一、概述

    在水利、電力、化工及能源等眾多行業中，閥門一直以來都發揮著重要的作用，其中大型蝶閥以其良好的性能也獲得了越來越廣泛的應用。目前國內已經建立了較為完備的閥門生產體系，但是在焊接大型蝶閥時，仍然面(mian)臨著焊(han)(han)接(jie)質量不穩(wen)定、焊(han)(han)接(jie)效(xiao)率低下的(de)問題(ti)，這主要(yao)是由蝶(die)(die)閥的(de)大(da)(da)結構、大(da)(da)板厚(hou)、大(da)(da)工作量等焊(han)(han)接(jie)特點造(zao)成(cheng)的(de)。在(zai)大(da)(da)型(xing)閥門(men)(men)(men)的(de)生產(chan)過程中(zhong)(zhong)，最重要(yao)的(de)加工方(fang)(fang)法就是焊(han)(han)接(jie)。其(qi)原因(yin)除了焊(han)(han)接(jie)自身(shen)具有(you)(you)的(de)節約材料、工藝(yi)簡單、生產(chan)周(zhou)期短及(ji)適于多(duo)種類小批(pi)量生產(chan)等優點外，還(huan)因(yin)為其(qi)他(ta)加工方(fang)(fang)法在(zai)閥門(men)(men)(men)生產(chan)中(zhong)(zhong)具有(you)(you)難以(yi)克(ke)服的(de)缺點。根據(ju)閥門(men)(men)(men)公司生產(chan)現場的(de)統計，一(yi)套大(da)(da)型(xing)蝶(die)(die)閥的(de)制造(zao)過程中(zhong)(zhong)，60%以(yi)上的(de)工時是用在(zai)焊(han)(han)接(jie)工序上，其(qi)中(zhong)(zhong)損耗的(de)人工、電(dian)能成(cheng)本(ben)也(ye)占據(ju)了生產(chan)成(cheng)本(ben)中(zhong)(zhong)的(de)很大(da)(da)一(yi)部(bu)分。因(yin)此目前(qian)對(dui)蝶(die)(die)閥中(zhong)(zhong)厚(hou)板焊(han)(han)接(jie)工藝(yi)的(de)研究主要(yao)是集中(zhong)(zhong)在(zai)高效(xiao)化焊(han)(han)接(jie)自動化設備、工藝(yi)參數優化、接(jie)頭形(xing)式改良以(yi)及(ji)開(kai)發新(xin)的(de)焊(han)(han)接(jie)方(fang)(fang)法等方(fang)(fang)面(mian)。

    二、大口徑進水蝶閥的結構及焊接要求

    1.蝶閥的總體結構

    蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)主要(yao)(yao)部(bu)件包括閥(fa)(fa)(fa)(fa)體(ti)(ti)、閥(fa)(fa)(fa)(fa)板(ban)(ban)、閥(fa)(fa)(fa)(fa)板(ban)(ban)密封、液壓(ya)驅動系(xi)統、執行系(xi)統和(he)電氣系(xi)統等（見圖1）。閥(fa)(fa)(fa)(fa)體(ti)(ti)采用(yong)垂直(zhi)分(fen)(fen)瓣(ban)，拱橋形(xing)(xing)結(jie)構(gou)，用(yong)鋼板(ban)(ban)拼(pin)焊(han)再加工而成(cheng)。閥(fa)(fa)(fa)(fa)板(ban)(ban)分(fen)(fen)為(wei)單蝶板(ban)(ban)和(he)雙(shuang)(shuang)蝶板(ban)(ban)兩(liang)種(zhong)結(jie)構(gou)，雙(shuang)(shuang)蝶板(ban)(ban)采用(yong)雙(shuang)(shuang)偏心(xin)雙(shuang)(shuang)平板(ban)(ban)框(kuang)形(xing)(xing)桁架拼(pin)焊(han)結(jie)構(gou)，具有足夠的強(qiang)度和(he)剛度。閥(fa)(fa)(fa)(fa)體(ti)(ti)和(he)閥(fa)(fa)(fa)(fa)板(ban)(ban)是蝶閥(fa)(fa)(fa)(fa)的主要(yao)(yao)構(gou)成(cheng)，也是焊(han)接工作量(liang)最大的兩(liang)個關鍵部(bu)件。閥(fa)(fa)(fa)(fa)體(ti)(ti)是一種(zhong)環(huan)形(xing)(xing)結(jie)構(gou)，焊(han)縫形(xing)(xing)式以環(huan)角焊(han)縫和(he)短角焊(han)縫為(wei)主；閥(fa)(fa)(fa)(fa)板(ban)(ban)是雙(shuang)(shuang)平板(ban)(ban)框(kuang)形(xing)(xing)桁架拼(pin)焊(han)結(jie)構(gou)，焊(han)縫以長角焊(han)縫為(wei)主。

