【編者按】本文簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽?a target="_blank" class="mmstipa1" >軌道式焊接技術(shù)的發(fā)展概況加匈，主要應(yīng)用領(lǐng)域及其工藝特點(diǎn)攘轩。系統(tǒng)地論述現(xiàn)代軌道式自動(dòng)焊接設(shè)備的基本構(gòu)成洞辣、功能和技術(shù)特性咐刨。詳細(xì)地介紹了管道接頭軌道式自動(dòng)焊接技術(shù)——全位置焊接機(jī)頭和焊接過程的程控技術(shù)以及為確保接頭質(zhì)量而開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。最后列舉了各工業(yè)部門成功的應(yīng)用實(shí)例扬霜。

1 前言

軌道式焊接技術(shù)是在特定工況條件下采用的一種先進(jìn)焊接方法定鸟，由于在極大多數(shù)情況下，這種焊接過程是自動(dòng)完成的著瓶，故亦稱軌道式自動(dòng)焊接技術(shù)联予。在我國《焊接術(shù)語》國家標(biāo)準(zhǔn)中（GB/T3375），尚未將這種焊接方法正式定名材原。在有關(guān)的國際英文文獻(xiàn)中將其稱為The Orbital Welding或The Orbital Automatic welding偏团。在英文中，Orbital一詞原是天體運(yùn)動(dòng)學(xué)術(shù)語猎递，意即某一物體沿既定的軌道圍繞另一物體作圓周運(yùn)動(dòng)库忽。在焊接工程中，將工件固定不動(dòng)乡试，焊接機(jī)頭以一定速度圍繞工件的軸線連續(xù)完成環(huán)形焊縫的方法稱之謂軌道式焊接技術(shù)拌九。借用了該天體運(yùn)動(dòng)學(xué)術(shù)語。現(xiàn)已得到國內(nèi)外焊接工程界的認(rèn)同吻蟹。

軌道式焊接技術(shù)主要用于各種管件接頭的連接恐丧。無論在生產(chǎn)車間，還是安裝現(xiàn)場(chǎng)抢却，它已成為不可缺少的加工手段战钾。其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域有：航空航天工程、火電和核電裝備在贸、石油化工裝置辖嫁、制藥和生物工程、食品绑莺、乳品和飲料加工工業(yè)及半導(dǎo)體器件生產(chǎn)設(shè)備等暖眼。鑒于上列制造行業(yè)對(duì)管件接頭焊接質(zhì)量提出了十分嚴(yán)格的要求, 促使軌道式焊接技術(shù)惕耕，包括焊接設(shè)備和焊接工藝不斷改進(jìn)和發(fā)展。迄今已成為一種先進(jìn)的精密焊接技術(shù)诫肠。圖1示出兩種現(xiàn)代軌道式自動(dòng)焊管機(jī)外形司澎。

采用軌道式焊接技術(shù)最根本的原因在于，一方面大多數(shù)管件必須在彎制成形后進(jìn)行焊接栋豫，在這種情況下挤安，管件在焊接過程中不能繞其自身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而必須借助焊接機(jī)頭旋轉(zhuǎn)完成焊接過程丧鸯。另一面大型裝備管路的安裝中蛤铜，管件組裝定位后，必須在原位進(jìn)行焊接丛肢，此時(shí)围肥，管子固定不動(dòng)，只得通過機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行焊接蜂怎，通過分析可知穆刻，當(dāng)待連接管件水平固定時(shí), 焊接機(jī)頭和焊槍作360°旋轉(zhuǎn)過程中, 其焊接位置將從平焊-立向下-仰焊-立向上不斷地變化，即進(jìn)行所謂的全位置焊登彪，如圖2所示籍勘。其焊接難度是可想而知的，加之工程上所采用的管件規(guī)格眷赂，管徑和壁厚的變化范圍十分寬廣, 這就加大這種焊接技術(shù)的復(fù)雜性想受。因此，為確保接頭的高質(zhì)量屑墓，目前軌道式焊接設(shè)備已全面采用當(dāng)代最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)谱累，實(shí)現(xiàn)了焊接過程的全自動(dòng)化。圖3示出現(xiàn)代軌道自動(dòng)焊管機(jī)全貌奏炸。

