窄间隙埋弧自动焊关键技术的研究
合集下载
窄间隙埋弧焊成套设备配置方案研究
Ａ ｓａ ： ｐ ｔｍｎ Ｏ ｌｕ ｇｒｉ ｍｌｅ６ ａｏ ｐ ｕ ｅｅ ａ ｌｎ ｅ ｉ ｅ ｂ ｒ ｔ ｓａｅｄ ｅ ｉ ｓ ｔ ｍｃ ｕ ｌ ｆ ｃ ｐ ｔ￣ｓｆ ｒｗ ａ ｓ ｍ ｒ ｄｙｗ ｄ ｇｑ ｐ ｎ ｔ ｃ Ｔ ｐ ｒｅ ｒ ｅａ￣ｍ ｏ ａ ｎｏ ｏ ｅ ｔ ｎ ｒ ｇ ｂ ｇ ｃ ｅ ｉ ｕ ｍ ｔ ０ ｒ ｏ
施 工 。 为 降低 制 造 成 本 ，通 过对 窄 问 隙埋 弧焊 成 套设 备 的组 成及 工 作原 理 进行 详 细地 分 析 、论 证 ， 合 理 选 型 配 置 ，在 保 证 焊 接 技 术 指 标 的 基 础 上 ， 节省 了大 量 资 金 ，圆 满地 完 成 现 场 组 焊 任 务 ，取 得 了事 半功倍 的效 果 。
窄 间 隙埋 弧 焊 机 头 是 窄 间 隙埋 弧 焊 成 套 设 备
１一重 集 团核 电 石 化 事业 部 工程 师 ，辽 宁 ．
大 连 １６ １３ １ １ 大 连 １６ ０ ６０ １
２ 一重 集 团冶 金 工 程 事 业部 助理 工 程 师 ，辽 宁 ．
工工
２ １ 年 第 ３期《 １ １ ） ０１ 总 ４ 期
王福 臣 ， 刘 自力
摘要：对窄间隙埋弧焊成套设备的组成及工作原理进行分析、论证 ， 确定最佳酉置方案，在保证设备使用性能前
提 ， 降低企啦成苓。 。 ｊ 关键词：窄间隙埋弧焊成套设备；组成及工作原理；配置方案 ｊ ＿
中图分类号 ： Ｇ ３ 文献标识码 Ｓ 文章编号 ：１７—３５ （０ １ ３０ １一３ Ｔ４ ６３ ３５ ２１）０－０５Ｏ
｜
没备维护 及改 造 琵 誊 §
薯 甏 ｌ § ｌ
琵
－ 。 ｉ
Ｃ Ｈ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ ＦＩ Ｃ Ｎ ＬＧ Ｔ
窄间隙气体保护焊相关关键技术
窄间隙气体保护焊相关关键技术摘要：包含焊缝轨迹自适应跟踪技术、两侧壁熔合控制技术、焊接高温区高效气体保护技术、实现六大功能要求的焊枪设计与制造技术等技术在内的窄间隙气体保护焊技术虽然在当今市场上的应用不多，但是，这种技术却在各方面都比其余同类技术有着更高优势。
只要能够突破关键的核心技术问题，窄间隙气体保护焊技术必然会得到新的进展。
关键词：气体保护；窄间隙气体保护焊；核心技术当今社会，科学技术飞速发展，数字化与人工智能已经悄然来临，我们正在逐渐步入大数据时代。
弧焊技术也随着在不断进步。
首先，弧焊技术定然会与数字时代接轨，实现无人化和智能化也就是自然而然的了。
另外，提高焊接效率也是必然的选择。
只有安全可靠且有高效的焊接技术，才能经受住人们的选择，不被时间淘汰。
上世纪60年代，窄间隙焊接技术出现，随着时间的推移，现在已经出现了窄间隙气体保护焊（NG-GMAW），窄间隙热丝脉冲氩弧焊（NG-TIG）和窄间隙埋弧焊（NG-SAW）三种较为成熟的技术，三种技术虽然在生活生产中有了一定的应用，但是却没有得到大范围推广。
因为窄间隙气体虽然性价比更高，综合优势比较强，但是它的关键技术却迟迟没有突破，因而市场占有率不高。
一、宅间隙气体保护焊两侧壁融合控制技术世界上的所有的宅间隙焊接技术都是不完美的，都有着相应的缺点，同事又有着一个相同的缺点，就是两侧壁的可靠融合。
我们现在主要研究的就是这方面的问题。
当焊接坡口变窄时，产生的问题也就更加明显[1]，此时，电弧轴线差不多已经与坡口四周壁面平行了，这时侧壁已经无法受到中心的电弧的作用了。
目前为止我们暂时研究出来并且能够投入市场的技术大致只有四种，同时这四种技术都是靠着电弧中心或周边向焊接坡口两侧壁靠拢的原理实现的，并且，这也是解决两侧壁可靠融合的基本方法。
现在，我们最经常使用的有拨浪焊丝法和固定偏侧法，二者互有利弊，所以可以根据实际操作的具体要求，选择不同的焊接方法。
二、窄间隙气体保护焊的焊枪技术有很多技术对于窄间隙气体保护焊技术来说都是十分重要的，比如窄间隙焊枪技术。
窄间隙埋弧焊接系统技术方案_图文
窄间隙单丝埋弧焊接系统技术方案窄间隙单丝埋弧焊接系统是我公司选用ESAB公司的窄间隙埋弧焊部件和国产焊接操作机开发的非常成熟的成套设备,并提供了多套类似设备给国内的多个厂家;该系统为标准的模块化设计,可以根据需要增加相应的功能模块,提高其使用性能,最大限度地满足生产的需要。
一、简介该系统选用ESAB公司LAF1250埋弧焊电源,HNG窄间隙埋弧焊机头,PEH自动焊接过程控制器,OPC焊剂回收系统,GMD电动跟踪系统,新加坡罗马提供焊接操作机,滚轮架,我司配备PLC联动控制系统。
本系统选择如下的功能模块:ESAB LAF1250 埋弧焊电源ESAB PEH自动焊接过程控制器ESAB HNG窄间隙埋弧焊机头ESAB GMD电动跟踪系统ESAB OPC焊剂回收系统罗马 RM8060焊接操作机罗马 HGF800防窜滚轮架PLC控制系统二、系统性能,(一LAF 1250直流焊接电源LAF系列焊接电源是远程控制的风冷式三相焊接电源,用于进行高效机械化埋弧焊( S AW 或气体保护焊接( MIG/MAG 。
