近年來，鈦材因其在海水和大部分酸堿鹽介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，正在大量被應(yīng)用于有耐腐蝕性要求的兩堿、 PTA 等化工裝備管道上。而由于鈦材在焊接過程中，250℃開始吸氫、400℃開始吸氧，600℃開始吸氮，并且其吸收能力是隨溫度的升高而提高的。當(dāng)鈦材吸收一定數(shù)量的氫、氧、氮等雜質(zhì)時(shí)，它的屈服強(qiáng)度、延伸率等機(jī)械性能會大幅下降， 焊縫變脆，在焊接應(yīng)力下易產(chǎn)生冷裂紋。在現(xiàn)場施工中一般采用搭建臨時(shí)防風(fēng)保溫棚，使焊接場所保持清潔，并保證一定的風(fēng)速和環(huán)境溫度，這給焊接施工帶來諸多不便。目前， 對于碳鋼、不銹鋼等材質(zhì)管道的工廠化預(yù)制和自動焊接技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)很普遍了，但絕大部分的鈦材管道焊接技術(shù)仍然還停留在施工現(xiàn)場手工作業(yè)上，很大程度上影響著生產(chǎn)效率和焊縫質(zhì)量。因此，對鈦材管 - 管、管法蘭工廠化預(yù)制自動焊接技術(shù)應(yīng)用的研究具有十分重要的意義。

1、鈦管 - 管、管 - 法蘭焊接結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的焊接系統(tǒng)所針對的管 - 管焊接指的是管 - 管、管 - 彎頭、管 - 三通、管 - 異徑管、管 - 偏心管等對接接頭的焊接；管 - 法蘭焊接接頭為搭接，由內(nèi)角焊縫和外角焊縫組成。其結(jié)構(gòu)形式如圖 1 所示。

按照焊接接頭的結(jié)構(gòu)特征，焊縫均為環(huán)焊縫。目前有兩種焊接形式，一種是管子轉(zhuǎn)動的全位置焊接形式，另一種是管子不動的近似平位置焊接方式。由于近似平位置焊縫不僅能使焊縫成形好、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，也更有利于應(yīng)用自動焊接技術(shù)，所以一般采用管子轉(zhuǎn)動的近似平位置焊接方式。

鈦及鈦合金焊接過程中，在一定溫度下易受氫、氧、氮等氣體污染而致使焊接接頭出現(xiàn)脆化、氣孔等現(xiàn)象，因此在鈦及鈦合金焊接中對熱影響區(qū)域應(yīng)充滿高純度的氬氣，一般工藝均采用氬氣保護(hù)拖罩裝置。

2、自動焊接中心的設(shè)計(jì)

2.1 焊接方法的選擇

鈦及鈦合金傳統(tǒng)的焊接方法以鎢極氬弧焊（TIG 焊）為主。

而近年來等離子弧與鎢極氬弧復(fù)合焊（P+T）技術(shù)因其在保證單面焊雙面成形的同時(shí)具有高效率、低的焊接成本、良好的焊縫質(zhì)量得到了廣泛的應(yīng)用。由于等離子電弧穿透能力強(qiáng)， 板厚 8mm 以下不用開坡口，不僅省去了坡口加工時(shí)間還可以節(jié)省焊絲量，同時(shí)雙槍焊接可使生產(chǎn)效率得到大幅提高，等離子弧焊可達(dá)到單面焊雙面成形的效果，并且 P+T 焊接的熱影響區(qū)小，焊縫晶粒度小，焊接接頭質(zhì)量優(yōu)良。P+T 焊接技術(shù)在本公司大口徑鈦及鈦合金直縫焊管生產(chǎn)線上已得到成功應(yīng)用，焊縫成形美觀、焊接接頭質(zhì)量完全滿足 NB/T47013.2 的 100%RT 檢測Ⅱ級要求。在本文研究的鈦管 - 管、管 - 法蘭自動焊接中心仍采用 P+T 焊接技術(shù)。

2.2 操作機(jī)設(shè)計(jì)

對于預(yù)制管道的生產(chǎn)，焊接中心應(yīng)考慮一次裝夾，管子的兩端均能施焊。所以，操作機(jī)設(shè)計(jì)為兩臺各配置有焊槍的臂式操作機(jī)，底部設(shè)置移動臺車，布置在滑軌上可沿管子軸向移動，以適應(yīng)不同管子長度，并可同時(shí)對管子兩端的焊縫進(jìn)行施焊。

臂式操作機(jī)包含有自動弧壓跟蹤系統(tǒng)、焊頭擺動集成裝置、整機(jī)電氣控制系統(tǒng)、激光焊縫跟蹤系統(tǒng)等主要系統(tǒng)。

