带圆锥台的马鞍形管接头表面自动堆焊设备及其焊接方法 【技术领域】
本发明涉及一种带圆锥台的马鞍形管接头表面自动堆焊设备及其焊接方法，特别适用于不同直径的母管与支管相贯形成的马鞍形管端面和端面上带圆锥台的接头表面的防腐层堆焊，属于自动焊设备和焊接方法技术领域。
背景技术
带圆锥台的马鞍形管接头是石化和电力产业领域管网中常用的管接头，其端面是筒节与进出口管即母管与支管相贯形成的马鞍形端面，管端面上还带有一个外面倾斜的圆锥台阶，端面和侧面的整圈宽度都不相同。如果管接头是圆形端面，通常可通过埋弧自动焊、气体保护焊或TIG焊等设备实现自动焊接。当马鞍形端面一周高度变化较大，坡度较小时，亦可采用马鞍形轨迹控制方法实现高度变化，熔池不至于下淌，焊道成型尚可；但如果马鞍形端面曲线坡度较大，就只能采用焊接变位器，将焊接位置变位到水平位置进行焊接。而现有的马鞍形坡口埋弧焊机，基本都是由PLC控制，其运动定位点数较少，只能用于一条轨迹，多用于一道焊缝的马鞍形端面接头的坡口焊接；因为现有设备的变位器和操作机不能实现多轴联动控制，所有只能用于标准形状管接头的焊接。例如：现有的一台马鞍形端面管接头埋弧自动焊机，使用三菱Q系列PLC、QD75系列定位控制模块，定位最大点数为600个，如果周向按1度的角度设置1个定位点，一周即需360个定位点数，600个点数只够一周定位，即只够一条焊道的定位点数。而需要加工的马鞍形端面堆焊道数高达80~100道，每道轨迹又不相同，因此，现有马鞍形端面管接头埋弧自动焊机无法实现对带圆锥台的马鞍形管接头的自动堆焊。由于没有合适的设备进行自动焊接，目前只能采用手工焊接方法对带圆锥台的马鞍形管接头进行堆焊工作，具体的作法是：首层采用308L焊条，堆焊厚度3毫米；第二层采用309L焊条，堆焊厚度不小于4毫米；总厚度不小于7毫米。显然，手工焊接存在以下问题：
1、由于需要焊接的带圆锥台的马鞍形管接头直径在Φ1500mm，窄面宽度200mm，宽面230mm，侧立面宽70，锥台面宽102mm，堆焊量大，一个工件需要焊接两周的时间；
2、手工堆焊不容易保证焊道间距均匀，且堆焊面凸凹不平，需要磨平以后才能进行着色和超声探伤，打磨量大；
3、为保证有效的堆焊厚度，导致堆焊余量大，焊接后的磨削工作量增大。
【发明内容】
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种带圆锥台的马鞍形管接头表面自动堆焊设备及其焊接方法，该自动焊设备应通过五轴联动，实现焊接位置始终保持水平，进行连续的自动焊接，采用热丝TIG焊接方法，从而大幅度提高焊接效率和焊接质量。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：一种带圆锥台的马鞍形管接头表面自动堆焊设备，它主要包括一个完成工件升降、旋转和倾钭的工位调节装置、自动焊枪机械手和电气控制装置，工位调节装置集成安装在一个底座上，自动焊枪机械手安装在一个小底座上，在工作时，所述电气控制装置由PMAC控制器为核心按预先编制的马鞍形轨迹控制程序和操作指令，控制工位调节装置和自动焊枪机械手动态配合，完成带圆锥台的马鞍形管接头相贯线焊缝水平位的堆焊。