储罐倒装埋弧横焊自动对中装置的研制

第３８卷第３期　２００８年３月　雹珲墩　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｖ０１．３８　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０ｏ８　储罐倒装埋弧、横焊自动对中装置的研制；　刘家发，朱宪宝　（大庆油田建设集团，黑龙江大庆１６３４５３）　摘要：设计研制了一种接触式埋弧横焊自动对中装置，用于大型立式储罐倒装法施工罐体横焊缝的　焊接。该装置是专门为大型储罐自动焊接研制的，对中精度高，抗干扰能力强，成本低，实用性强，解决　了以往储罐倒装自动焊装置人工对中调节不方便，经常出现跑偏等问题。该装置由位移传感器、信号处　理器、自动调整机构和钢制柔性跟踪轨道等部分组成。　关键词：储罐倒装法；埋弧自动焊；横焊；自动对中　中图分类号：ＴＧ４３９．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２３０３（２００８）０３－００２３－０３　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ－－ａｌｉｇｎｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｓｕｂｍｅｒｇｅ—ａｒｃ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅａｍ　ｉｎ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔａｎｋ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　ＬＩＵ　Ｊｉａ．ｆａ，ＺＨＵ　Ｘｉａｎ．ｂａｏ　（Ｄａｑｉｎｇ　Ｏｉｌｉｆｅｌｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ，Ｄａｑｉｎｇ　１６３４５３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔｏｕｃｈｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ—ａｌｉｇｎｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｓｕｂｍｅｒｇｅ—ａｒｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｖｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　ｐａｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅａｍ　ｏｆ　ｔａｎｋｅｒ　ｉｎ　ｉｎｖｅｒｔｅｄ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｔａｎｋ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｆｏｒ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔａｎｋｅｒ，ｈａｖｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ａｌｉｇｎｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔｒｏｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｒｉｔｓ．Ｈａｒｄ　ｔｏ　ａｒｔｉｉｆｃｉａｌｌｙ　ａｌｉｇｎ，ｏｆｆ　ｔｒａｃｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｏｔｈｅｒ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｏｆｔｅｎ　ａｐｐｅａｒｅｄ　ｉｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔａｎｋ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｒｅ　ｓｏｌｖｅｄ　ｗｅｌ１．Ｔｈｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ，ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ　ｒａｉｌ　ｅｔｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｏｒａｇｅ　ｔａｎｋ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｕｂｍｅｒｇｅ—ａｒｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ；ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅａｍ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ—ａｌｉｇｎｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｕ　刖吾　素使得所铺设轨道很难保证与所焊横焊缝保持平　行，所以焊接施工时经常出现焊接跑偏等问题，焊　接质量不高，返修量大。焊接过程中虽然人工实时进　行对中调节，但埋弧焊的焊枪偏离焊缝无法直接观　察，调节繁琐，操作不便，实际应用效果不理想，需　要解决焊接自动对中问题。　对于５万１１１　及以上大型立式浮顶储罐的建造　主要采用正装法施工，罐体横焊缝采用埋弧自动　焊，焊接装置悬挂在罐壁板上，利用罐壁板上端作　为焊接装置行走轨道，因此横缝焊接过程中无需采　用专用的焊枪对中装置。而对于３万１１１　及以下的立　式拱顶储罐的建造主要采用倒装法施工，焊接多以　目前，焊缝自动对中方法有光电式、激光式等　多种，不仅成本高，而且不适合野外焊接施工环境。　基于多年的实践经验，设计研制了一种接触式埋弧　横焊自动对中装置，安装在储罐倒装横缝自动焊接　焊条电弧焊为主。近年来，国内一些单位为提高焊　接生产效率，研制应用了储罐倒装施工用埋弧自动　焊设备。这种设备在储罐现场使用时，需要在罐底　外部围着储罐铺设自动焊环形专用行走轨道，虽然　设备上，较好解决了以往自动焊接设备存在的对中　难问题，获得国家实用新型专利，并成功应用于某　油库工程２万ｒｎ３拱顶储罐的焊接施工中，效果良好。　轨道有足够的刚度，但由于环形轨道不仅要承受操　作人员和自动焊设备的自重，还要做为储罐施工的　工作平台，轨道水平度经常出现较大偏差，多种因　收稿日期：２００７－１１－３０；修回日期：２００８—０２—１５　作者简介：刘家发（１９６２一），男，山东武城人，教授级高工，硕　士，主要从事施工技术开发研究和施工技术质量　管理的工作。　所研制的自动对中装置，具有成本低、操作方便、调　节精度高、焊接质量好等优点，推广应用前景良好。　１对中原理设计　所研制的接触式储罐埋弧横焊自动对中装置，　ｇ　‘２３‘　维普资讯 http://www.cqvip.com

专蠢讨论　重晖娥　■　讨论　第十二次全国焊接学术会议论文　第３８卷　作不方便，因此研究自动调节代替手工微调节是解　决对中问题的最佳途径。　自动调节关键环节是焊枪上下偏离焊缝的偏　移信号的提取，因此选择合适的传感器最为重要，　要求适合野外环境条件，调节方便，精度高。本装置　选择了测量范围￣５０　ｍｍ，精度±０．１　ｍｍ的电磁式位　由接触式位移传感器、信号处理器、自动调整执行　机构和柔性跟踪轨道等部分组成。采用闭环自动控　制方式，其自动对中原理如图ｌ所示。焊接施工之　前，在储罐的低圈壁板上距所要焊接的横焊缝一段　距离，预先安装一条与所焊焊缝平行的可拆卸的柔　性跟踪轨道，作为焊接对中装置的跟踪参照轨迹；　信号传感处理器和调整执行机构与焊接机头固定　移传感器，具有较好的线性特性，抗干扰能力强。所　在一起，位移传感器的测杆头与柔性跟踪轨道上边　相接触：焊接过程中，焊接装置行走过程中的高低　变化导致焊枪不规则上下偏离焊缝，位移传感器也　随焊枪同步偏离对中参照轨道，焊枪的偏移就由位　移传感器通过跟踪辅助轨道实时检测出来，并转变　成电压信号传给信号处理器，信号处理器通过处理　后传给驱动电机，电动执行机构实时自动纠正焊枪　位置，使焊枪始终保持在焊缝焊接位置。　图ｌ　自动对中原理　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｆｉｇｎｉｎｇ　这种预先设置和跟踪参照轨道的对中方式，简　便易行，成本低，使用方便，适合大型储罐的焊接现　场环境条件。　２偏移信号的检测与处理　２．１偏移信号的检测　埋弧横焊装置的焊枪位置调节一般有手动和　自动调节两种方式。手动调节分粗调节和微调节，　粗调节主要是焊接前将焊枪调整到焊接位置，是大　范围的调节；微调节是焊接过程中对焊枪偏离焊缝　的调节，是小范围的调节。埋弧焊接过程中，由于焊　接机架行走轨道的不规则变形影响到焊枪对中，所　以焊接过程中要随着焊接位置的变化来调节焊枪，　使焊枪始终保持在焊缝位置。