2發(fā)展概況

在世界焊接工程界谒电，軌道式焊接技術(shù)于上世紀(jì)60年代初首次成功應(yīng)用于航空航天飛行器液壓管路的焊接。直到80年代初這種焊接技術(shù)在各工業(yè)部門開始推廣應(yīng)用芹菱，并陸續(xù)涌現(xiàn)出多家軌道式焊接設(shè)備的專業(yè)生產(chǎn)廠商冗呀，如美國的ARC MACHINES公司，德國的ORBIMATIC公司桩垫，瑞典的ESAB公司, 法國的POLYSOUDE公司和加拿大的Li- burdi Dimetrics公司等钠锉。

這些制造廠商都能提供各種類型全系列的軌道式自動(dòng)焊接設(shè)備，并可為客戶擬定相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)西轩。產(chǎn)品的技術(shù)特性和功能逐年升級(jí)換代员舵。當(dāng)前最先進(jìn)的軌道式自動(dòng)焊管機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動(dòng)化，并可利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)行對(duì)焊縫質(zhì)量的精確控制马僻，保證了焊縫質(zhì)量的高度一致性庄拇。圖4示出最新一代具有質(zhì)量控制功能軌道式自動(dòng)焊管機(jī)外貌。

在我國韭邓，于90年代末措近，國內(nèi)多家企業(yè)開始通過技術(shù)引進(jìn)和中外技術(shù)合作等方式研制軌道式自動(dòng)焊管機(jī)，試圖實(shí)現(xiàn)這類高技術(shù)自動(dòng)焊管設(shè)備的國產(chǎn)化女淑。經(jīng)過多年堅(jiān)持不懈的努力瞭郑，目前昆山華恒焊接股份有限公司和蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司已能批量生產(chǎn)各種類型的軌道式自動(dòng)焊管機(jī)，基本上滿足了國內(nèi)市場(chǎng)的需求鸭你，圖5示出昆山華恒焊接股份有限公司生產(chǎn)的軌道式自動(dòng)焊管機(jī)在電站鍋爐集箱管排組焊中的應(yīng)用實(shí)例凰浮。

圖5

多年的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用證明，國產(chǎn)軌道式自動(dòng)焊管機(jī)的技術(shù)性能和質(zhì)量指標(biāo)已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平苇本。

3應(yīng)用領(lǐng)域

軌道式自動(dòng)焊接技術(shù)與傳統(tǒng)的手工TIG焊相比，具有下列值得重視的優(yōu)點(diǎn)：

1钾独、焊接效率大大高于手工TIG焊, 厚壁管對(duì)接采用窄間隙熱絲軌道式自動(dòng)焊号嵌，焊接效率可進(jìn)一步大幅提高；

2访跛、焊縫的質(zhì)量?jī)?yōu)異捣雪，且一致性相當(dāng)好，可以滿足各類高端工業(yè)裝備對(duì)焊縫質(zhì)量的嚴(yán)格要求秩漾；

3延懂、對(duì)焊工技能熟練程度的要求相對(duì)較低，大大降低了勞務(wù)費(fèi)開支冯峭；

4昵壁、焊接環(huán)境和工作條件有較大的改善，不僅減輕了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度, 而且提高了焊接環(huán)境的純凈度谁汤；

5坠地、通過對(duì)焊接工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保了焊縫的高質(zhì)量殉俗，并利用完善的質(zhì)量管理軟件圾纤，實(shí)現(xiàn)了焊縫質(zhì)量的可追蹤性，這對(duì)于按國家相應(yīng)法規(guī)制造的工業(yè)裝備具有十分重要的意義倦逐。

因此譬正，軌道式自動(dòng)焊接在一些重要的工業(yè)部門得到了普遍而成功的應(yīng)用，其中最主要的有：航空航天工程檬姥、食品曾我、乳品和飲料加工設(shè)備、制藥和生物工程、半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)裝備您单、石油化工裝備和火電及核電站裝備等斋荞。

