， ＼ 罐 ， 、 、 一 匿 3 丁字t处滑块与上下簟釜贴台情况示意 { ． ／ ％ { 蔷 ＼ ／ ＼ F 罐 壁 ／ ＼ ＼／ 蟹 4 气电立 焊焊接育Jg 意圈 2 试验设备与材料 我们公司为提升大型储罐建造能力 ，曾先后三次 从南京奥特 电气有 限公司引进储罐施工用 自动化焊接 设备，头两批选用的是该公司的 AUTO VUP型 自动 气电立焊机 ，第三次拟购之前，我们 向设备供应商提 出了气电立焊焊接存在盲区的问题、以及盲区解决之 后能够给施工单位带来的有关好处。南京奥特公司愿 意在解决这个问题上与我们合作， 合作的方式就是 双 方利用焊接设备做实际的焊接对 比试验 ，寻找设备本 身和施工措施方面的可能保障条件和方法。 试验设备选用了早期的 AUT O VUP型气电立焊 机器和新型的P L C控制的AUT O E GW I I I 型气电立 焊机 。试验 用钢 板材质为 S P V4 9 0 Q，钢板厚度 为 3 2 ． 5 mm 、2 7 ． 5 mm、 2 1 mm、1 2 mm。焊丝为E G - 6 0 、 E Gl 。C O， 气体纯度为9 9 ． 9 ％，焊接时气体流量 2 5 ～ 3 0 ml ／ mi n 。试件的坡 口采用氧 一乙炔火焰切割 ，试件 组对形式如图 5 所示。 气 匿 5 不 同辐厚捌视 网 相 同辐厚捌视 图 所有的焊接试验均是在以下描述的不同的相应对 策条件下分别进行的。 3相应对策 3 ． 1 采用P L 0 闭环控制技术和固有的快速检测处理能力， 提高起弧段 电弧的高速稳定 我们广泛地收集美国、 日本和欧洲等厂商生产的 气电立焊的全面资料 ，通过仔细的阅读、推敲与试验 对比， 从上面所说明到的气 电立焊的一般操作方法 中， 可以认为 这些厂商所生产的气电立焊机器 ，在正常 焊接阶段的控制上确实是均采用了电流反馈的控制技 术 ，但是他们的焊接设备在焊接 的起弧阶段上则没有 采用任何测量与反馈控制技术 ，最终不能保证起弧段 的内部焊接质量。对比 AUT O VUP型机器的有关焊 接效果 ，也属这种技术的自动焊接设备。 为此 ， 我们提出了 采用 电子互感器来快速测量焊 接 回路中任何时刻 包括起弧 的电流、 然后将这个电 流与实际设定的焊接 电流始终对 比，再有 P L C控制程 序实时进行 比较 ，从而给出让伺服马达有双向速度调 节增量的指令 ，依此循环 ，以控制起弧段在大电流条 件下快速地完成稳定填充，从而减少可以达到正常焊 接阶段所需要的必要的稳定时间。 AUT O E GW- I I I 就是增加了这种起弧段闭环控制 的 自动气 电立焊机器 ，试验中，近 5 0 块焊接试板的反 复焊接结果检测显示 它的焊接起弧段的最长长度也 欢迎访问 中国化工建设网 WW W ． c c c e n r ．o r g 4 5 几 UnU [ 口 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P e U o l e u m a n d a1 e c a l C o n s tr u c t io n ＆C 石油化工建设 只在 1 5 ram以内 一般是 1 O mm的长度上 ，比原来没 有起弧控制技术的机器缩短了5 ～1 0 倍。 尽管使用了起 弧控制技术后的具有这个长度的起弧段中仍然可能存 有 内部质量 ，但是这样的长度是完全可以全部落在横 缝的坡 E l 中的，可以在清理横缝坡 E l 时全部去除。