自動弧壓跟蹤系統(tǒng)，采用全閉環(huán)反饋及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接過程中的自動弧壓跟蹤功能。焊頭擺動集成裝置， 實(shí)現(xiàn)焊槍沿焊縫方向左右擺動，改善焊縫成型和提高生產(chǎn)效率。整機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用可編程控制器作為主控單元和觸摸式人機(jī)操作界面，焊接速度、工件直徑等參數(shù)可在控制面板上集中輸入、調(diào)整，控制系統(tǒng)能滿足焊接工藝要求的焊接速度、焊槍提升等參數(shù)調(diào)整要求。激光視覺跟蹤傳感器安裝在焊槍運(yùn)動的前方，完成焊縫的識別和偏差的提取，傳給運(yùn)動控制系統(tǒng)，組成激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，亦可手動二維托板調(diào)節(jié)激光視覺跟蹤傳感器與焊槍間的位置關(guān)系，由于工件的焊接工藝的特殊性，第一道跟蹤為實(shí)時(shí)焊接跟蹤；第二道蓋面為第一道的焊縫數(shù)據(jù)采樣跟蹤（和第一道的焊縫軌跡（左右） 一樣的軌跡跟蹤）。

2.3 管子裝夾回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

對于管子裝夾回轉(zhuǎn)裝置，一般常用滾輪架的形式，也有帶夾緊的回轉(zhuǎn)裝置?？紤]到有三通、彎頭等工件存在一定的轉(zhuǎn)定慣量的特點(diǎn)以及滾輪架本身存在的易竄動、跑偏的缺點(diǎn)， 本文研究的鈦及鈦合金管 - 法蘭、管 - 管焊接中心采用夾緊回轉(zhuǎn)的形式，即主驅(qū)動回轉(zhuǎn)端設(shè)置夾緊機(jī)構(gòu)，而從動端為軸向自由的滾輪架形式，如圖 2 所示。

為滿足一次裝夾的裝卸便捷，專門設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于開口形式的夾緊回轉(zhuǎn)裝置。如圖 3所示，由于回轉(zhuǎn)體為開口形式，其傳動設(shè)置了兩個(gè)蝸輪蝸桿嚙合，以保證其中一個(gè)處于開口位置時(shí)另一個(gè)仍處于嚙合狀態(tài)。減速器輸出端的傳動采用了兩對錐齒，改變了傳動軸方向并同時(shí)保證了兩個(gè)蝸桿相對渦輪回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)方向。因回轉(zhuǎn)體開口，設(shè)計(jì)了專門的滾動支撐體（圖 3），滾動支撐體采用 V 型鐵形式，保證了回轉(zhuǎn)體軸向和徑向限制，在 V 型口與回轉(zhuǎn)體接觸面設(shè)置了圓柱滾動體，從而形成滾動支撐。在回轉(zhuǎn)體圓周上設(shè)置 5 個(gè)滾動支撐，保證了不因回轉(zhuǎn)體開口而失去徑向限制作用。

2.4 管內(nèi)壁氬氣保護(hù)（背氣保護(hù)）裝置

針對管- 管（管件）焊接工序，背氣保護(hù)一般有兩種形式： 手工作業(yè)、懸臂形式。手工作業(yè)的形式是人工手持拖罩在管內(nèi)進(jìn)行氣體保護(hù)作業(yè)，其一般適用于施工現(xiàn)場較大口徑的手工焊接作業(yè)。懸臂的形式是在懸臂上安裝拖罩，將懸臂伸入管內(nèi)至焊縫處，管子轉(zhuǎn)動，懸臂固定不動。針對自動焊接中心來說，懸臂形式更適用，但對彎頭管件焊接時(shí)，懸臂會很長，甚至如果管子兩端都有彎頭時(shí)，懸臂形式就無法使用了。為此，我們考慮采用管道爬行機(jī)器人的形式來實(shí)現(xiàn)背氣保護(hù)作業(yè)。爬行機(jī)器人采用沿管徑向輻射狀布置若干可調(diào)節(jié)伸出長度的滾輪，在管內(nèi)爬行至焊縫位置后撐緊管內(nèi)壁，在機(jī)器人上安裝有可繞管子軸心旋轉(zhuǎn)的拖罩裝置，與管子旋轉(zhuǎn)方向相反，其轉(zhuǎn)速反饋與管子轉(zhuǎn)速比較，形成閉環(huán)控制，以保證拖罩與焊頭相對靜止。

3、結(jié)語

本文針對鈦及鈦合金管 - 管、管 - 法蘭等工廠預(yù)制化生產(chǎn)中焊接工序?qū)崿F(xiàn)自動焊接，通過焊接工藝方法的選擇， 焊接操作機(jī)和夾緊回轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)中心的研究與開發(fā)，以及對控制系統(tǒng)、焊縫跟蹤系統(tǒng)等的選型，設(shè)計(jì)集成了適用于鈦及鈦合金管道工廠預(yù)制化焊接中心。通過對焊接接頭的無損檢測、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相分析等試驗(yàn)，焊接接頭滿足GB50235《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、GB50236《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、SH3502《鈦管道施工及驗(yàn)收規(guī)范》等規(guī)范。仍需解決的問題：由于回轉(zhuǎn)體為開口形式，夾緊裝置又須置于回轉(zhuǎn)體上，在回轉(zhuǎn)過程中難以實(shí)現(xiàn)動力源（氣、液壓油或電）的不間斷輸入，目前無法實(shí)現(xiàn)自動夾緊。

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