LAF系列焊接电源在整个电流和电压范围内均有优良的焊接性能,尤其是优异的引弧及重燃特性。
该系列焊接电源在高压下和低压下都具有良好的电弧稳定性;而且,该电源具有过载自动保护功能;当自动跳闸时,电源面板上有一黄灯指示,当温度降到可以接受的范围内时,电路将自动接通。
LAF 系列通过PEH焊接过程控制器进行控制,其主要技术参数如下:LAF 1250100%暂载率 1250A/44VSAW的设置范围 40A/22V~1250A/44VMIG\MAG的设置范围 60A/17V~1250A/44V开路电压 51V开路功率 220W效率 0.87功率因子 0.92保护等级 IP23尺寸 774×598×1430mm3重量 490Kg(二PEH焊接过程控制器PEH过程控制器是适用于ESAB公司LAF自动控制新系统。
窄间隙埋弧焊技术的新发展(六)
统的全貌 。
心线 （ 参见图７ ａ ）；当以每层双道焊工艺焊接时， 焊丝端部必须严格保持所要求的丝壁间距 （ 参见 图７ ｂ）；当以每层三道焊工艺焊接时 ，焊丝在接
缝中的相对位置 ，则应随着焊道的变换而变更 ，
Ｅ Ｓ Ａ Ｂ 公司早在３ ０ 年前研制成功并定型生产
Ａ ６ － Ｇ Ｍ Ｄ 型接触式焊缝 自动跟踪系统 ，已在各类
关键词 ：窄间隙 ；埋弧焊 ；新发展
（ 上续２ ０ １ ２ 年第１ ０ 期 ）
４ ． １ ． ６ 焊缝 自动 跟踪 系统
在现代窄间隙埋弧焊装备中，可以根据不同 的技术要求 ，配备 以下三种焊缝 自动跟踪系统 ： １ ． 标准型通用焊缝 自动跟踪系统 ；２ ． 自适应焊缝 跟踪系统 ；３ ． 激光视觉传感焊缝 自动跟踪系统。
◇ ◇
（１ ）
◇
（ ２）
（３）
（ ４）
（ ５，
１ ． 手控定位 ；２ ． 垂直一 水平跟踪 ；３ ． 垂直一 水平向右跟踪；４ ． 垂直一 水平 向左跟踪 ；５ ． 垂直跟踪
图１ ４ ８ ５ ４ Ａ 开关旋 钮设定 的跟踪方式
焊前探钊合适的起始位置
角接接头 Βιβλιοθήκη 如图１ ４ ８ 所示 。
当选用电感式探头 ，其操作步骤如下 ： １ ） 焊接开始前 ，将焊接机头移至待焊接 的 接头附近 ，并使十字拖板的工作行程在焊接起始 点至结束点的整个高度和侧 向偏差范围之内。 ２） 将５ 位开关设定在垂直跟踪位置 ，如 图 １ ５ ０ 所示 。
图１ ５ ０ ５ 位开关设定
在垂直跟踪位置 图１ ５ １ ５ 位开关设定 在垂直 向右跟踪位置
焊缝厚度的增加而 自动提升，即进行所谓垂直跟
心线 （ 参见图７ ａ ）；当以每层双道焊工艺焊接时， 焊丝端部必须严格保持所要求的丝壁间距 （ 参见 图７ ｂ）；当以每层三道焊工艺焊接时 ，焊丝在接
缝中的相对位置 ，则应随着焊道的变换而变更 ，
Ｅ Ｓ Ａ Ｂ 公司早在３ ０ 年前研制成功并定型生产
Ａ ６ － Ｇ Ｍ Ｄ 型接触式焊缝 自动跟踪系统 ，已在各类
关键词 ：窄间隙 ；埋弧焊 ；新发展
（ 上续２ ０ １ ２ 年第１ ０ 期 ）
４ ． １ ． ６ 焊缝 自动 跟踪 系统
在现代窄间隙埋弧焊装备中，可以根据不同 的技术要求 ，配备 以下三种焊缝 自动跟踪系统 ： １ ． 标准型通用焊缝 自动跟踪系统 ；２ ． 自适应焊缝 跟踪系统 ；３ ． 激光视觉传感焊缝 自动跟踪系统。
◇ ◇
（１ ）
◇
（ ２）
（３）
（ ４）
（ ５，
１ ． 手控定位 ；２ ． 垂直一 水平跟踪 ；３ ． 垂直一 水平向右跟踪；４ ． 垂直一 水平 向左跟踪 ；５ ． 垂直跟踪
图１ ４ ８ ５ ４ Ａ 开关旋 钮设定 的跟踪方式
焊前探钊合适的起始位置
角接接头 Βιβλιοθήκη 如图１ ４ ８ 所示 。
当选用电感式探头 ，其操作步骤如下 ： １ ） 焊接开始前 ，将焊接机头移至待焊接 的 接头附近 ，并使十字拖板的工作行程在焊接起始 点至结束点的整个高度和侧 向偏差范围之内。 ２） 将５ 位开关设定在垂直跟踪位置 ，如 图 １ ５ ０ 所示 。
图１ ５ ０ ５ 位开关设定
在垂直跟踪位置 图１ ５ １ ５ 位开关设定 在垂直 向右跟踪位置
焊缝厚度的增加而 自动提升，即进行所谓垂直跟
钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊工艺及装备研究
传 给窄 间 隙焊接 技 术 。 间 隙焊接 技 术Байду номын сангаас般 采 用 Ｉ 窄
形 或 Ｕ 形 坡 口 ， 行 每 层 １ ２道 的 多 层 焊 接 。 优 进 ～ 其