圖1 蝶閥的結(jie)構組成(cheng)

    2.蝶閥焊接特點分析

    目前國內制造的蝶閥通徑最大達到5500mm，均為中厚板、厚板焊接，鋼材用量大，焊接工作量也很大。閥體的焊縫長度超過300m，閥板焊縫最長也超過200m。另外焊接條件復雜，工件材質既有綜合焊接性能較好的Q235B，也有焊接性能差的WCB鋼，同時存在大量平焊縫、橫焊縫，甚至還有仰焊縫。復雜多變的焊接條件，要求現場工人必須具有熟練的操作手法和豐富的焊接經驗。閥體和閥板的單件重量最高可達35t，工件龐大，裝配、翻轉不易，不僅大部分工件在焊接過程中都需要借助行車完成裝配，而且在翻轉工件時，也需要用到行車或者變位機。由于上述問題，目前蝶閥的整體焊接效率偏低。與龐大的焊接量相比，目前在閥門生產中采用的焊接方式還是以CO₂氣體保護焊(han)為主，輔(fu)以焊(han)條(tiao)電弧焊(han)。由(you)于蝶(die)閥板材屬于中厚板，焊(han)接過程中需要采用多層(ceng)多道焊(han)，所以焊(han)接效率還是不(bu)能令人滿(man)意。

    3.提高蝶閥焊接效率的方法和手段

    針對蝶閥的焊接，如何提高焊接效率一直是閥門行業的(de)研究課(ke)題。結合蝶閥(fa)(fa)的(de)結構特(te)點、鋼板(ban)材料、焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)位置及焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)工藝等(deng)特(te)點，提高(gao)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)的(de)最有效(xiao)(xiao)(xiao)手段(duan)是(shi)開(kai)發自(zi)(zi)動(dong)化焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)設(she)(she)備。為(wei)滿足蝶閥(fa)(fa)的(de)高(gao)效(xiao)(xiao)(xiao)自(zi)(zi)動(dong)化焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)，自(zi)(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)設(she)(she)備需(xu)(xu)要(yao)解決以下問題：①要(yao)滿足多種(zhong)型號蝶閥(fa)(fa)的(de)閥(fa)(fa)體(ti)和閥(fa)(fa)板(ban)的(de)裝(zhuang)夾和自(zi)(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)。②適應最大工件重量(liang)為(wei)35t，所(suo)有焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)位置需(xu)(xu)要(yao)調節到平(ping)焊(han)(han)(han)(han)(han)位置或船形焊(han)(han)(han)(han)(han)位置。③選(xuan)擇(ze)的(de)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)方法必須具(ju)備很高(gao)的(de)熔敷效(xiao)(xiao)(xiao)率(lv)。④自(zi)(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)(han)(han)設(she)(she)備能夠完(wan)成90%以上(shang)規則焊(han)(han)(han)(han)(han)縫的(de)自(zi)(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)。⑤針(zhen)對(dui)閥(fa)(fa)板(ban)腔體(ti)內部(bu)的(de)長角焊(han)(han)(han)(han)(han)縫，系統具(ju)備自(zi)(zi)動(dong)跟蹤功能。⑥焊(han)(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)過程穩定性(xing)及電弧(hu)狀態(tai)需(xu)(xu)要(yao)監控。

