海洋工程钢结构内加固焊接设备的研制 海洋工程钢结构内加固焊接设备的研制*
□ 王占辉 □ 武 晋 □ 马林旭
天津中德应用技术大学 机械与材料学院 天津 300350
摘 要：海洋工程钢结构一般是以柱贯通形式梁或强柱弱梁式结构为主的箱型梁结构。针对钢结构双面成形焊接工艺，制定了结构内加固焊接设备的设计方案，完成了新型焊接专机设备电路及传动机构的设计开发，并进行了整体装配调试，制造出样机，在实际工况条件下进行了试运行。这一设备可完成海洋工程用大型箱型梁等箱体钢结构件的结构内加固。
关键词：海洋工程 箱型梁 焊接
随着我国国民经济的飞速发展，油气资源的需求与日俱增，而我国目前剩余的陆上油气资源绝大部分分布在沙漠、高原和山地等开采条件较为恶劣的地区。在已开发的油田中，大庆、辽河、胜利等主要油田均进入中老期，稳产处于临界状态，增产难度较大。海洋石油资源是未来原油产量增长的重要来源，全球50%以上的油气产量和储量来自海洋。我国海上油气资源占我国油气总资源量近2/3，海洋油气资源的开发离不开稳定、可靠的海洋工程作为支撑［1-3］。
海洋工程的建设庞大、复杂、技术含量高，钢结构件焊接质量的好坏直接影响工程结构的整体质量。研究开发适用于海洋工程用钢结构 （以柱贯通形式梁或强柱弱梁式结构为主的箱型梁结构）的双面成形焊接技术与新型自动化焊接设备，可以改变在海洋特定施工条件下使用传统焊接工艺造成的焊件力学性能下降与可靠性差的状况。笔者设计并开发了一种新型结构内加固焊接设备，有效解决了海洋工程中箱型梁等结构件的自动化焊接生产问题。
1 焊接构件结构优化设计
根据涉海工程项目中实际工况特点进行钢结构焊件结构设计，由于在工程中常需要加工大跨度梁［4］，因此需要重点研究及优化箱型梁的设计形式，开发基于需求的双面成形焊接专机。以海洋平台使用的贯穿柱为例，海洋工程项目中常采用的箱型梁应设计成柱贯通形式或强柱弱梁形式，加工方式基本与柱贯通相同。柱贯通形式采用梁与柱外伸牛腿连接主梁，从而形成框架结构，牛腿与柱内隔板位置相互对应并传递应力，内隔板四条焊缝中，两条采用CO2气体保护焊，另两条与柱的内壁板连接缝采用电渣焊。
根据上述要求制定了箱型梁预制方案。由于此结构件应用在海洋平台等大型涉海工程中，因此将其极限规格尺寸定位为400 cm×4 cm×80 cm，箱型梁焊接形式及尺寸如图1所示。
如图2所示，箱型梁加工方式按箱体梁拼板坡口及焊缝位置提供两种方案。焊接构件焊接质量的具体要求如下：端部倾斜度每100 mm≤1.6 mm；对接口错皮为0.1倍壁厚，最大为3 mm；竖直弯曲度和水平弯度每100 mm≤1 mm，最大不超过12.7 mm。箱型梁不得有显著扭曲，为有效避免焊接变形，考虑在箱型梁内部设加强板，如图3所示，避免应力集中，整体效果如图4所示。
根据箱型梁焊接结构件的预设方案制定了焊接专机的基本设计要求：由一台多功能 （带CO2气体保护焊）焊接设备完成结构件内部加固焊缝，根据焊接结构件大小定制焊接夹具一套，焊接过程实现自动化，要求为悬挂焊，即焊枪可以伸入工件实现双面焊接成形，内部焊缝不用开坡口。
▲图1 箱型梁焊接结构尺寸
▲图2 箱型梁加工两种方案
2 箱型梁双面焊接工艺研究及焊接性能优化
箱型梁是用焊件焊成的整体薄壁空间结构，本项目中箱型梁为分段制作，拼装接头连接为单面角焊。采用结构内加固焊接专机对箱型梁内部进行定位分段焊，选取不同间隔、不同焊接工艺进行参数优化，预拼装完成后进行组对及编号，最后运输至现场进行对接拼装。
保证焊透的常规焊接方法为采用单面或双面坡口、反面清根，这种方法虽焊接质量能够保证，但需要清根，无法解决箱型梁清根后变形大的问题。由于箱型梁外形尺寸大，主焊缝的变形为结构变形，易引起扭曲，这种扭曲变形很难矫正，因此需研究新工艺方法，使焊接过程中避免主焊缝的扭曲变形［5-10］。