焊工手工进行实时对　中微调，注意力过度集中，易疲劳；同时，埋弧焊枪　偏离焊缝无法直接观察，这种微调节控制精度差，操　选电磁式位移传感器的实物如图２所示。　图２位移传感器和滑块　Ｆｉｇ．２　Ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｉｄｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｓｌｉｄｅ　ｂｌｏｃｋ　位移传感器安装时，测杆要与辅助跟踪轨道垂　直接触。为了避免传感器测杆与跟踪轨道面的滑动　摩擦产生较大的侧向力而造成变形弯曲，影响检测　精度，采用铝合金材料制作为可拆卸滑块，传感器　测杆头直接落在滑块上，相互之间不做运动。跟踪　检测过程中，传感器测杆头和滑块沿着辅助跟踪轨　道随焊接装置一起向前运动，进行焊枪偏离量的检　测。在起始检测时，要将传感器测杆调节到中部，并　注意检测过程中不要使其位移变化超出测量范围。　２．２信号处理器　位移传感器将测量的焊枪偏离量转换成电信　号后，传输给信号处理器。信号处理器识别和处理接　收到的电信号，形成步进电机可以执行的信号，并　传输给执行电机，信号处理器实物如图３所示。本　装置设计研制的与位移传感器相匹配的控制电路，　经过多次的试验、测试和改进，并在焊接施工中进　行了实际应用，效果良好。　为实现焊接过程中横焊装置行走速度、焊接、　维普资讯 http://www.cqvip.com 讨论　刘家发等：储罐倒装埋弧横焊自动对中装置的研制　第３期　图３信号处理器　Ｆｉｇ．３　Ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　９跟踪系统等几部分协调一致＿『：作，将跟踪信号　Ｅ部分、行走电机控制器、焊接控制部分集成在　控制箱内（见图３），通过控制线传送到操作箱　操作箱安装在机头上方，方便操作与监控。信号　器抗干扰能力的高低将直接影响整体系统的　￡：研制过程中巧妙解决了这几部分信号相互干　ｊ难题，如：采用增加滤波器等方法解决跟踪调　机在没有信号输入的情况下，步进电机也在Ｔ　ｊ问题等。　调整执行机构的结构与功能　调整执行机构的作用就是在焊接过程中将偏　９焊枪实时调回到焊接位置，实现正常焊接。调整　包括手动粗调和自动微调，手动粗调是焊接前　焊枪与焊缝的相对位置，自动微调是焊接过程　ｊＩ焊枪与焊缝偏离进行调节。本装置选择步进电　区动的焊缝跟踪调节机构，来调节焊接过程中焊　焊缝的位置：调节机构如图４所示：　图４调整执行机构　Ｆｉｇ．４　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　调整机构主要由十宁滑块、调节手轮、丝杠、连　反和步进电机等部件组成。整个调整机构固定在　妾机架上，焊枪和位移传感器固定在连接板上，　妾板固定在十字滑架上，十字滑架通过丝杠与步　进电机和调节手轮相连接，调节手轮主要是水平方　向调节焊枪与罐壁板间的距离。焊枪偏离焊缝尺寸　的调节是由步进电机带动丝杠进行的。调整机构的　调节范围为＿＋１００　ｍｍ，调整精度为±０．３　ｍｍ。　４跟踪轨道的研制　跟踪轨道配合位移信号传感器一起丁作，其主　要作用是为焊接自动对中提供跟踪参照的轨迹。由　于它直接影响焊接对中的精度，所以制造精度要求　高，应满足以下条件：质量轻、易于装拆，有柔性，侧　面直线度高，要有足够的强度、硬度和耐磨性。　经过反复试验，跟踪轨道采用厚度０．７５　ｍｍ的　工具钢带，宽度７０１ＴｌＩｎ，加Ｔ成若干根，每根长度２～　３　ｍ。每根轨道之间连接采用梯形插口方式，轨道用　磁力表座固定在储罐壁板上，如图５所示。根据磁力　表座的吸力和其负重的质量进行计算，磁力表座间　距在０．５－０．７　ｍ内较为适宜。　图５跟踪轨道安装　Ｆｉｇ．５　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｒａｉｌ　轨道的安装精度将直接影响焊接过程中跟踪系　统的跟踪精度。为保证跟踪精度，提高安装质量，根　据跟踪轨道的实际情况，自行设计制作了专用的跟　踪轨道安装Ｔ具，能使轨道安装精度控制在０．３　ｍｍ　以内。轨道安装完好，通过自行研制的检测仪器进　行测量和调整，调整达到要求后进行焊接对中作业。　５　结论　（１）设计研制的接触式埋弧横焊自动对中装置，　是专门为大型拱顶储罐倒装施丁自动焊接装置配　制的，获得了国家实用新型专利。　（２）装置成本低，操作方便，精度高，跟踪精度可　达到±０．５　ｍｍ，抗干扰能力强，适合野外施工作业。　（３）所研制的自动对中装置，成功应用于某油库　工程２万ｍ　储罐的焊接施Ｔ中，效果显著，具有良　好的推广应用前景。