点 主要 有 ：１焊 缝 截 面 积 大 幅度 减 小 （ ％－ ０ ， （） ５ ０ ８ ％） 显 著提高焊 接效 率 ， 省焊材 ； ） 节 （ 热输 人相 对较 小 ， ２ 冷 却速 度较 快 ， 头 的残 余 应 力 、 接 残余 变 形 明显 减 小 ， 接 热影 响 区 的塑性 损 伤极 小 ， 焊 一次 焊缝 组 织 品粒 更细 ， 热影 响 区小 ， 头力 学性 能高 ， 防止裂 接 对
（） 劳 试 验 ， 大 载 荷／ 小 载 荷 ３ ０ｋ ／０ｋ 支 ３疲 最 最 ５ Ｎ７ Ｎ， 距 １ ，０ ． ｍ ２ ０万 次 不 断 ； ） 头 抗 拉 强 度 大 于 等 于 ０ （接 ４
与坡 口的偏差 作为 焊枪 对 中信 息 ， 实现 焊缝 跟踪 及
闭 环 控 制 ， 而 达 到 自 动 控 制 的 目的 。 进
易 产 生 缺 陷 ， 用 自保 护 药 芯 焊 丝 焊 接 可 以 有 效 地 利
克服 不抗 风 的缺点 ， 特点是 所有 形成气 体 和熔渣 其
以及 防 止 氧 化 和 氮 化 的 成 分 都 在 药 芯 中 ， 因此 不 需
史 ， 中尤 以 日本 技术 突 出 。 其 电弧焊 作 为最 基本 的
试 验 表 明 ： 芯 焊 丝 的 使 用 极 大 改 善 了飞 溅 大 的 状 药 况 ， 芯 焊 丝 窄 间 隙 电 弧 焊 焊 接 电 弧 稳 定 ， 滴 过 药 熔 渡 均 匀 ， 敷 速 度 高 ， 缝 成 形 良 好 ， 道 表 面 光 熔 焊 焊 滑 ， 宽 大 ， 壁 熔 合 良 好 。 ｌ 焊 后 接 头 整 体 外 熔 侧 图 为
窄间隙双丝埋弧焊
特殊的导电嘴和送丝机构
4. 纵列双丝埋弧焊(TANDEM-ARC)
5. 纵列双丝-双弧埋弧焊(TANDEM-TWIN-ARC)
6.横列双丝埋弧焊
7.纵列双丝埋弧焊(TANDEM-ARC)
单熔池-最高的熔敷效率
多熔池-焊接速度受咬边限制 对气孔和裂纹有很强的抵抗能力 两个焊丝间的距离在10 mm 30 mm之间(太近电弧干扰剧烈，太远形成2个熔池) 时，两个电弧形成一个熔池、一个气泡，大于该范围时，形成两个熔池，两个气 泡。 导前电弧：采用较大的电流及较小的电压，目的在于保证足够的熔深。 后续电弧：采用较小的电流及较大的电压，目的在于使焊缝具有适当的熔宽，改 善焊缝成形，防止焊接缺陷（咬边、未熔合等）。
窄间隙1层2，适用于 150~300mm厚的工件， • 特点：易焊透，焊 渣易清除，工艺参数 允许范围大。而且由 于线能量小，焊缝具 有良好的韧性。
窄间隙1层3焊道, 适用于板厚>300mm 的工件
12.窄间隙埋弧焊的其它形式
清根量大 较大的坡口角度
板厚在40~80mm时，减少焊接时间明 显，坡口宽度在18~20mm以上时，采 用1层2焊道焊接
0.5Mo耐热钢
SA-204 SA-299
F8A4-EA2-A2 F8P4-EA2-A2 F9A2-EA3-A3 F9P0-EA3-A3
GB713-2008-15CrMoR GB713-2008-14Cr1MoR GB713-2008-12Cr2Mo1R GB150.2-12Cr2Mo1 GB150.2-12Cr2Mo1VR NB/T47008-12Cr2Mo1V F8P2-EB2-B2 F8P4-EB2-B2 (中国H08CrMoA) F9P2-EB3-B3 F9P4-EB3-B3 F9P2-EG-G F9P2-EG-G NB/T47008-12Cr3Mo1V F9P2-EG-G
压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究
到 核 电 站 建 造 阶 段 ，９ ９年 自动 焊 接 工 艺 第 一 次 １８
应 用 于 法 国 Ｐ Ｎ Ｙ２电 厂 过 渡 段 ２个 ２ Ｔ 的 焊 口 ， ＥＬ Ｇ
１９ ９ ２年 的 Ｃ ０ ２电站 主 管道 焊接 全 面采用 脉 冲 ＨＣ Ｚ ＴＧ 自动焊技术 。 Ｉ
脉 冲 １ Ｇ 自动 焊 工 艺 已成 为 一 种 高 效 、 质 、 １ 优 经
目前 ， 内一 台 １０ 国 ０ ０ＭＷ 核 电机 组 的 主管 道 安 装 焊 口共 有 ２ ４个 ， 体 分 布 如 图 １ 示 ， 焊 口的 具 所 其 规 格 、 量 和 焊 接 位 置 如 表 １ 示 ， 管 道 的 材 质 数 所 主
（） ｃ
≤ｏ０ ０ ．４
ｎ ）
≤ １５ ０ ．０
接应力 ， 如果 焊 接 材 料 或 焊 接 Ｔ 艺 选 择 不 当 ， 产 生 会
≥４ ０ ８ ≥２ ０ １ ≥ ３ ５ ≥３ ０ ２ ≥１５ ２ ≥８ ０
品 间 腐 蚀 和 热 裂 纹 等 缺 陷 ， 响 焊 缝质 量 。 影
２ 焊 接 试 验
２１ 焊 接 工 艺 和 设 备 选 择 ．
对 于 大 型 不 锈 钢 管 道 全 位 置 焊 接 ， 选 用 的 焊 可
生
接 工 艺 方 法 包 括 焊 条 电 弧 焊 和 手 工 或 自动 钨 极 氩
弧 焊（Ｉ ） 目前 国 内正在运行 电站 的主 管道焊 接采 ＴＧ ，