因 此，使用了P L C控制技术的起弧控制功能的气电立焊 是保证消除 “ 小尾 巴” 自动焊接的先决条件 。 我们在这个先决条件下还试验了以下的工艺辅助 措施。 3 ．2改善起弧段的工况条件 3 ． 2 ． 1防止起弧段铁水 熔融金属 流失 针对在丁字缝中心起弧焊接立缝时铁水会从滑块 两测的环缝坡 口处流出， 导致焊接不能进行的问题 ， 可 采取在影响焊接的环缝坡 口处填充三角形垫铁的方法 解决 参见图6 、图7 。 填充的三角形垫铁的材质应与 罐壁材质相同， 垫铁的角度、 底边和高， 应与环缝坡口 尺寸相吻合 ，且应保证垫铁立面与罐壁平齐 ，不可凸 起或凹陷 ，确保滑块与垫铁和罐壁贴合紧密。单块垫 铁的长度控制在 1 0 ～1 5 ram为宜 ，这样不但可以保证 垫铁的堵漏效果 ，而且焊后清除垫铁也比较容易。 3 ． 2 ． 2加工符合焊缝接头型式的滑块 焊接上下罐壁有一定错边量的罐壁外侧立缝时 ， 只填加垫铁防止铁水侧漏的效果并不理想 ，还必须通 过改变滑块的形状实现防漏的目的。在滑块与罐壁接 触侧下部 l O mm左右的部位去除一部分，上下罐壁的 错边量即为去除部分的厚度尺寸。 经过改进 后的滑块 ， 可以有效地防止上下罐壁有错边一侧立缝起弧段焊接 时侧漏现象的产生 参见图 7 。为保证焊接过程在合 理的 “ 焊丝杆伸长” 以及滑块对焊缝有足够冷却效果 的状态下进行 ，滑块的几何尺寸可根据不同型号立焊 机的特点进行设计。 图6起弧段填加垫铁示意图 图7起弧段填加垫铁后滑块 与罐壁贴合状况示意图 3 ． 3起弧段的焊接措施 3 ． 3 ． 1起弧段的焊前准备 通过填加垫铁和对滑块进行了适应性改进后，为 2 0 0 8 q - 3 0 卷第3 期 突破焊接盲区奠定了必要的物质基础。原焊接工艺是 在人造起弧托台上起弧焊接，起弧段 的焊接缺陷可在 “ 收小尾巴”的过程 中予以清除。 为彻底去掉 “ 小尾巴” 就必须免除人造起弧托台，而直接在下方罐壁上边缘 起弧焊接 。因此 ，保证起弧段的焊接质量显得尤为重 要。为提高起弧段的焊接质量采取如下措施 。 排除母材和焊材等内在因素之外，通常所见的如 气孔、夹渣、 未熔合、 未焊透以及裂纹等焊接缺陷的产 生， 大多与温度、 清洁度、 潮湿度及保护效果有关。 就 气电立焊起弧段的焊接质量而言，起弧前必须将焊接 范围内的环缝 、 立缝坡 口及所填加垫铁表面的油污、 泥 土、 水、 锈等杂质清除干净 ， 起弧点的焊前预热温度必 须达到焊接工艺要求的上限。 焊接工艺对焊前预热温 度未作要求的低合金碳素钢，起弧点的预热温度可控 制在 1 0 02 0 C之间。 药芯焊丝应按工艺要求保管 、 使用。 C O， 气体的纯度必须符合要求， 起弧前还应将滑 块保护气喷 出口上 的飞溅等杂物清理干净，确保气体 喷出顺畅 ，保护效果 良好。 3 ． 3 ． 2起弧段的操作要求 焊接上下罐壁有一定错边量的罐壁外侧立缝时， 虽然对滑块做 了适应性改进 ，但在改进过程中考虑到 滑块对焊缝的冷却效果而必须保证滑块与罐壁特别是 焊缝有足够大的接触面积，即滑块的高度尺寸必须大 于正常焊接时焊丝的 “ 杆伸长度” 。为保证起弧段焊接 过程 中焊丝在合理的 “ 杆伸长” 状态下进行 ， 就必须通 过人工调节来控制焊枪的高度，使手动调节焊枪的上 升速度与在该焊接参数下设备的 自动焊接速度保持一 致，直到熔池金属的液面达到正常高度后停止手工操 作，焊接转入 自动控制状态完成整条焊缝的焊接。