热壁加氢接管内壁自动堆焊设备的开发与应用

1、热壁加氢接管内壁自动堆焊设备的开发与应用北京华巍中兴电气有限公司 魏伦 总工程师北京华巍中兴电气有限公司 魏征 副总经理 （此文刊登在MM现代制造杂志2006年5月北京埃森焊接展会专刊上）摘 要本文介绍了一种多功能加氢接管内壁堆焊机，它集多种气电焊技术于一机，可实现TIG弱等离子弧，MIG及CO2药芯焊丝堆焊，可堆焊管内径50300mm，管长2.5m，满足了各类加氢设备的接管堆焊要求。该设备采用单片微机作为主控中心，自适应协同控制多种气电焊工艺过程，是一台高档机电一体化专用焊接设备。该机经国内30多家锅炉厂及石化机械厂生产验证表明，其长时间连续工作稳定可靠。一、前 言随着我国石化工业的飞速发展

2、，我国石油炼制已进入加氢精制、加氢裂化的新阶段。由于加氢反应是在高温（450左右），高压（30Mpa左右）条件下进行的，若保证加氢设备长期安全运行，对加氢设备的制造技术要求很高, 难度也很大。加氢反应器是加氢设备的心脏部件，用2 1/4 Cr1Mo耐热钢制造，筒体壁厚为200mm以上，并装有二十多根内径不同（50300mm），长短不同2.5m的冷氢管、热偶管、开口管和泄料管等。筒体及接管内壁均需堆焊不锈钢耐蚀层，以保证设备在以上工况条件下长期运行安全可靠。由此看来，深小孔径接管内壁耐蚀层自动堆焊是加氢反应器制造的关键技术之一，是加氢设备必需解决的一个难题。二、主要技术关键多功能小管内壁堆焊机有

3、以下技术关键必须解决。1、专机要适用各类加氢反应器、换热器的接管堆焊（其管内径为50300mm），机械部件应满足多种工艺不同管径堆焊所必须的各种焊接速度、堆焊螺距及搭边量等技术要求，该机的夹持转动、进给、摆动等机械系统应在一个宽广的速度变化范围内可调，床身及支撑滚轮等应满足长2.5m，重2.5吨左右管件的堆焊。2、在内径300mm，长2.5m的管内，采用TIG填丝堆焊三层不锈钢，堆焊焊道总长度大约1200m左右，所需纯电弧时间近180小时。这意味着对专机的各个部件提出一个十分苛刻的要求，即必须保证设备各系统长时间连续运行稳定可靠。3、在50 mm内壁的深孔堆焊，由于孔径过小，对堆焊过程的观察十

4、分不利，堆焊过程的稳定可靠将由焊机各执行机构的自身稳定可靠给予保证。此外还必须具有较高自动化水平的控制系统，如TIG堆焊弧长自适应控制系统等。4、由于连续堆焊时间长，如何解决钨极烧损，提高使用寿命及保护罩耐用问题，是能否保证设备长时间连续运行的关键。5、加氢小管内壁TIG填丝堆焊超低碳不锈钢，由于考虑到母材熔深均匀，稀释率较低以及焊缝成型美观，平整等要求，必须采用摆动机构，且摆宽、摆速、左右停留时间任意可调，其控制及执行机构也必须长时间运行稳定可靠。6、满足最小可堆焊孔径内壁50 mm的需要，超小型大功率焊枪的设计、制造是技术关键。7、在工件预热近250的堆焊管内，电弧近区温度高达400以上。

5、为保证焊枪及其水、电、气管路在长期高温环境中工作可靠，焊枪的选材及散热将十分重要。8、从专机控制效果考虑，采用单片微机作为主控制系统，由于在TIG、MIG、MAG大功率焊接环境中，微机抗干扰是一技术难点。三、堆焊机的构成开发的多功能小直径管内壁自动堆焊机是一台机电一体化，高自动化水平的多种气电焊工艺焊接专机，该机主要由五部分组成。1、机械部分机械部分包括夹持转动机构，床身及进给机构，两套支撑滚轮，焊管托盘等部件组成，其主要功能是满足不同管径，不同堆焊工艺所需要的不同焊接速度、堆焊螺距、搭道量等技术要求，为调节最佳工艺参数提供一个可充分选择的调节范围。夹持转动机构可夹持外径1000 mm管件，转

6、速均匀，最低转速可达0.1转分，适应大孔管TIG堆焊的要求，采用变频调速机构，该机可任意选择所需焊接速度。机身全长6米，可实现2.5米管件的堆焊，床身导轨平直精度较高，可以满足焊接工艺的要求。进给机构可实现堆焊螺距在0.8 几十毫米范围内选择，能满足各类堆焊工艺所需的堆焊螺距变化。两套支撑滚轮用于较长管件堆焊时的支撑转动，允许载荷2.5吨左右。焊管托盘可托撑焊管，便于装卡、卸卡及管件旋转180°调头堆焊的要求。2、堆焊机头部分堆焊机头包括焊接摆动执行机构，弧长控制执行机构，送丝机构等部件。焊枪长管安装在机头上可实现前、后、上、下往复运动。因机构采用直线轴承，运动平稳、轻便。焊枪长管的