3.1航空航天工程

航空航天工程是最早采用軌道式自動(dòng)焊的制造行業(yè)，主要用于液壓系統(tǒng)的小直徑薄壁管的連接虐秦。一架大型客機(jī)平酿，管接頭數(shù)量約1500個(gè)。對(duì)這些接頭的焊接質(zhì)量要求十分嚴(yán)格悦陋，且必須保證連續(xù)一致性蜈彼。即所有管子對(duì)接接頭的質(zhì)量都必須符合相同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)代軌道式自動(dòng)焊管機(jī)都具備精確控制焊接工藝參數(shù)的功能俺驶，可以可靠地保證焊縫質(zhì)量的一致性究油。圖6示出航天航空工程中渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件外形和錐形管對(duì)接接頭軌道式自動(dòng)焊接實(shí)況。

3.2食品协黑、乳品和飲料加工設(shè)備

食品迹匈、乳品和飲料加工設(shè)備中管道系統(tǒng)必須符合國家食品衛(wèi)生法規(guī)規(guī)定嚴(yán)格要求。在這種管道系統(tǒng)中脏拦，焊縫必須全焊透帚孔，且不容許存在任何凹陷、氣孔摇昌、裂隙泉档、裂紋、咬邊等焊接缺陷净耍。這些缺陷都可能成為死區(qū)健需，嵌留工作介質(zhì)，滋長病菌嘉警。管道的內(nèi)表面必須光潔蕴来，便于徹底消毒。這種苛刻的焊縫表面質(zhì)量要求拼缝，目前惟有軌道式自動(dòng)焊接才能達(dá)到括享。因此，大多數(shù)食品珍促、乳品和飲料加工設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和制造規(guī)程都強(qiáng)制性規(guī)定铃辖，管道接頭焊接必須采用軌道式自動(dòng)焊接。圖7 示出該種管道系統(tǒng)軌道式自動(dòng)焊實(shí)況猪叙。

3.3制藥設(shè)備和生物工程

制藥設(shè)備和生物工程都裝備管道系統(tǒng)娇斩，以輸送和處理原料、半成品和成品穴翩。特別是注射用水犬第，純度要求特別高，絕對(duì)禁止混入任何微量腐蝕性雜質(zhì)。因此歉嗓，要求焊接接頭的耐蝕性不得因焊接加熱而受到損害丰介，焊縫附近母材局部過熱也是不容許的。

軌道式自動(dòng)焊接的熱周期可按要求進(jìn)行精確控制鉴分，避免焊縫及熱影響區(qū)過熱哮幢，因此具有相當(dāng)高的耐蝕性，同時(shí)光滑的焊縫表面亦利于鈍化欣慰∈星可見，軌道式自動(dòng)焊接對(duì)于制藥設(shè)備和生物工程是一種首選的焊接方法氮栏。圖8示出制藥設(shè)備管道焊接實(shí)況插棱。

3.4半導(dǎo)體器件生產(chǎn)設(shè)備

半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中必須使用超級(jí)純度的氣體，并采用電拋光不銹鋼管輸送氣體左蛙，鋼管的規(guī)格大多數(shù)是外徑為6.3mm肘何，壁厚0.9mm，生產(chǎn)氣體通過管道時(shí)裁甘，不容許吸收任何水分权炫，氧體和其他雜質(zhì)微粒。因此膜狈，對(duì)焊縫質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)嚴(yán)格，要求焊縫表面均整阴默，保證全焊透缺沿，且焊道尺寸和內(nèi)表面減至最小，不容許焊縫內(nèi)外表面變色稚补。如此苛刻的焊縫質(zhì)量要求只有技術(shù)高度熟練的操作工利用軌道式自動(dòng)焊接才能達(dá)到童叠。圖9示出半導(dǎo)體器件生產(chǎn)設(shè)備管道的軌道式自動(dòng)焊接實(shí)況。

3.5石化裝備

圖10示出某一現(xiàn)代化工廠部分裝備课幕，從中不難看出厦坛，其中80%以上的裝備采用不同規(guī)格的管道制成，而這些管道的安裝絕大部分采用軌道式自動(dòng)焊管機(jī)乍惊《沤眨化工裝備中的熱交換器和裂化反應(yīng)器也采用大量管件組焊而成。所采用的管子不僅規(guī)格各異润绎，而且管材品種多樣化撬碟，包括鈦、鋯合金和各種不銹鋼莉撇，這就要求對(duì)各種材料均適用的焊接方法呢蛤。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，軌道式自動(dòng)焊接是最佳的解決方案。