焊件的焊接分为内缝角焊焊接和外缝坡口焊接，因此考虑两种不同的焊接专机和焊接夹具。内缝焊接主要依靠一台焊接专机、一组行走滚轮架和专用焊接夹具完成，如图5所示。
▲图3 箱型梁内部加强板端面图
▲图4 设内部加强版的箱型梁焊接结构件效果图
▲图5 焊接专机与焊接夹具设计图
3 焊接专机整体结构设计及参数要求
针对箱型梁焊接结构件的结构特点，需要完成箱型梁结构的内缝角焊焊接。焊接专机的主臂应具有上升—下降和伸出—缩回的功能，焊钳部分应具有夹持—放松及X—Y两轴微调移动的运动形式，为了满足这些功能要求，将焊接专机的运动形式分解为方向移动和工作执行两个部分。表1为焊接专机的设计参数。
表1 焊接专机设计参数
项目 数值横臂伸缩有效行程/m 5横臂升降有效行程/m 4横臂伸缩速度/（mm·min-1） 140～1 400横臂升降速度/（mm·min-1） 1 150立柱回转角度/（°） ±180横臂均布载荷/kg 300整机高度/mm 6 380整机长度/mm 7 640轨中心距/mm 2 000焊丝盘送丝速度/（mm·min-1） 400焊剂使用量/（kg·m-1） 2工位人数 1焊接速度/（mm·min-1） 400
焊接专机主体结构由立柱（包括提升机构、滑座部件、防坠落保险装置及配重部件）、横梁（包括齿条及横梁驱动部件）、手动锁紧机构等部件组成。焊接专机的横梁和立柱采用独特的截面设计，使用模块化设计思路，实现积木式组合方式，体现良好的扩展性。
立柱横梁均采用矩形钢质管式结构，平面导轨设计，具有良好的刚性，且结构轻巧、挠度小。横梁升降采用交流伺服电机恒速驱动，升降平稳，带有双保险安全防坠装置，具有较高的安全性。焊接专机的整体走线部分采用塑料拖带布线，在保证耐用、安全的前提下尽量紧凑，也可有效减少线缆的不必要损坏，保证操作者的安全［11-14］。
4 焊接专机驱动与控制系统设计
驱动系统的设计往往受到实际作业环境条件的限制，同时还要考虑成本因素的影响及所能达到的技术水平。驱动元件是系统的执行元件，其作用是将驱动控制线路的电信号转换为机械运动，整个伺服系统的调速性能、动态特性、运动精度等均与其有密切关系。结合各种驱动类型的特点、机械结构设计与传动类型的选择，该焊接专机采用气电结合的驱动方式。其中，工作平台的升降和平移都采用交流伺服电机驱动。
焊接专机的控制系统采用集中控制方式，考虑到该设备平台未来的通用性要求，采用可编程序控制器（PLC）进行控制。当需要改变动作流程时，只需要改变PLC程序就可以实现，人机界面系统使操作人员易于分辨和掌握交互界面的使用规律和特点，具有友好性和易操作性。
焊接专机的控制流程如图6所示，工控机通过控制器发出伺服电机控制信号，经伺服放大器对指令信号进行放大后驱动焊接专机各关节伺服电机的动作，同时通过通信模块实时接收各伺服电机编码器反馈信号，将反馈值进行数据存储，存储的数据提供至各控制算法模块，经处理后再通过控制器产生控制指令输出，形成一个闭环控制系统，完成焊接专机正逆运动学计算、控制器和交流伺服驱动器及PLC通信、各关节反馈信息和状态监控信号的处理，实现实时运动的三维仿真与图像处理显示。
焊接专机横梁的伸缩动作采用交流变频无级调速控制，恒转矩输出以保证速度平稳，导轨焊接成形后进行去应力处理，经刨削、磨削成型，强度高、稳定性好。横梁伸缩动作采用齿轮齿条传动，传动精度高，运行平稳。变频调速器采用数字显示，并可进行预设置。横梁升降与伸缩的过程均设有电子、机械双重保护，并考虑设计横梁防跌落装置。
在操控方面，利用手动操作器对焊接专机及其配套设备（机头、拖板、滚轮架、变位机等）实施操控，并对焊接过程进行实时控制。手动操作器与控制器通过以太网连接，可实现远程控制，增强操作的灵活性和便利性，控制器在设计时留有联动接口以便未来与其它装置实现联动，增强扩展性。