它还包括一个激光定位器，所述工位调节装置包括一个工作台旋转机构、一个工作台升降机构和一个工作台倾钭机构，在所述底座上设有一个主动侧立柱和一个从动侧立柱，在主动侧立柱的上端部设有一个由第一轴承支承的第一支承轴，右侧的升降机构采用悬挂式固定在第一支承轴的端部，在从动侧立柱的上端部设有一个由第二轴承支承的第二支承轴，左侧的升降机构也采用悬挂式固定在第二支承轴的端部，左、右侧的升降机构通过各自的滑板与工作台底座连接；所述工作台旋转机构设置在工作台底座的一侧，可以旋转的工作台位于工作台底座的上方；在所述主动侧立柱的下部设有一个所述工作台倾钭机构的由支承轴承支承的主传动轴，位于主传动轴一端的第一小齿轮与右侧的升降机构固定连接在一起的从动扇形齿相啮合；所述激光定位器设置在右侧的升降机构的上部并面向工作台，激光定位器的中心位置与第一支承轴的中心位置相一致；所述自动焊枪机械手可以在位于底座一侧的小底座上行走，焊枪地位置采用横向进退机构和纵向升降机构调节；在自动焊接开始时，首先用所述工位调节装置把工件的最高点，调节到略低于激光定位器的光点位置，再把焊枪调节到与工件的起焊点，提升焊枪使钨极尖与激光点重合，执行复位然后再回到启焊位置，调整好焊丝与钨极的相对位置，然后起动焊接电源开始焊接。
所述工作台旋转机构采用第二伺服电机经第二行星减速机驱动第二小齿轮，第二小齿轮驱动固定安装在工作台下面的齿圈使工作台转动。
所述工作台升降机构采用左、右侧的升降机构同步工作，左、右侧的升降机构的第三电机经第三行星减速机驱动丝杠，丝杠经丝母驱动滑板连同工作台底座一起作升降运动。
所述工作台倾钭机构采用第一伺服电机经第一行星减速机驱动主传动轴，与主传动轴固定连接的第一小齿轮经与右侧的升降机构固定连接的从动扇形齿驱动左、右侧的升降机构和工作台底座一起倾斜。
使用所述的带圆锥台的马鞍形管接头表面自动堆焊设备的焊接方法包括以下步骤：
(1)安装工件
将工作台转到水平位置，将工件吊到工作台上，调整工件中心与工作台中心重合，通过螺栓压板将工件固定在工作台上，通过工位调节装置，把上端面焊接始点调整到接近第一支承轴的轴中心位置；
(2)选择堆焊程序，输入工件和焊接工艺参数
堆焊轨迹设置了多种控制程序，焊接前通过电气控制系统的触摸屏选择所需焊接面的程序，输入的马鞍形管接头工件的基本参数和焊接工艺参数，设定弧压控制动作合成角度，弧压设定值和焊枪与堆焊面角度等；马鞍形管接头工件的基本参数。包括：底面母管直径Φ1，底面0度位宽度D1，底面90度位宽度D2，高面母管直径Φ2，高面0度宽度D3，高面90度宽度D4，支管外径Φ3，直管内径Φ4，中心高度L，外壁高度差(T1-T2)，外壁斜度α，圆角半径R。其中底面0度宽度，底面90度宽度，高面0度宽度，高面90度宽度，差用于马鞍曲线内部到外部的连续光滑过渡计算。外壁高度差用于外侧面轨迹由下至上的均匀过渡计算，其它参数用于基本马鞍轨迹计算。
(3)调节焊丝与钨极相对位置
由送丝机将焊丝通过送丝导管送到焊丝导电嘴，通过焊丝位置调整机构调整焊丝与电弧相对位置，使焊丝伸出方向对准钨极与工件接触，接触点与钨极水平距离为8-9mm，并保持焊丝与工件的焊接面形成约15°的夹角；将热丝电源与导电嘴、焊丝与工件串联形成电流回路；保证焊接时可靠接触，并且阻力最小为最好；
(4)调整各轴初始位置执行复位
并通过回转变位机构将工件的焊接面调整为水平位置，通过手动方式将各轴调到设定起始原点位置，将焊枪钨极尖对准激光灯，执行原点复位，各轴初始坐标将按工件设定参数和位置赋值、计算；
(5)执行堆焊轨迹控制流程