用 手 工 ＴＧ打底 ＋ 条 电弧 焊填 充 的焊 接 Ｔ艺 ， Ｉ 焊 而
西 方 发达 国家 已将 脉 冲 ＴＧ 自动 焊 工艺 应 用 于核 Ｉ
岛安 装 ， 国从 １ ８ 年 开 始 在 核 电 站 建 造 阶段 应 用 法 ９６ 脉 冲 ＴＧ 自动 焊 技 术 ， 核 电 建 造 领 域 最 早 应 用 于 Ｉ 在
应 用 于 法 国 Ｐ Ｎ Ｙ２电 厂 过 渡 段 ２个 ２ Ｔ 的 焊 口 ， ＥＬ Ｇ
１９ ９ ２年 的 Ｃ ０ ２电站 主 管道 焊接 全 面采用 脉 冲 ＨＣ Ｚ ＴＧ 自动焊技术 。 Ｉ
脉 冲 １ Ｇ 自动 焊 工 艺 已成 为 一 种 高 效 、 质 、 １ 优 经
目前 ， 内一 台 １０ 国 ０ ０ＭＷ 核 电机 组 的 主管 道 安 装 焊 口共 有 ２ ４个 ， 体 分 布 如 图 １ 示 ， 焊 口的 具 所 其 规 格 、 量 和 焊 接 位 置 如 表 １ 示 ， 管 道 的 材 质 数 所 主
（） ｃ
≤ｏ０ ０ ．４
ｎ ）
≤ １５ ０ ．０
接应力 ， 如果 焊 接 材 料 或 焊 接 Ｔ 艺 选 择 不 当 ， 产 生 会
≥４ ０ ８ ≥２ ０ １ ≥ ３ ５ ≥３ ０ ２ ≥１５ ２ ≥８ ０
品 间 腐 蚀 和 热 裂 纹 等 缺 陷 ， 响 焊 缝质 量 。 影
２ 焊 接 试 验
２１ 焊 接 工 艺 和 设 备 选 择 ．
对 于 大 型 不 锈 钢 管 道 全 位 置 焊 接 ， 选 用 的 焊 可
生
接 工 艺 方 法 包 括 焊 条 电 弧 焊 和 手 工 或 自动 钨 极 氩
弧 焊（Ｉ ） 目前 国 内正在运行 电站 的主 管道焊 接采 ＴＧ ，
用 手 工 ＴＧ打底 ＋ 条 电弧 焊填 充 的焊 接 Ｔ艺 ， Ｉ 焊 而
西 方 发达 国家 已将 脉 冲 ＴＧ 自动 焊 工艺 应 用 于核 Ｉ
岛安 装 ， 国从 １ ８ 年 开 始 在 核 电 站 建 造 阶段 应 用 法 ９６ 脉 冲 ＴＧ 自动 焊 技 术 ， 核 电 建 造 领 域 最 早 应 用 于 Ｉ 在
浅谈I形坡口、Y形坡口窄间隙埋弧自动焊工艺研讨
有 ：“ 选用 的焊 条 、焊 丝 及 焊 剂 与钢 材 焊 接 后 ， 其熔 敷 金属 的屈 服强 度 、极 限强度 、延伸率 及冲 击 韧性 应高 于母 材 的机械 性 能 ”或 类似 要求 。换 言之 即是 ：焊接 接头 的力 学性 能和 工 艺性 能应高
于 母材 金属 。钢 材 的冲击 韧 性 、时效 冲击性 能 与 其 化学 成分 中有 害元 素硫 、磷 的含 量 是有一 定 关
在 施工 前考 虑焊 接准 备 时 ，焊接 材料 的选 用 、焊 接 坡 口的设计选 择应 审慎 研 讨 。我们 学 习查 阅 了 “ Ｂ Ｔ ７ ９ ２ ０ 《 制 压力 容器 焊接 规程 》标 Ｊ ／４ ０－ ００ 钢
准 释义 ”的相关 释义 。 我 国焊 条 、焊剂 、药 芯焊 丝标 准大 都等 效采
焊 时 ， 一道 完成 ， 面焊 时 正反各 焊一 道பைடு நூலகம் 成 。 焊 双 单 面 焊 ： ６ ＝２ １ｍｍ； 双 面 焊 ： ６ ｘ２ ｍｍ。 ａ ０ ＝ 随着 焊 件 板 厚增 加 ，Ｉ 坡 口便满 足 不 了焊 接 要 形 求， 应采用 Ｙ形 坡 口， 是 Ｉ 就 形坡 口加 Ｖ 形坡 口， 对 于双 面焊 来 说 ，其 ６ ＝ ６ ３ ｍｍ。 ”还可 以再加
采 用 中 国标准 编 号
程度 Ｇ ／９３ ＢＴ ８
—
王 磊
张 国华
钢 制焊 接 结构 产 品的基 础 质量 是其 焊接 接 头 的使 用 性 能和焊 接 缺 陷 。钢 桥 结构 是 由母材 （ 主 体钢 材 ）和 焊接 接 头构 成 的 ，焊接 接 头 的使 用 性
讨迫在 眉 睫 。
Ｑ ２ ｑ均 分 为 ｃ、Ｄ、Ｅ逐 级 升 高 的 三 个 级 别 ， ４Ｏ 从 标 准 中 ６１１ 钢 的 牌 号 和 化 学 成 分 （ 炼 ． 款 ． 熔
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 引言
上世纪六、七十年代，在已有的埋弧焊接方法和工艺的基础上， 加上特殊焊丝向狭窄坡口内的导 入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种新的熔敷方法[1]，即窄间隙埋弧自动焊，它主要应用 于锅炉、重型压力容器、石油化工以及核电制造等厚板领域的纵缝和环缝的焊接。与传统焊接方法相比， 窄间隙埋弧焊具有几个优点：（1）与传统埋弧焊相比，窄间隙埋弧焊的坡口窄，焊材填充量小，因此焊 接效率高、成本低；（2）与窄间隙 TIG 焊和窄间隙 MIG 焊相比，窄间隙埋弧焊的焊前准备时间较短， 坡口制备要求不高，易于工人掌握；（3）焊接热输入小、热影响区窄、晶粒长大区域小，因此残余应力 和焊接变形小；（4）窄间隙埋弧焊属于有规律的多层焊接，每一层焊缝对前面的焊缝具有回火作用，细 化了焊缝金属的晶粒，因此焊接接头的韧性较好；（5）由于侧壁熔深一致，母材金属能够均匀地稀释到 焊缝中去，因此热影响区的宽度和焊缝金属的成分比较均匀。