考虑到本项目的实施应具有前瞻性和创新性，在操控方式设计时摒弃了传统的控制箱加手动操作器方式，力求将双面焊接成形控制所有功能均集成在手动操作器上实现，减轻操作者的劳动强度，操作也更为方便简单。控制系统的输出部分采用继电器控制，既保证性能稳定可靠，又使维护简单方便。
▲图6 焊接专机的控制流程图
5 焊接专机整机制造及自动化焊接工序编制
在完成上述设计环节后，进行结构内加固焊接专机及焊接夹具的整体设计及整机装配制造工作。其中，焊接电源与焊钳均采用国内知名品牌，保证与专机实现良好匹配，焊接专机的焊接参数（速度、电流、电压）均可预设并进行数字显示，直观且操作方便，整体效果如图7～图9所示。
▲图7 结构内加固焊接专机
▲图8 自调式行走滚轮架
▲图9 焊接夹具
焊接的具体工作过程如下：①将箱型梁焊接结构件如图10所示放置到工装中心方孔内，将焊接件的相邻两边与没有螺栓孔的两个端面相贴合，用螺栓将焊接件的其它两个面固定；②将工件和焊接夹具一并用行车吊至滚轮架上，并调整工件的焊接位置，如图11所示；③将焊接专机调整至适合高度和位置，使用CO2气体保护焊接设备焊接箱体内缝；④一条内焊缝完成后，操作滚轮架将工件旋转90°，进而调整操作机机头位置，依次焊接其它三条内焊缝，如图12所示。
制作完成的结构内加固焊接专机工程样机如图13所示。
▲图10 箱型梁焊接结构件的夹持
▲图11 自调式工装滚轮架与焊接夹具使用
▲图12 焊接专机完成箱型梁内焊缝焊接
▲图13 焊接专机工程样机
6 结论
海洋工程钢结构内加固焊接专机采用伺服系统进行驱动，使用PLC进行控制，同时采用国产焊接电源，大大提高了设备的经济性和实用性，有效解决海洋工程中箱型梁等结构件的自动化焊接生产问题。这一设备的推广和普及对于提高国产化海洋装备的自动化水平、提高创新研发能力，并不断向高端产业升级具有示范效应。
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（编辑 丁 罡）
Abstract：Oceaneering steel structure is a box beam structure that gives priority to the structures with column run-through the beam or with strong column and weak beam.Aiming at the double-side forming welding technology of steel structure， the design scheme of the welding equipment for structural reinforcement was worked out，and the design and development of the circuit and transmission mechanism for new welding machine were completed.The prototype produced with overall assembly and commissioning had completed its trial run under the actual working conditions.This equipment can complete the structural reinforcement of the box steel structure of large oceaneering box beam.
Key Words：Oceaneering Box Beam Welding
中图分类号：TH122
文献标志码：：A
文章编号：：1000－4998（）03－0046－04
*天津市科技兴海计划项目（编号：KJXH-14）
收稿日期：9月