马鞍轨迹是以接管中心一周分3600个角度进行计算的，根据每个角度相贯点高度变化值计算倾斜角度变化值和旋转速度补偿保证焊接位置水平和堆焊厚度一致。采用PMAC控制器和交流侍服驱动，通过马鞍形数学公式程序，实现马鞍形轨迹控制。焊接顺序是先焊低端面，→外侧立面→内立面→内外R角→高端面。按下焊接按钮，由电气控制系统中的计算机根据预先设定的焊接程序依次完成工件的低面、高面、圆锥台外斜面、圆锥台内立面、底角和顶角的自动堆焊。
本发明的有益效果是：这种带圆锥台的马鞍形管接头表面自动堆焊设备，它主要包括一个完成工件升降、旋转和倾钭的工位调节装置、自动焊枪机械手、激光定位器和电气控制装置，工位调节装置包括一个工作台旋转机构、工作台升降机构和工作台倾钭机构。在工作时，电气控制装置按预先设置的操作指令控制工位调节装置和自动焊枪机械手动态配合，完成带圆锥台的马鞍形管接头端面防腐层的自动堆焊。其优点如下：
1、通过电气控制装置的协调控制达到了五轴联动，从而使工件的堆焊端面在焊接过程中始终处于水平状态，实现了工件焊接过程中的水平变位。
2、采用热丝TIG焊接工艺和水平位连续焊接，焊接接头少，没有上、下坡，整体焊道一致、平整，焊接质量好。
3、完全实现了自动焊接，减少了堆焊面打磨量，提高了焊材利用率。
4、采用热丝技术，在送丝导电嘴与工件间加入电压，使送丝导电嘴与工件间焊丝流过电流，加热焊丝，减少焊丝对电弧热量吸收，从而提高焊接效率。
5、控制程序中集成了弧压控制功能，通过检测电弧电压，能够修改计算轨迹值满足焊接过程弧压和热丝电流稳定的要求，并能通过设AVC定动作角度设定两个轴合成动作比例值。
6、由控制程序实现整个端面不等宽轨迹的均匀过渡，使堆焊层与马鞍端面接管外边缘平行。通过控制焊接速度的变化实现堆焊厚度一致。
【附图说明】
图1是一种带圆锥台的马鞍形管接头焊接设备的结构正视图。
图2是一种带圆锥台的马鞍形管接头焊接设备的结构俯视图。
图3主要示出了焊枪机械手的结构图。
图4主要示出了使工作台倾斜机构的结构图。
图5是工件相关尺寸示意图。
图6是马鞍端面接管内臂堆焊轨迹示意图。
图中：1、底座，1a、小底座，2、主动侧立柱，2a、第一伺服电机，2b、第一行星减速机，2c、主传动轴，2d、第一小齿轮，2e、从动扇形齿，2f、支承轴承，2g、第一支承轴，2h、第一轴承，3、从动侧立柱，3a、第二轴承，3b、第二支承轴，4、工作台，4a、第二伺服电机，4b、第二行星减速机，4c、第二小齿轮，4d、齿圈，4e、工作台底座，5、升降机构，5a、第三伺服电机，5b、第三行星减速机，5c、丝杠，5d、滑板，5e、丝母，5f、配重，5g、连接凸盘，6、焊枪机械手，6a、支承架，6b、横向进退机构，6c、纵向升降机构6d、焊枪，7、激光定位器，8、送丝机，8a、焊丝导管，9、热丝电缆，10、工件。
【具体实施方式】
图1、2、3、4示出了一种带圆锥台的马鞍形管接头焊接设备的结构图。图中，自动焊设备包括一个完成工件升降、旋转和倾钭的工位调节装置、自动焊枪机械手6、激光定位器7和电气控制装置，工位调节装置集成安装在一个底座1上，自动焊枪机械手6安装在一个小底座1a上，在工作时，电气控制装置按预先设置的操作指令控制工位调节装置和自动焊枪机械手动态配合，完成带圆锥台的马鞍形管接头相贯线焊缝的焊接。下面主要介绍工位调节装置包括的工作台旋转机构、工作台升降机构和工作台倾钭机构。