6
四个伺服轴全部采用绝对值控制方式，能够实时记忆并存储当前值，具备掉电、出错记忆功能，当 设备重新启动后能够记住断电前所有的运动参数。
触摸屏安装于机头远程控制箱，触摸屏具备中英文菜单，所有焊接参数和各轴运动参数的设置、存 储、调用和修改都可以方便地在触摸屏上完成。焊缝类型、焊道数、导电嘴偏摆速度、导电嘴偏摆以及 焊接线速度都能够在触摸屏上预置。
但是与传统的激光跟踪方法不同，窄间隙埋弧自动焊的横向跟踪目的不是寻找坡口的中心，而是确 保焊丝端部到侧壁的距离恒定，如图 3 所示。传统激光跟踪一般用于坡口较浅的普通埋弧焊场合，此时 不同焊接位置的坡口截面相差不大，并且普通埋弧焊的热输入相对较大，只要确保焊丝不偏离焊缝中心 就能获得较好的焊缝质量。而窄间隙埋弧焊适用于厚板焊接，即使坡口角度很小，不同焊接位置的坡口 截面相差有可能很大。另外，窄间隙埋弧焊为了确保热影响区充分窄，往往采用较小的焊接参数，在这 种情况下如果仍然保证焊丝位置焊缝中心，有可能在不同的焊接位置出现侧壁未熔合。为此窄间隙埋弧 自动焊激光跟踪的目的是为了保证单丝端部到侧壁的距离恒定，如图 3b 中所标出的距离 A。
设计了窄间隙埋弧自动焊机的数字化控制系统，该系统以高性能 PLC 作为控制核心，利用运动控 制模块控制垂直轴、水平轴、激光扫描轴和枪角偏摆轴的绝对位置，配合滚轮架上的旋转编码器可确保 焊接线速度恒定。
5
参考文献 [1] 张国栋,张富巨,卜旦霞.窄间隙埋弧焊的发展.电焊机.2007,37(2):28-29 [2] 卢本,黄河.ESAB(瑞典)窄间隙焊接工作站技术分析.电焊机.1999(8):29-32 [3] 姜轶.伊萨公司-HNG 系列窄间隙埋弧焊接系统.电焊机.1997(1):41-44 [4] 陈裕川.厚壁容器窄间隙埋弧焊的研究与应用.压力容器.1991(1):8-9 [5] 白金生,李伟武,段世新.窄间隙埋弧焊坡口形式和尺寸.电焊机.2009(8):94-96 [6] 蔡东红,宁海峰,贺芷等.精密数字控制双丝窄间隙埋弧焊接系统.电焊机.2010(2):16-21 作者简介： 华爱兵（1977—），男，江苏淮安人，工学博士，主要从事高效焊接工艺以及非标自动化焊 接设备的研究与开发工作。
（a）传统激光
（b）窄间隙激光跟踪
图 3 不同激光跟踪方法比较
窄间隙埋弧焊激光跟踪程序是这样实现的：正式焊接之前，用户需要让激光点沿坡口内部扫描一次， 从而确定激光跟踪基准，然后再启动焊接过程。激光程序能够自动识别枪角的当前位置，从而确定跟踪 方向。当激光点扫描到枪角中心时，激光点停止，同时激光程序自动进行高度方向的跟踪。当换边时， 激光会自动地由单边扫描转变为双向扫描，从而确定换边时横向伺服轴一次性移动的距离。换边结束后， 跟踪程序重新调整为单边扫描。激光跟踪程序如图 4 所示。
图 2 齿轮-齿条组合传动的偏摆型导电嘴
从图 2 中可以看出，伺服电机作为动力源，经减速箱后使主传动齿轮旋转，在主传动齿轮的作用下， 齿条会产生上下移动，从而带动副传动齿轮旋转，最终使导电嘴发生偏摆。由此可见，导电嘴的偏摆角 度和偏摆方向完全取决于伺服电机的旋转角度和旋转方向，另外，齿轮和齿条的反向间隙较小且正反向 间隙较为均匀，便于采用软件消除间隙的不利影响。
PLC 与激光控制器之间采用远程 CCLINK 通讯，而同焊接电源之间采用 DEVICENET 通讯。
5 结论
针对窄间隙埋弧自动焊，设计了一种新型导电嘴偏摆机构，采用交流伺服电机作为动力源，高精密 齿轮-齿条组合传动的方法确保可靠排焊道，该导电嘴偏摆机构具有传动间隙小、控制精度和稳定性高。
设计了一种扫描式、长距离、高精度激光跟踪系统，通过伺服电机带动激光点沿坡口内部高速扫描， 确保焊丝端部到坡口侧壁之间的距离以及焊丝伸出长度的恒定。
本文所设计的一种导电嘴偏摆机构集中了上述两种排焊道方式的优势并且摒弃了各自的不足，即采 用齿轮-齿条组合传动的偏摆型导电嘴[6]，其结构如图 2 所示。齿轮-齿条组合传动确保了传动间隙小， 控制精度高，同时偏摆型导电嘴又不失电弧指向性向好和导电嘴磨损小等优点。
（a）内部结构
2
（b）焊枪外观
1-交流伺服电机；2-减速箱；3-主传动齿轮；4-传动齿条；5-副传动齿轮； 6-导电嘴；7-盖板；8-外壳；9-导电铜带
目前，瑞典 ESAB 公司、艾美特焊接自动化技术（北京）有限公司、哈尔滨焊接研究所、北京中 电华强焊接工程技术有限公司等企业都能够提供各自的窄间隙埋弧焊接产品[2-5]。本文在分析国内外几 种主流窄间隙埋弧焊设备技术特点的基础上，研制了一种新型的窄间隙埋弧焊接系统，其核心技术主要 包括线性控制的导电嘴偏摆机构、长距离激光跟踪系统、全数字控制系统。
窄间隙埋弧自动焊关键技术的研究