    三、蝶閥高效焊接設備的研制

    蝶閥自動焊接(jie)系統包括(kuo)大型焊接(jie)操作(zuo)機(ji)、重型變位機(ji)、焊接(jie)電源和控制系統。

    1.焊接工藝的選擇

    由于閥體和閥板的材料都是中厚板，閥體的主要焊縫軌跡都是標準環形（見圖2），閥板的主要焊縫的軌跡都是直線形（見圖3），比較適合高效自動化焊接（當然有空間位置等其他限制條件）。根據國內閥門行業焊接工藝技術的現狀，也參考國內其他行業的高效化焊接技術的經驗，CO₂氣體保護焊和埋弧焊仍然是實現蝶閥高效自動化焊接的優選工藝。中厚板的焊接鋼板需要預制坡口，然后采用多層多道的焊接順序。CO₂氣體保護焊與埋弧焊相比，各有優缺點。埋弧焊的熔覆效率高，表面成形好，但是打底焊接時脫渣困難，特別是在閥板筋板腔體內部的焊接，清根難度很大。CO₂氣體保護焊大規范焊接熔覆效率也很高，對于結構件焊接，焊縫層間不需要進行清理。但是CO₂氣體保護焊飛濺比較大，大規范焊接焊縫表面質量不如埋弧焊焊縫。在設計蝶閥高效自動焊接設備初期，對于適合采用自動焊接的多層多道焊接，我們規劃采取CO₂氣體保護焊和埋弧焊復合焊接工藝。對于打底焊道和填充焊道，采用CO₂氣體保護焊(han)工藝，對于蓋面焊(han)道，更多地采(cai)用埋(mai)弧焊(han)工藝。

圖2 閥(fa)體主要焊縫形(xing)式(shi)

圖3 閥板主要焊縫形式(shi)    

    2.蝶閥固定及位置調整變位系統的設計

    考慮到(dao)要(yao)(yao)滿(man)足(zu)多種型(xing)號蝶閥(fa)的(de)(de)(de)閥(fa)體(ti)和(he)閥(fa)板的(de)(de)(de)裝(zhuang)夾(jia)(jia)(jia)和(he)自動焊(han)(han)接(jie)，并且要(yao)(yao)求所有焊(han)(han)接(jie)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)要(yao)(yao)處(chu)于(yu)水(shui)平或船形焊(han)(han)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)，焊(han)(han)接(jie)變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)設(she)計(ji)具(ju)(ju)有很大(da)技術難度(du)。首(shou)先確(que)定(ding)變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)承載(zai)重量(liang)，用戶產品的(de)(de)(de)最大(da)單體(ti)工(gong)(gong)(gong)件(jian)重量(liang)為(wei)32t，變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)設(she)計(ji)的(de)(de)(de)最大(da)承重量(liang)為(wei)35t，工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)臺面直徑為(wei)6.4m。為(wei)保(bao)證(zheng)閥(fa)體(ti)上法蘭盤角(jiao)焊(han)(han)縫(feng)焊(han)(han)接(jie)處(chu)于(yu)船形焊(han)(han)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)，變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)最大(da)翻轉角(jiao)度(du)需要(yao)(yao)達到(dao)135°（見(jian)圖(tu)(tu)4）。當工(gong)(gong)(gong)件(jian)處(chu)于(yu)圖(tu)(tu)4位(wei)(wei)(wei)置(zhi)，回(hui)(hui)轉工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)臺T型(xing)槽(cao)和(he)緊固(gu)(gu)工(gong)(gong)(gong)裝(zhuang)將承受(shou)很大(da)的(de)(de)(de)拉力，因此工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)臺面和(he)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)也是設(she)計(ji)的(de)(de)(de)重點工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)。為(wei)保(bao)證(zheng)變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)翻轉和(he)回(hui)(hui)轉的(de)(de)(de)平穩(wen)，翻轉采用雙(shuang)扇(shan)型(xing)齒板，雙(shuang)電動機(ji)(ji)(ji)(ji)驅動（見(jian)圖(tu)(tu)5），回(hui)(hui)轉亦采用對稱排列的(de)(de)(de)雙(shuang)驅動結構。翻轉和(he)回(hui)(hui)轉均設(she)有機(ji)(ji)(ji)(ji)電雙(shuang)重鎖(suo)定(ding)保(bao)護，確(que)保(bao)各種工(gong)(gong)(gong)作(zuo)(zuo)變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)狀態和(he)失電狀況(kuang)均能確(que)保(bao)安(an)全。標準(zhun)機(ji)(ji)(ji)(ji)床的(de)(de)(de)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)無法滿(man)足(zu)用戶現場的(de)(de)(de)使用和(he)安(an)全要(yao)(yao)求，我們(men)對緊固(gu)(gu)螺栓的(de)(de)(de)螺距、夾(jia)(jia)(jia)持體(ti)都進行了很多改進。新設(she)計(ji)的(de)(de)(de)變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)確(que)保(bao)了受(shou)交變(bian)(bian)力作(zuo)(zuo)用下，夾(jia)(jia)(jia)具(ju)(ju)均能滿(man)足(zu)用戶提出的(de)(de)(de)定(ding)位(wei)(wei)(wei)及夾(jia)(jia)(jia)緊要(yao)(yao)求，實(shi)現裝(zhuang)夾(jia)(jia)(jia)、拆卸快速(su)方便。變(bian)(bian)位(wei)(wei)(wei)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)控制采用PLC控制，加裝(zhuang)旋轉編(bian)碼器組(zu)成半閉環系統(tong)(tong)，可精確(que)定(ding)位(wei)(wei)(wei)、復(fu)位(wei)(wei)(wei)，可實(shi)現和(he)焊(han)(han)接(jie)操作(zuo)(zuo)機(ji)(ji)(ji)(ji)聯控，組(zu)成蝶閥(fa)大(da)型(xing)自動焊(han)(han)接(jie)系統(tong)(tong)。