手 动调节焊枪上升的操作技巧需要焊工熟练掌握。 3 ． 3 ． 3起弧段的焊接参数 起 弧段的焊接参数应根据焊件的厚度进行选择 ， 为便于焊工操作，可取正常焊接参数的下限值。不同 焊件厚度对应的焊接参数见表 1 。 表 1气电立焊起弧段焊接参数表 焊件厚度 焊丝肖径 _捌热温度 接 l 流 接 电 焊 P I 材质 焊丝牌号 mm v mm f mm ℃ A s p v 一 4 9 0 Q 2 7 I e G 6 0 ／ D WS 6 O 3 中 1 ． 6 1 0 02 0 3 8 0 ￡2 0 4 02 S P V一 4 9 0 Q j 5 E G 6 0 ／ D WS 一 6 O 3 中 1 ． 6 l 0 0土2 0 3 6 0土l 0 3 8l l 6 M n R l 2 EG l ／DW S 4 3 G 中 1 ． 6 1 0 0 2 0 3 4 0士 l 0 3 7 l 3 ． 4起弧段的焊后处理 当前立缝焊接完毕后，立缝下端与垫铁及其下方 罐壁连成了一体。可使用碳弧气刨或角向磨光机将环 缝坡口内的垫铁和立焊金属彻底清除，使上下两节罐 壁分离。进行清除作业时 ，尽量不要破坏环缝坡 口形 欢迎访问 中国化工建设网 w w w ． c c c e n r ． o r g 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 万海江利用PL C控制功 能和相 应的工艺措施消除气 电立焊的焊接盲区 状及上下两节罐壁的间隙 ，减小对环缝组对及焊接的 4．1．2内在质量 影响。 4焊接试验及工程中应用结果 4．1起弧段的焊接质量 4．1．1观感质量 采用此方法焊接的焊缝整齐连贯，高低宽窄 一 致， 与原焊接方法相比观感质量得到明显改善，实际焊后 效果参见 图8。 藤瀵瓣鬻雾鬻一 图8实际焊后效果 消除气电立焊焊接盲区的方法在甬、沪 、宁长输管 道宁波岚山中转油库二期工程中的T 一 05、T - 06两台 lO万m 。储罐的施工 中得到实际应用。共焊接立缝315 条，起弧段经100％X射线拍片检查，312条合格，3条 不合格，合格率为99 ．05％。 4．2可操作性 采用该方法时在焊接工艺方面与原工艺要求相 同。 防止侧漏的三角形垫铁可利用罐壁板切割下来的边角 余料加工。在操作技术方面，普通的气 电立焊机操作 焊工经过2 ～ 3d的训练即可掌握该方法。 4．3工效 采用该方法时，焊前焊后对起弧部位的清理为3 ～ 5min，且工作难度不高。 采用原方法时， 一 名中高级 焊工通常需要30 ～ 40min方能将 “ 小尾巴 ” 焊接处理 完毕。 5结论 1气电立焊焊接盲区是可以消除的。 2消除气电立焊焊接盲区的先决条件是需要依据 设备本 身的PL C起弧控制功能的 。 3通过采取有效的措施和方法，起弧段 内在焊接 质量可以保证。 4丁字缝的观感质量可以得到明显提高。 5大型储罐施工中采用此方法，可以提高立缝的 焊接工效，降低气电立焊应用难度，节约成本。 收稿日期2 008 - 01 22 欢迎访问中国化工建设网ww w．cccenr．org 4 7 耀 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m