华爱兵 蹇智勇 鲍云杰 雷勇
（北京时代科技股份有限公司 北京 100085）
摘要：针对窄间隙埋弧自动焊的关键技术—排焊道和焊缝跟踪，设计了一种新型的导电嘴偏摆机构和长 距离激光跟踪系统。导电嘴偏摆机构采用齿轮-齿条组合传动的方式，具有线性控制的特点，焊枪角度 的重复定位精度高。长距离激光跟踪系统利用伺服电机带动激光点在窄间隙坡口内部扫描，实时提取坡 口内部信息，确保焊丝端部到侧壁的距离恒定以及焊丝伸出长度不变。 关键词：窄间隙埋弧焊；激光跟踪；扫描
Research on Critical Technologies of Narrow Gap SAW
HUA Ai-bing, JIAN Zhi-yong, LEI Yong
(Beijing TIME Technologies Co., LTD , Beijing, 100085, China) Abstract: For critical technologies which arc bead array and seam tracking of narrow gap SAW, a new swing mechanism of conductive nozzle and a long-distance laser trace system arc designed. The combination drive of gear and rack is used for the swing mechanism, which characterized as liner control and high-precision of repeat positioning. The principle of long-distance laser tracking is that the inner groove is scanned by one laser point drove with servo motor and the groove message is real time exacted. So the distance from wire end to side wall and the length of wire extension remain constant. Key words: narrow gap SAW; laser tracking; scanning
3 长距离激光跟踪系统
与机械式跟踪方法相比，激光跟踪属于非接触式，系统非常简单，安装调试方便，并且激光头远离 工件，不会受到电弧热的影响，无需采取冷却措施，同时激光点非常小，因此纵向跟踪范围远远大于机 械跟踪系统。
众所周知，线状激光器所包含的信息量最多，也最能反映当前焊接点的三维特点，但是对于窄间隙 埋弧焊而言，通常坡口深度较大（最大为 350mm），目前市场上最大功率的焊接跟踪用线状激光器都难 以满足要求，另外线状激光器的成本过高，难以大量推广。为此，本课题选用点状激光器，利用交流伺 服电机带动激光点在沿坡口扫描，从而提取坡口信息。
3
图 4 激光跟踪程序
4 精密数字化控制系统 窄间隙埋弧自动焊的控制系统采用高性能 PLC 作为控制核心（如图 5 所示），通过运动控制模块控
制四个交流伺服轴，它们分别为垂直调整轴、水平调整轴、激光扫描轴和枪角偏摆轴，运动控制模块与 四个伺服放大器之间采用通讯方式以降低信号传输的干扰。
4
图 5 窄间隙埋弧自动焊机数字化控制系统
目前市场上主流窄间隙产品的排焊道实现方式不外乎两种（如图 1）所示，其一是瑞典伊萨公司为 代表的偏摆型导电嘴（见图 1a），其二是哈尔滨焊接研究所为代表的转角式导电嘴（见图 1b），也可称 为导电杆旋转型。
1
（a）偏摆型导电嘴
（b）转角式导电嘴
图 1 排焊道方式
上述两种排焊道方式的特点如表 1 所示。
排焊道方式
偏摆型导电嘴 转角式导电嘴
传动机构
拨叉 齿轮
表 1 不同排焊道方式的特点
控制特点
传动间隙
电弧指
差
导电嘴 磨损 一般 严重
电流承 载能力
高 稍低
由表可知，从控制角度看，转角式导电嘴的控制精度明显高于偏摆型导电嘴，但是前者的工艺性能 又存在某些不足，例如转角式导电嘴的电流承载能力弱并且电弧的指向性角差，因此这种方式的电弧熔 化侧壁的能力较弱，另外转角式导电嘴磨损一般较为严重，这势必影响电弧的稳定性，同时更换导电嘴 也降低了焊接效率。除此之外，转角式导电嘴可以采用一层三道的焊接方式，这种方式特别适合超厚板 的焊接。