    3.焊接操作機的結構設計

    焊接操作機的主體結構采用時代公司TZ4型標準結構，主要是根據蝶閥的焊接位置（見圖4）和焊接空間（見圖6）對操作機的橫梁和機頭進行針對性設計。生產現場閥板的最大直徑為4m，閥板加強筋按等邊三角形排列，最小邊長為650mm。從而可見，空間狹小是橫梁和機頭設計的主要限制條件。焊接操作機采用雙機頭結構（見圖7），一側懸掛CO₂氣體保護焊機頭（左側），一側懸掛埋弧焊機頭（右側）。為保證整體結構的穩定性，橫梁的截面尺寸必須得到保證（否則橫梁的下撓度會增加），所以橫梁無法直接進入閥板腔體進行焊接。CO₂氣體保護(hu)焊(han)一側采用(yong)內(nei)(nei)伸(shen)縮臂(bei)(bei)的結(jie)(jie)構(gou)形(xing)式，焊(han)接行(xing)走不(bu)靠橫梁行(xing)走，依靠內(nei)(nei)伸(shen)縮臂(bei)(bei)的進給(gei)來實(shi)現，有效行(xing)程為(wei)4m。埋弧(hu)焊(han)一側由于(yu)有焊(han)劑回收裝置，不(bu)能采用(yong)內(nei)(nei)伸(shen)縮臂(bei)(bei)結(jie)(jie)構(gou)，所以采用(yong)了(le)加長臂(bei)(bei)結(jie)(jie)構(gou)，焊(han)接時(shi)，只有加長臂(bei)(bei)部分伸(shen)入到工(gong)件內(nei)(nei)部。

圖(tu)4 閥體的最大(da)翻轉(zhuan)角度

圖5 變位機的整(zheng)體結構

圖6 閥板示意

圖7 操(cao)作機設計效(xiao)果(guo)

    圖(tu)4所示閥(fa)體由于兩個(ge)法(fa)蘭(lan)盤的(de)(de)間(jian)距(ju)有(you)限，同時機頭本身(shen)還有(you)一些附屬(shu)的(de)(de)跟蹤設備(bei)，占據一些空間(jian)，所以要(yao)實(shi)現法(fa)蘭(lan)內外環縫的(de)(de)焊接，通(tong)過加裝三級(ji)合葉將機頭調整到和焊縫平行的(de)(de)角度，同時也(ye)滿足機電跟蹤的(de)(de)位置需(xu)求。    