7、两维运动用步进电机驱动，在单片微机控制下，可实现摆宽（025mm），左右停留时间（01秒），摆动速度（020mm秒），弧压控制精度（±0.1±1V ）任意预置选调。常用多组工艺参数值已固化在EPROM中，也可直接调用，两种操作切换方便。3、焊枪部分根据不同堆焊工艺的要求，配有超小型大功率弱等离子焊枪，MIG及CO2药芯焊丝用焊枪。等离子焊枪可堆焊50 mm以上的内孔，MIG及CO2焊枪可堆焊150 mm以上的内孔。鉴于国内外所公认的TIG堆焊钨极烧损大，陶瓷保护罩使用寿命短的缺点，研究人员专门开发了弱等离子弧技术，并精心设计、制造了超小型大功率双层气体保护，水冷铜保护罩弱等

8、离子焊枪，对比试验结果表明可使钨极使用寿命提高510倍，解决了管件长时间连续堆焊的主要技术难题。此外，由于以上各类焊枪都长时间工作于焊管内高温环境中，为保护焊枪及气、电、水管路，提高使用寿命，开发了水冷双层壁焊枪管，解决了焊枪系统的冷却保护问题。4、堆焊电源部分本机配备两套焊接电源，一种是ZX7500型陡降特性焊接电源，用于弱等离子弧堆焊；另一种是NB500型平特性焊接电源，用于MIG及CO2药芯焊丝堆焊。5、微机自适应控制系统本系统的控制核心由单片微机构成，通过各种输入输出接口读取操作者予选的堆焊参数和在线实时检测多种反馈信号并驱动执行机构工作，系统控制原理见图1。控制系统主要由以下功能：5

9、.1参数予选本系统在操作面版上设有六个堆焊参数予选开关。操作者在堆焊前对其6个参数可分别予置，也可选择已固化在EPROM中的多组最佳堆焊规范。5.2 弧长自适应调节在深小孔径管内壁堆焊工艺中，弧长的波动将影响填丝及母材的熔化，堆焊层厚度也会受其影响产生变化，还会引起堆焊层铁素体含量发生变化，这些变化将直接影响堆焊质量。所以能否保证堆焊质量，弧长自适应调节系统是必不可少的一个重要环节。通常弧压闭环调节系统中，其弧压调节是处于一种振荡状态，见图2。当反馈电压高于给定电压时，向下调。调节后反馈电压又低于给定电压，又向上调。整个过程弧压始终在调节，弧压动态纹波较大，这是堆焊工艺不希望出现的。为了解决弧

10、压动态振荡问题，有的设计者采取了设置误差带的方法，见图3。当反馈弧压和给定弧压之差不大于±V时，执行机构不调节，当其差值大于±V时再调节。其设计思想无疑是合理的，但实现起来却发现仍然是一个振荡系统。只不过振荡基准线出现了上下平移的情况，一种是给定弧压VgV，一种是给定弧压VgV。分析这种原因之所以出现，是因为其系统当弧压从误差带外向误差带内调节时不能一次精确将其调回原基准线Vg ,而只是调入了V误差或V误差线边缘。经反馈电压和给定电压比较后，由于不超出误差，系统不在继续调节。从而造成了在±V误差线边缘振荡调节的情况。本系统在设计时考虑到这两种控制方案的不

11、足，一是因为其控制线路没有智能判断功能，不能送出精确的控制信号，二是因为其驱动电机不能精确可控。所以本系统在设计上采用了微机控制，驱动环节采用了步进电机。系统中不同的弧压控制精度对应不同的误差带，不同的误差带又对应不同的调节量，力求每次都可将弧压调至平衡值Vg。此种控制方法克服了弧压在Vg及Vg±V边缘振荡工作的缺点，并使弧长动态稳定性大大提高。由于电弧电压受各种因素影响，并不是理想的直流信号，在堆焊过程中，经常出现瞬间较大波动。如果在弧压波动瞬间采样作为弧压反馈信号去和给定值比较，整个系统将出现失控状态。为解决这一问题，本系统在软件上采取了数字滤波措施，对弧压每次分时采12个数据，

12、CPU对其数据进行比较，将其中最大和最小的数据去掉，而将其余的10个数据取平均值再送入特定的内存单元，参与系统运算的是经过这种数字处理后的弧压反馈信号。所以本系统有效的防止了弧压随机干扰信号引起的系统误调节。5.3摆动自适应调节由于本系统以微机作为中心控制部件，执行机构由步进电机驱动，其摆动轨迹不仅可以产生正弦波形，还可以产生三角形，梯形和矩形，见图4。小管堆焊工艺采用梯形摆动轨迹，其特点为：摆速均匀可调，摆宽可调，两端停留时间可调，两端启停摆速斜率可调。其参数调节可以满足各种堆焊工艺的要求，使堆焊出的产品熔深均匀，表面光洁。由于产品管的堆焊需要连续工作几十小时，此时步进电机丢步及其它原因均可造成堆焊焊道偏移。本文研制成功一种防止焊道偏移自适应调节技术，可以将焊道偏移误差控制在±0.2mm.此系统是在摆动机头的两侧装有一对专门设计的接触传感器，此对传感器之间的距离可以调整。从电路的角度看，这对传感器是连在一起的，可以看做一个电极。而摆动机头上也装有一个专门设计的电极。这两个电极和微机系统CPU中断线相联。当堆焊机头摆动出现偏移使两电极接触时，CPU立即响应中断，对堆焊偏移量进行自适应调整。由于在软件设计上对CPU进行智能判断编程，不论摆动机头向哪个方向偏移，系统都能作出准确判断，并可知偏移量数值。微机则控制步进电机向相反