在底座1上设有一个主动侧立柱2和一个从动侧立柱3，在主动侧立柱2的上端部设有一个由第一轴承2h支承的第一支承轴2g，右侧的升降机构5采用悬挂式固定在第一支承轴2g的端部。在从动侧立柱3的上端部设有一个由第二轴承3a支承的第二支承轴3b，左侧的升降机构5也采用悬挂式固定在第二支承轴3b的端部。左、右侧的升降机构5都设有配重5f并通过各自的滑板5d与工作台底座4e连接。工作台升降机构采用左、右侧的升降机构5同步工作，左、右侧的升降机构5的第三伺服电机5a经第三行星减速机5b驱动丝杠5c，丝杠5c经两个丝母5e驱动滑板5d连同工作台底座4e一起作升降运动。
工作台旋转机构设置在工作台底座4e的一侧，可以旋转的工作台4位于工作台底座4e的上方。工作台旋转机构采用第二伺服电机4a经第二行星减速机4b驱动第二小齿轮4c，第二小齿轮4c驱动固定安装在工作台4下面的齿圈4d使工作台4转动。
在主动侧立柱2的下部设有一个工作台倾钭机构的由支承轴承2f支承的主传动轴2c，位于主传动轴2c一端的第一小齿轮2d与右侧的升降机构5上的连接凸盘5g固定连接在一起的从动扇形齿2e相啮合，从动扇形齿2e的上端还活动套装在第一支承轴2g上(图1、4)。工作台倾钭机构采用第一伺服电机2a经第一行星减速机2b驱动主传动轴2c，与主传动轴2c固定连接的第一小齿轮2d经与右侧的升降机构5固定连接的从动扇形齿2e驱动左、右侧的升降机构5和工作台底座4e一起倾斜。
激光定位器7设置在右侧的升降机构5的上部并面向工作台4，激光定位器7的中心位置与第一支承轴2g的中心位置相一致(图1)。自动焊枪机械手6可以在位于底座1一侧的小底座1a上行走，焊枪6d的位置采用横向进退机构6b和纵向升降机构6c调节。在自动焊接开始时，首先用工位调节装置把工件(10)的起焊点调节到激光定位器7的光点位置，再把焊枪6d调节到与工件10的起焊点平面成15度夹角，调节好焊丝与钨极的相对位置，然后即可进入焊接状态。
最后举例说明使用上述自动焊设备的焊接方法：
(1)安装工件
将工作台4转到水平位置，将工件10吊到工作台4上，通过工作台面上固定的调整丝杠，调整工件10中心与工作台4中心重合，通过螺栓压板将工件10固定在工作台4上，通过工位调节装置，把焊接始点端面接近第一支承轴2g的轴中心。
(2)输入工件基本常规参数
图5示出了通过电气控制系统的触摸屏输入的马鞍形管接头工件10的基本参数。底面母管直径Φ1＝3951mm，底面0度位宽度D1＝205mm，底面90度位宽度D2＝230mm，高面母管直径Φ2＝3784mm，高面0度宽度D3＝125mm，高面90度宽度D4＝115mm，支管外径Φ3＝1498mm，支管内径＝736mm，中心高度L＝130mm，外壁高度差T1-T2＝10mm，外壁斜度α＝15度，圆角半径R＝20mm。度宽度，输入焊道间距4mm，，弧压＝11.3V，焊接速度＝200mm/min，提前送气时间5S，引弧电流50A，基值焊接电流160A，峰值焊接电流280A，滞后停气时间10S，等参数。
(3)调节送丝机构
将TIG电源的输出负极接焊枪6d、正极接工件10，由送丝机8将焊丝通过送丝导管8a送到焊丝导电嘴，使焊丝伸出与工件10接触，并通过回转变位机构将工件10的焊接面调整为水平位置，保持焊丝与工件10的焊接面形成约15度夹角；将热丝电源与导电嘴、焊丝与工件10串联形成电流回路；通过焊丝位置调整机构调整焊丝与电弧相对位置，保证焊丝送到电弧熔池边缘，并与工件(10)保持接触；峰值电流不至于烧断焊丝为最好。焊枪角度与下端面垂直。