化工裝備的使用壽命與化工廠的經(jīng)濟(jì)效益休戚相關(guān)其障，而前者直接取決于焊接接頭的質(zhì)量银室。因此，相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斜曾、制造法規(guī)都對(duì)焊縫質(zhì)量規(guī)定了嚴(yán)格的質(zhì)量控制程序螺喂，并要求對(duì)焊接過程和焊縫質(zhì)量的可追蹤性。

在各種型式的熱交換器中岁之，管子/管板的接頭數(shù)量往往達(dá)到幾百個(gè)闹彩，甚至上千個(gè)，但必須保證每個(gè)接頭的焊縫質(zhì)量估宏，不得有任何細(xì)小的缺陷投充，否則將導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過程中泄漏，造成停機(jī)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失芙卸。

為確狈笠海化工裝備管道接頭的高質(zhì)量，選用軌道式自動(dòng)焊接技術(shù)已成為最經(jīng)濟(jì)后摧、合理的工藝方法粱祟。圖11示出化工裝備管道接頭軌道式焊接實(shí)況。

3.6火電和核電裝備

火電和核電裝備也是大量應(yīng)用管材的制造行業(yè)之一×荩現(xiàn)代大容量電站鍋爐主要高溫高壓部件幾乎全部采用管材組焊而成持偏。圖12示出某一大型電站鍋爐受熱面部件外形。一臺(tái)600MW 超臨界電站鍋爐受熱面部件管子接頭數(shù)量總共可達(dá)2萬多個(gè)氨肌。

電站鍋爐受熱面部件外形

其中約有一半以上的管子接頭（包括總裝接頭）需采用軌道式自動(dòng)焊管機(jī)進(jìn)行焊接鸿秆。圖13示出電站鍋爐受熱面部件管子接頭軌道式自動(dòng)焊接的實(shí)況。

為提高工作效率怎囚，一名操作工往往同時(shí)操縱多臺(tái)自動(dòng)焊管機(jī)卿叽，如圖14所示。

圖14 多臺(tái)軌道式自動(dòng)焊管機(jī)同時(shí)工作

電站鍋爐的主蒸汽管道和核電站的一次回路和二次回路采用了各種規(guī)格的大直徑厚壁管恳守，這些管道大部分需在安裝位置進(jìn)行焊接考婴，現(xiàn)場(chǎng)施焊難度較大。為保證這種管道接頭的焊接質(zhì)量催烘，目前正在逐步推廣使用軌道式自動(dòng)焊管機(jī)沥阱。圖15示出大直徑厚壁管對(duì)接接頭軌道式自動(dòng)焊接實(shí)況。

電站鍋爐和核電裝備的安全性是至關(guān)重要的伊群，因此喳钟，相關(guān)的制造法規(guī)對(duì)焊縫質(zhì)量提出了十分嚴(yán)格的要求，而且其制造過程必須接受國家質(zhì)量監(jiān)督部門的全程監(jiān)控在岂。要求建立完整的質(zhì)量記錄文件奔则，包括焊接全過程的工藝參數(shù)記錄卡阵膛。為此，現(xiàn)代軌道式自動(dòng)焊管設(shè)備都裝有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集汹囱、儲(chǔ)存和打印系統(tǒng)哩晕，為這類重大工業(yè)裝備制造質(zhì)量的監(jiān)控，提供了方便而有效的檢測(cè)手段陡料，并保證了質(zhì)量記錄的真實(shí)性冯爷。圖16示出裝有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軌道式自動(dòng)焊管機(jī)全貌。

4工藝特點(diǎn)

