自动焊接技术与装备

1 高压焊接技术研究

作者所在单位承担的子课题包括以下研究内容：高压焊接实验舱的研制，高压TIG焊接电源的研制和高压TIG管道焊接工艺研究。TIG焊是最轻易控制的焊接技术，在水下复杂环境下是首选的焊接方法。

1．1手工高压TIG焊

手工TIG焊用在不规则管道的打底焊和局部焊点的修补焊接。在海底高压且湿润的干式舱中，采用高频放电引弧对于潜水员是极不安全的，计算机控制的焊接电源可以对焊接电流和焊接电压进行复杂精确控制，通过钨极和工件的直接接触实现引弧是可能的。

1．2 压力对TIG焊电弧电压的影响规律

压力对TiG焊的重要影响是弧压增加。工作电压的增加是由于高压环境吸热能力的增加。由于热量更轻易从电弧外部区域损失，电弧可以通过减少直径来减少热量损失。事实上，这就要求工作电流的电弧交叉区域小，从而增加电流密度、电离水平和工作温度。额外的能量需求导致上述的弧压增加。
假如这个弧压由位于母船上的电源提供，则需要增加—个额外电压，以满足连接电源与焊接舱的电缆阻抗的要求。由于环境对TIG弧压的影响，在建立焊接过程合适的工作电压限值之前，这些因素必须特别地考虑。

1．3 压力对TIG焊焊接效率的影响规律

对于TIG焊，效率从l个大气压时的90％下降到6bar（6×102kPa） 时的70％， 而8bar（8×102kPa）时又恢复到75％，之后基本保持恒定。对于恒定的工作电流，弧压随水深增加的速度比焊接效率下降速度快。

1．4 压力对TIG焊电弧稳定性的影响规律

随着环境压力增加，TIG焊电弧稳定性降低。对影响规律更细致的分析表明，不稳定的程度与屏蔽气体的大量活动有关，已经确证其原因是，钨极尖真个空气动力学效应与电弧四周的漂浮效应的共同作用。电弧稳定性还受到工作电流、弧长、焊接预备的几何外形以及外磁场的存在等等的影响。

2 焊接自动化的必要性

潜水作业不管呼吸压缩空气还是人工配制的混合气，都存在水下作业时间短、减压时间长、工作效率低的特点。以空气常规潜水为例，潜水深度60m以内，在较浅深度适宜的水下工作时间较长，而在较大深度适宜的水下工作时间较短。表1列出的空气常规潜水深度和水下适宜工作时间均按国标《空气潜水减压技术要求》（GB12521－90）的规定。

空气常规潜水的潜水深度和水下适宜工作时间表，见下表，无论从进步焊缝质量的角度，还是从进步焊接效率的角度，都应该尽量选用自动焊。当然，考虑到水下操纵环境的恶劣，管道坡口的制备有时很难达到自动焊所要求的水平，这时，不得不选用手工焊进行打底焊接。

空气常规潜水的潜水深度和水下适宜工作时间表

其中

水下工作时间（分钟）
潜水工作效率（％）＝ --------------------------------------- ×100％
水下工作时间（分钟）＋减压时间（分钟）

3 双层管自动焊接设备

在干式舱下潜到海底之前，焊接头、固定轨道和预热装置安装在焊室中，替换管段也已经在水面预先预备好，由设备运载器完成水下焊室和支持船之间的材料、设备运送工作。水下焊接修补至少需要配备二名潜水员，互相配合。当配套职员到位并设置好焊接参数之后，潜水员通过潜水钟靠近并进进焊室，检查系统状态（包括焊接耗材、预热温度、潮汐状态等），然后开始焊接过程。在干式舱中配备潜水员主要是为了焊接预备、更换电极、调整送丝角度和位置，事实上一旦焊接过程开始后，并不需要潜水员的持续干预。潜水员对焊接质量的影响非常小，这对于水下高压焊接具有深远意义，由于通过该系统可以明显降低对潜水员的资质要求。

本项目的目标是对渤海湾海域海底输油双层管线破损段进行焊接修复，更换新的管段。主要过程包括，切除破损管段，管线密封与封堵，将干式焊接舱就位到待焊接部位，最后实施干式高压TIG焊接。焊接工作包括内管的两道环缝，外管的两道环缝和两道纵缝。

轨道焊机结构与组成如图1所示，其工作原理为：横向执行机构在轴向驱动电机及轴向驱动滚珠丝杠的作用下，沿管道方向移动，实现横缝焊接所需要的轴向运动。纵向执行机构可以垂直管道方向运动，适应管道尺寸的变化，焊枪角度调节机构通过连接板与摆动器的移动滑块相连接，焊枪角度调节机构由小齿轮和角度调节齿轮组成，由电机驱动，保证焊枪始终位于管道最高点，并能够与焊缝成一角度，保证焊接的顺利进行。驱动电机带动齿轮与导轨啮合，完成环缝焊接所需的周向运动。焊枪配备摆动机构以满足环缝焊接摆动的需要。

轨道焊机智能控制系统以S7－200型可编程控制器为核心，其外围主要由人机接口、爬行车体伺服驱动器、步进电机控制驱动电路、机械记忆跟踪检测与处理电路组成。该控制系统采用了先进的视觉传感器和角度位置传感器，可以实现焊接的记忆跟踪，轨迹跟踪精度可以达到±0.5mm，此外，该系统结构紧凑，集成度高，软件设计模块化，可靠性高，系统软件能根据远控面板上各旋钮、开关的设定值来综合协调控制各机构的运行动作。如图2所示。

4 结束语

通过本项目的研究，可以获得水下管道修补焊接的技术成果、焊接工艺和双层管修复自动焊的设备，填补该领域的空缺。