(4)调整各轴初始位置
焊接顺序是由内到外，通过手动方式调整各轴使焊枪钨极尖对准低面0度外R角处第一道位置，提升焊枪与激光点重合，执行原点复位，再将焊枪调到设定起始原点0度位置。
(5)各面堆焊轨迹控制流程
低端面焊接
按下焊接按钮，执行提前送保护气→钨极接触工件→提起设定高度→高频引弧→电流上升→脉冲电流→送丝→启动工作台旋转→倾斜轴和机械手其它三轴根据当前转角位置对应轨迹各轴计算值相应调整，使焊接位置始终处于水平位置，机械手滑座轴根据焊道数和底面宽度差对一周不同位置进行调整→焊接速度根据坡度和轨迹补偿后宽度变化计算调整→根据弧压检测值确定下一目标位置值是否需要修改完成弧压自动控制→达到一周和设定搭接量后按45度角向外移到下一轨迹→重复以上轨迹控制过程→到最外一道轨迹→到终点后执行电流衰减收弧→延时停保护气，完成工件10的低面的焊接工作。
外斜面焊接
选择侧立面焊接程序→调整焊枪与底面夹角为约30度以90度位置不刮工件10表面为准→执行(4)复位程序→按下焊接按钮，执行提前送保护气→钨极接触工件→提起设定高度→高频引弧→电流上升→脉冲电流→送丝→启动工作台旋转→倾斜轴和其它三轴根据当前转角位置对应计算值相应调整使焊接位置始终处于水平位置，横移轴和升降轴根据焊道数和底面宽度差对一周不同位置进行调整→焊接速度根据坡度和轨迹补偿后宽度变化计算调整→根据弧压检测值确定下一目标位置值是否需要修改，来完成弧压自动控制→达到一周和设定搭接量后按45度角沿斜度角向上移到下一轨迹→重复以上轨迹控制过程→到最外一道轨迹→到终点后执行电流衰减收弧→延时停保护气，完成工件10的低面的焊接工作。
内立面焊接
选择内立面焊接，将焊枪与内立面调整垂直→工件转的0度位置→倾斜轴调到0位置，将钨极尖对准起始焊道位置→升枪与激光点对准，执行原点复位→将焊枪重新移到起始焊接位置→按焊接按钮→执行送保护气→钨极接触工件→提起设定高度→高频引弧→电流上升→脉冲电流→启动工作台旋转→达到一周和搭接设定值后以45°角向上移动到下一圈轨迹→焊接到上部后由程序计算启焊端点位置→执行引弧焊接→收弧→转到下一焊接起始位置→收弧→提高焊枪到下一焊道高度继续焊接→完成焊接。图6是马鞍接管内壁堆焊轨迹展开图，采用横向方式堆焊，马鞍端面以下为连续堆焊，a为焊接起点，按箭头方向焊接，焊接到位置b后，焊枪上移设定宽度，进入第二道焊接轨迹起点c，到马鞍端面出现不连续焊道为止。马鞍端面部分采用断续方式焊接，程序根据与马鞍端面上端设定宽度计算起弧点和收弧点位置，也可采用手动方式设定起弧点，收弧点与起点对称。执行过程如下：马鞍接管转动到d位置后引弧焊接，达到对称位置e后收弧。空转到下一对称位f置后引弧继续焊接到位置g，完成该层焊接。焊枪向上移动进入下一焊道高度，引弧点位置为h，重复该程序到最后一段。边角封边采用马鞍轨迹控制方式实现，焊接起点为j，终点为k，焊枪与工件夹角需要调整。
顶角焊接
选择顶角焊接程序→将工件调整到初始位置→将焊枪角度调整到与所焊角切线垂直→升焊枪到钨极尖与激光点重合→执行原点复位→将焊枪返回到启焊点位置→执行焊接程序→其它过程与底面相同。
上端面焊接方法与底面基本相同，不再赘述。