钻机操纵台油管自动焊接装置的研制

陈 亮，王 普，高 勇，贠江剑

(中煤科工集团西安研究院钻探技术研究所，陕西 西安710077)

随着社会对能源需求量的增加，作为煤矿安全的关键设备的煤矿坑道钻机的需求量也大大增加，对钻机的生产周期和品质也提出更高的要求。分体式煤矿坑道钻机主要由主机、泵站和操纵台三部分组成[1]。操纵台是钻机三大部件中的控制部分，是钻机的关键部件之一。操纵台中油管连接较多，大都是管件或管件与接头的焊接。油管焊接对操纵台的装配效率和质量都有着重要的影响作用。目前，油管的焊接主要是手工的氧乙炔焊接，需要钳工和焊工配合来完成。焊接品质的稳定性很难保证，尤其是新的焊工需要较长时间才能胜任焊接工作，这都直接影响油管的焊接品质和效率，进而影响操纵台装配效率。

本文在卧式环焊缝焊机的基础上研制了钻机操纵台油管的自动焊接机，实现了油管和接头的自动焊接，提高了操纵台油管的焊接品质，缩短了其生产周期。

1 油管自动焊接装置

1.1 自动焊接机的设计

操纵台油管可以分为“―”字型和“L”型两种，油管的焊接都是接头和无缝管（20号输送流体用无缝钢管）的对焊。焊接机需要完成接头和油管的快速加紧、松开、顶紧、退回、同步旋转、焊枪升降、调节等动作。

采用在卧式焊接机的基础上增加一个同步旋转的从动旋转机头和气动尾座来实现焊接接头和“―”字型或“L”型焊管的同轴旋转和轴向移动，用三爪卡盘来装夹接头，用改造的气动卡盘来装夹油管，设计出了操纵台油管焊接装置。油管自动焊接装置由焊接电源、焊接主机、控制器等组成。

1.2 焊接控制要求

油管环缝焊机控制系统要求能够实现自动控制焊接、手动控制焊接及故障检测程序。

（1）手动控制过程，通过各个动作的控制开关独立完成焊枪的升降、旋转机头的前进和后退、夹紧开关的夹紧和松开等动作。

（2）自动控制过程，可以实现调试和焊接过程的自动控制，油管夹紧动作，从动旋转机头前进动作，焊枪下降动作，焊枪送丝、起弧、主动、从动电机旋转动作，焊接收弧，各个动作依次顺序进行。控制流程图如图1所示。

图1 控制流程图

（3）故障检测，可以实现对系统运行的监测和报警，当出错时及时停止焊接工作，然后切换到手动状态经人工调整继续完成后面的焊接工作或进行设备维修。

2 油管的焊接工装

油管焊接的基本要求是满足油管长度和角度的要求。这是保证油管在装配过程中能否实现完全互换的关键，也是提高焊接效率的前提。此外，还有对焊缝强度的要求，最基本的强度要求是焊缝的抗拉强度要大于焊接母材抗拉强度[2]，而且使用中不能出现液压油渗漏现象。

油管的焊接主要考虑接头和无缝管的装夹。对自动焊接装置的焊接工装有两个基本要求：首先，要能够满足“―”字型和“L”型两种管子的装夹；其次还要能实现管接头和管子的自动对中。焊接头是外螺纹或者内螺纹，与三爪卡盘相连接的接头工装（见图2）就能实现其定位。

图2 油管接头的装夹工装

考虑到管子的装卸方便，管子装夹工装是利用两爪气动卡盘的两爪，与其连接的两个“v”形块实现油管的快速加紧，而与这两爪垂直的另一“v”型块可方便的实现“L”型管子的装夹和自动对中。如图3所示。

图3 L型油管焊接工装

3 焊接试验

3.1 试验目的

（1）检查焊接装置各种动作是否正常；

（2）检验设计的焊接工装能够满足“―”字型和“L”型两种油管与接头的焊接；

（3）通过试验确定 准16、准20、准22、准27四种管子焊接工艺参数。

3.2 试验内容

首先对焊机的主动旋转机头、从动旋转机头、焊枪气动推进机构、气动尾座、气动卡盘、导电机构、控制系统等，进行了逐一检查确定各机构动作正常。其次，通过试验选取焊丝直接 电压 电流 焊接速度等焊接参数，如表1所示。

表1 油管焊接参数

根据现场试验将焊机主动旋转机头的转速调整到10 r/min，焊缝饱满，熔深达到4 mm，熔宽达到5 mm以上。从焊缝剖开图（见图4）可以看出，焊缝沿油管一周都已焊透。

图4 焊缝剖开图

3.3 试验结果

焊接装置的动作正常灵活，各焊接工艺参数调节方便，可实现“―”字型和“L”型两种油管与接头的焊接。确定了 准16、准20、准22、准27四种管子焊接工艺参数，并从目测合格产品中抽选出100件作为焊缝检验的试件。

4 焊缝检验

4.1 焊接结构的缺陷类型

由于焊接热过程的特殊性，如加热温度高、速度快、高温停留时间短、局部加热产生不均与相变及应变、在应力状态下进行组织转变等，使得焊接结构容易产生外观缺陷（要有：咬边、焊瘤、凹坑等），和气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等缺陷[3]。

4.2 焊缝检验

我们对焊接后的油管随机抽取进行了耐压试验，油管焊缝的耐压试验采用在操纵台上直接测试，憋压25 MPa保压10分钟，若出现渗漏即判定为不合格。100根焊接油管均无出现渗漏现象，合格率为100%。此外，我们还对4根油管做了金相组织[4]检和Χ射线检测，检测结果显示：未发现有未融合，未焊透，裂纹，夹渣，气孔等缺陷。对2根焊后油管做了拉伸试验，拉伸试验采用整管拉伸，试件从无缝钢管一侧出现缩颈、断裂，抗拉强度分别为510 MPa和505 MPa，均大于母材强度（450 MPa）。

5 结束语

设计了一台适用于操纵台油管环缝焊接专机和一套焊接模具，根据试验总结的二氧化碳气体保护焊接参数进行了自动焊接试验。自动机焊后的油管和氧乙炔焊接相比：焊缝成型好，生产成本低，焊接效率高。自动机焊的效率相比乙炔焊接提高了近一倍，节省人工成本达10万余元。油管自动焊机焊接油管可以大大降低油管的焊接缺陷，焊接合格率从原来的96%提高到99.8%，每年又可节约成本近2万元。

[1]陈 健，姚宁平，殷新胜.MK系列钻机及其在煤矿瓦斯抽采中的应用[J].煤炭科学技术，2003（2）：55-56.

[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第1卷）：焊接方法及设备[M].第2版，北京:机械工业出版社，2001.

[3]李亚江，刘 强，王 娟.气体保护焊工艺及应用[M].北京:化学工业出版社，2009.

[4]上海材料研究所.金相检验[M].上海:《理化检验》编辑部出版，1983.