上世纪六、七十年代，在已有的埋弧焊接方法和工艺的基础上， 加上特殊焊丝向狭窄坡口内的导 入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种新的熔敷方法[1]，即窄间隙埋弧自动焊，它主要应用 于锅炉、重型压力容器、石油化工以及核电制造等厚板领域的纵缝和环缝的焊接。与传统焊接方法相比， 窄间隙埋弧焊具有几个优点：（1）与传统埋弧焊相比，窄间隙埋弧焊的坡口窄，焊材填充量小，因此焊 接效率高、成本低；（2）与窄间隙 TIG 焊和窄间隙 MIG 焊相比，窄间隙埋弧焊的焊前准备时间较短， 坡口制备要求不高，易于工人掌握；（3）焊接热输入小、热影响区窄、晶粒长大区域小，因此残余应力 和焊接变形小；（4）窄间隙埋弧焊属于有规律的多层焊接，每一层焊缝对前面的焊缝具有回火作用，细 化了焊缝金属的晶粒，因此焊接接头的韧性较好；（5）由于侧壁熔深一致，母材金属能够均匀地稀释到 焊缝中去，因此热影响区的宽度和焊缝金属的成分比较均匀。
6
四个伺服轴全部采用绝对值控制方式，能够实时记忆并存储当前值，具备掉电、出错记忆功能，当 设备重新启动后能够记住断电前所有的运动参数。
触摸屏安装于机头远程控制箱，触摸屏具备中英文菜单，所有焊接参数和各轴运动参数的设置、存 储、调用和修改都可以方便地在触摸屏上完成。焊缝类型、焊道数、导电嘴偏摆速度、导电嘴偏摆以及 焊接线速度都能够在触摸屏上预置。
但是与传统的激光跟踪方法不同，窄间隙埋弧自动焊的横向跟踪目的不是寻找坡口的中心，而是确 保焊丝端部到侧壁的距离恒定，如图 3 所示。传统激光跟踪一般用于坡口较浅的普通埋弧焊场合，此时 不同焊接位置的坡口截面相差不大，并且普通埋弧焊的热输入相对较大，只要确保焊丝不偏离焊缝中心 就能获得较好的焊缝质量。而窄间隙埋弧焊适用于厚板焊接，即使坡口角度很小，不同焊接位置的坡口 截面相差有可能很大。另外，窄间隙埋弧焊为了确保热影响区充分窄，往往采用较小的焊接参数，在这 种情况下如果仍然保证焊丝位置焊缝中心，有可能在不同的焊接位置出现侧壁未熔合。为此窄间隙埋弧 自动焊激光跟踪的目的是为了保证单丝端部到侧壁的距离恒定，如图 3b 中所标出的距离 A。
设计了窄间隙埋弧自动焊机的数字化控制系统，该系统以高性能 PLC 作为控制核心，利用运动控 制模块控制垂直轴、水平轴、激光扫描轴和枪角偏摆轴的绝对位置，配合滚轮架上的旋转编码器可确保 焊接线速度恒定。
5
参考文献 [1] 张国栋,张富巨,卜旦霞.窄间隙埋弧焊的发展.电焊机.2007,37(2):28-29 [2] 卢本,黄河.ESAB(瑞典)窄间隙焊接工作站技术分析.电焊机.1999(8):29-32 [3] 姜轶.伊萨公司-HNG 系列窄间隙埋弧焊接系统.电焊机.1997(1):41-44 [4] 陈裕川.厚壁容器窄间隙埋弧焊的研究与应用.压力容器.1991(1):8-9 [5] 白金生,李伟武,段世新.窄间隙埋弧焊坡口形式和尺寸.电焊机.2009(8):94-96 [6] 蔡东红,宁海峰,贺芷等.精密数字控制双丝窄间隙埋弧焊接系统.电焊机.2010(2):16-21 作者简介： 华爱兵（1977—），男，江苏淮安人，工学博士，主要从事高效焊接工艺以及非标自动化焊 接设备的研究与开发工作。
（a）传统激光
（b）窄间隙激光跟踪
图 3 不同激光跟踪方法比较
窄间隙埋弧焊激光跟踪程序是这样实现的：正式焊接之前，用户需要让激光点沿坡口内部扫描一次， 从而确定激光跟踪基准，然后再启动焊接过程。激光程序能够自动识别枪角的当前位置，从而确定跟踪 方向。当激光点扫描到枪角中心时，激光点停止，同时激光程序自动进行高度方向的跟踪。当换边时， 激光会自动地由单边扫描转变为双向扫描，从而确定换边时横向伺服轴一次性移动的距离。换边结束后， 跟踪程序重新调整为单边扫描。激光跟踪程序如图 4 所示。
图 2 齿轮-齿条组合传动的偏摆型导电嘴
从图 2 中可以看出，伺服电机作为动力源，经减速箱后使主传动齿轮旋转，在主传动齿轮的作用下， 齿条会产生上下移动，从而带动副传动齿轮旋转，最终使导电嘴发生偏摆。由此可见，导电嘴的偏摆角 度和偏摆方向完全取决于伺服电机的旋转角度和旋转方向，另外，齿轮和齿条的反向间隙较小且正反向 间隙较为均匀，便于采用软件消除间隙的不利影响。
PLC 与激光控制器之间采用远程 CCLINK 通讯，而同焊接电源之间采用 DEVICENET 通讯。
5 结论
针对窄间隙埋弧自动焊，设计了一种新型导电嘴偏摆机构，采用交流伺服电机作为动力源，高精密 齿轮-齿条组合传动的方法确保可靠排焊道，该导电嘴偏摆机构具有传动间隙小、控制精度和稳定性高。
设计了一种扫描式、长距离、高精度激光跟踪系统，通过伺服电机带动激光点沿坡口内部高速扫描， 确保焊丝端部到坡口侧壁之间的距离以及焊丝伸出长度的恒定。
本文所设计的一种导电嘴偏摆机构集中了上述两种排焊道方式的优势并且摒弃了各自的不足，即采 用齿轮-齿条组合传动的偏摆型导电嘴[6]，其结构如图 2 所示。齿轮-齿条组合传动确保了传动间隙小， 控制精度高，同时偏摆型导电嘴又不失电弧指向性向好和导电嘴磨损小等优点。
（a）内部结构
2
（b）焊枪外观
1-交流伺服电机；2-减速箱；3-主传动齿轮；4-传动齿条；5-副传动齿轮； 6-导电嘴；7-盖板；8-外壳；9-导电铜带