4.1焊接工藝方法

正如前所述陪罕，軌道式焊接是一種全位置焊接過程昆畜，要求在任何焊接位置下能保持所希望的熔池形狀。因此, 必須選用工藝適應(yīng)性強(qiáng)的焊接工藝方法将借。在各種弧焊方法中向瓶，鎢極氬弧焊是精密焊接首選的方法，其特點(diǎn)是氬弧十分穩(wěn)定讽椿，即使是在很低焊接電流下脱每，電弧仍能穩(wěn)定燃燒，這就為控制電弧的能量提供了有利的條件朗涩。此外, 這種焊接工藝方法便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化忽孽。

4.2管件的焊接位置

軌道式自動(dòng)焊接適用的典型焊接位置有：管件水平固定（5G）、傾斜固定（6G）和垂直固定（2G）谢床，如圖17所示兄一。

4.3電弧能量的控制

管件接頭軌道式焊接時(shí)，最主要的問題是電弧對(duì)焊接區(qū)的累進(jìn)加熱识腿，特別是小直徑薄壁管的焊接出革，這一問題尤為突出。其原因是電弧對(duì)工件的加熱速度大于散熱速度覆履，而使熱量積聚，最終導(dǎo)致焊接熔池失穩(wěn)费薄。因此硝全，在全位置焊接過程中，為始終保持焊接熔池形態(tài)穩(wěn)定楞抡，即使熔池的表面張力與重力平衡伟众，必須適當(dāng)?shù)乜刂齐娀〉哪芰俊４罅康脑囼?yàn)證明召廷，最好的解決辦法：一是采用脈沖電流凳厢；二是焊接參數(shù)分區(qū)段程序控制。

4.3.1脈沖電流二焰。在焊接工程中可利用的脈沖電流纹站，按其頻率可分低頻脈沖澈越、中頻脈沖和高頻脈沖。軌道式焊接中泌位，為控制電弧能量晨瀑，通常采用低頻脈沖，脈沖波形和熔池形狀見圖18酒妄。

由圖18可見拉冯，直流低頻脈沖電流在脈沖峰值電流與基本電流組合的交變電流。峰值電流lP持續(xù)時(shí)間為tP蜜硫，在此期間內(nèi)极胸，焊接熔池的體積增加到最大值，并產(chǎn)生一定的熔深谚碌。而在tG時(shí)間內(nèi)眯穴，焊接電流降低到較低的基本電流，亦稱維弧電流澎灸。電弧能量減小院塞，使焊接熔池冷卻，熔池體積縮小到最低值性昭，同時(shí)減弱了熔池重力的影響拦止。軌道式焊接時(shí)，可以按照待連接管件的規(guī)格（管徑和壁厚）糜颠，適當(dāng)調(diào)整脈沖電流參數(shù) ——IP汹族、tP、IG其兴、tG顶瞒，達(dá)到最佳的焊縫成形。

4.3.2區(qū)段程控元旬。在某些管件的軌道式焊接時(shí)榴徐，例如小直徑厚壁管，只使用脈沖電流還不足以焊制出合格的焊縫匀归。在這種情況下坑资，必須將焊縫的周長分成若干區(qū)域，通常稱其為區(qū)段毯舞，并對(duì)各區(qū)段的焊接參數(shù)進(jìn)行程序控制爹故。

圖19示出管子橫截面周長典型的劃分方法，即將其等分為4個(gè)區(qū)段沥院。每個(gè)區(qū)段為90°妹茬。第一區(qū)段從D點(diǎn)開始，即從10：30至01：30結(jié)束篇胰，以此類推泳唇。不同區(qū)段相對(duì)應(yīng)的焊接位置如下：

S1 0°~90°平焊位置

S2 90°~180°立向下焊位置

S3 180°~270°仰焊位置

S4 270°~360°立向上焊位置

管件對(duì)接接頭軌道式焊接時(shí)十吐，可按不同區(qū)段的焊接位置程序控制焊接電流（包括IP、IG）稽舱、焊接速度和送絲速度积辞，使焊接熔池始終處于熱平衡狀態(tài)。對(duì)于某些規(guī)格的管件和導(dǎo)熱性差的管材趋大，可能要求對(duì)焊接區(qū)段進(jìn)一步細(xì)分成8等分或16等分〔ぢ簦現(xiàn)代微機(jī)控制軌道式自動(dòng)焊管機(jī)高超的功能完全可滿足這一要求。

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