目前，瑞典 ESAB 公司、艾美特焊接自动化技术（北京）有限公司、哈尔滨焊接研究所、北京中 电华强焊接工程技术有限公司等企业都能够提供各自的窄间隙埋弧焊接产品[2-5]。本文在分析国内外几 种主流窄间隙埋弧焊设备技术特点的基础上，研制了一种新型的窄间隙埋弧焊接系统，其核心技术主要 包括线性控制的导电嘴偏摆机构、长距离激光跟踪系统、全数字控制系统。
窄间隙埋弧自动焊关键技术的研究
华爱兵 蹇智勇 鲍云杰 雷勇
（北京时代科技股份有限公司 北京 100085）
摘要：针对窄间隙埋弧自动焊的关键技术—排焊道和焊缝跟踪，设计了一种新型的导电嘴偏摆机构和长 距离激光跟踪系统。导电嘴偏摆机构采用齿轮-齿条组合传动的方式，具有线性控制的特点，焊枪角度 的重复定位精度高。长距离激光跟踪系统利用伺服电机带动激光点在窄间隙坡口内部扫描，实时提取坡 口内部信息，确保焊丝端部到侧壁的距离恒定以及焊丝伸出长度不变。 关键词：窄间隙埋弧焊；激光跟踪；扫描
Research on Critical Technologies of Narrow Gap SAW
HUA Ai-bing, JIAN Zhi-yong, LEI Yong
(Beijing TIME Technologies Co., LTD , Beijing, 100085, China) Abstract: For critical technologies which arc bead array and seam tracking of narrow gap SAW, a new swing mechanism of conductive nozzle and a long-distance laser trace system arc designed. The combination drive of gear and rack is used for the swing mechanism, which characterized as liner control and high-precision of repeat positioning. The principle of long-distance laser tracking is that the inner groove is scanned by one laser point drove with servo motor and the groove message is real time exacted. So the distance from wire end to side wall and the length of wire extension remain constant. Key words: narrow gap SAW; laser tracking; scanning
3 长距离激光跟踪系统
与机械式跟踪方法相比，激光跟踪属于非接触式，系统非常简单，安装调试方便，并且激光头远离 工件，不会受到电弧热的影响，无需采取冷却措施，同时激光点非常小，因此纵向跟踪范围远远大于机 械跟踪系统。
众所周知，线状激光器所包含的信息量最多，也最能反映当前焊接点的三维特点，但是对于窄间隙 埋弧焊而言，通常坡口深度较大（最大为 350mm），目前市场上最大功率的焊接跟踪用线状激光器都难 以满足要求，另外线状激光器的成本过高，难以大量推广。为此，本课题选用点状激光器，利用交流伺 服电机带动激光点在沿坡口扫描，从而提取坡口信息。
3
图 4 激光跟踪程序
4 精密数字化控制系统 窄间隙埋弧自动焊的控制系统采用高性能 PLC 作为控制核心（如图 5 所示），通过运动控制模块控
制四个交流伺服轴，它们分别为垂直调整轴、水平调整轴、激光扫描轴和枪角偏摆轴，运动控制模块与 四个伺服放大器之间采用通讯方式以降低信号传输的干扰。
4
图 5 窄间隙埋弧自动焊机数字化控制系统
目前市场上主流窄间隙产品的排焊道实现方式不外乎两种（如图 1）所示，其一是瑞典伊萨公司为 代表的偏摆型导电嘴（见图 1a），其二是哈尔滨焊接研究所为代表的转角式导电嘴（见图 1b），也可称 为导电杆旋转型。
1
（a）偏摆型导电嘴
（b）转角式导电嘴
图 1 排焊道方式
上述两种排焊道方式的特点如表 1 所示。
排焊道方式
偏摆型导电嘴 转角式导电嘴
传动机构
拨叉 齿轮
表 1 不同排焊道方式的特点
控制特点
传动间隙
电弧指
差
导电嘴 磨损 一般 严重
电流承 载能力
高 稍低
由表可知，从控制角度看，转角式导电嘴的控制精度明显高于偏摆型导电嘴，但是前者的工艺性能 又存在某些不足，例如转角式导电嘴的电流承载能力弱并且电弧的指向性角差，因此这种方式的电弧熔 化侧壁的能力较弱，另外转角式导电嘴磨损一般较为严重，这势必影响电弧的稳定性，同时更换导电嘴 也降低了焊接效率。除此之外，转角式导电嘴可以采用一层三道的焊接方式，这种方式特别适合超厚板 的焊接。