    4.控制系統及監控系統      

    自動焊接系統的控制系統和監控系統都集成在一個控制平臺上（見圖8），控制系統主要完成對焊接操作機、變位機、焊接電源、焊接機頭拖板及焊接過程的參數設置、動作控制和參數調節。為便于現場的操作，同時設計一個手持控制器供用戶使用。在焊接蝶閥筋板時，焊接區域在可視范圍外，焊接路線和焊接狀態不確定，因此本自動焊接系統特別設計了焊縫跟蹤和監控系統。對于埋弧焊機頭（見圖9），軌跡跟蹤采用的是機電跟蹤的方法，機械探頭沿坡口移動，行走出現偏差，通過電動拖板實現微調。由于埋弧焊沒有弧光，焊接過程監控采用的是普通工業攝像頭（自然光），監控攝像頭前端安裝工業照明燈予以光線補償。對于CO₂氣體保護焊機頭（見圖10），軌跡跟蹤也是采用機電跟蹤的方法。由于普通工業攝像頭（自然光）無法滿足CO₂氣(qi)體保護(hu)焊(han)(han)熔(rong)池監控(kong)的要(yao)求(qiu)，所以需要(yao)特別設(she)計(ji)一套焊(han)(han)接熔(rong)池監控(kong)裝(zhuang)置(zhi)。本(ben)裝(zhuang)置(zhi)由(you)(you)高速攝像(xiang)頭、鏡頭、光學(xue)濾(lv)鏡和(he)棱(leng)鏡等幾部分組(zu)成（見(jian)圖(tu)11）。由(you)(you)于自動焊(han)(han)系統控(kong)制線(xian)長度超過20m，所以為了減少焊(han)(han)接干擾的影響(xiang)，數據線(xian)采用網(wang)線(xian)模式。自主設(she)計(ji)的焊(han)(han)接熔(rong)池監控(kong)裝(zhuang)置(zhi)解決(jue)了觀(guan)(guan)(guan)測視角問題(ti)，也(ye)保證了狹小空間的物距要(yao)求(qiu)。調試(shi)結(jie)果表明，本(ben)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)以過濾(lv)焊(han)(han)接弧(hu)光的干擾，視野(ye)足(zu)夠(gou)大，可(ke)清楚觀(guan)(guan)(guan)察焊(han)(han)接熔(rong)池狀態，能夠(gou)清晰(xi)觀(guan)(guan)(guan)測到焊(han)(han)絲(si)和(he)工件。

圖8 控制平臺

圖9 埋弧焊機(ji)頭部分(fen)

圖10 CO₂氣體保護焊機頭部分

圖(tu)11 熔池監控裝(zhuang)置

    四、自動焊系統的現場應用

    蝶(die)閥自(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)接系統(tong)調(diao)試完成后(hou)，即在(zai)實(shi)際生產(chan)中(zhong)開始應用（見圖(tu)12）。首先變位(wei)機通過(guo)了35t實(shi)際工(gong)件的(de)負載試驗，可以(yi)實(shi)現0°～135°任意角度翻(fan)轉，翻(fan)轉和回(hui)轉平穩(wen)，在(zai)135°角度工(gong)件裝(zhuang)夾(jia)安全(quan)可靠。自(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)系統(tong)的(de)兩側機頭都可以(yi)順利通過(guo)最小腔體并(bing)且(qie)穩(wen)定(ding)焊(han)(han)(han)接。機電(dian)跟蹤系統(tong)能夠準(zhun)確定(ding)位(wei)運(yun)動(dong)軌跡，調(diao)節平穩(wen)，不會造(zao)成撞槍等事故。熔池監控圖(tu)像(xiang)清(qing)晰，能夠準(zhun)確判斷CO2氣體保護(hu)焊(han)(han)(han)的(de)電(dian)弧狀態。使用蝶(die)閥自(zi)動(dong)焊(han)(han)(han)接系統(tong)，焊(han)(han)(han)縫成形和焊(han)(han)(han)接質(zhi)量得(de)到(dao)保障（見圖(tu)13），焊(han)(han)(han)接效率提升50%以(yi)上。

圖12 設備工(gong)作照(zhao)片

圖(tu)13 閥體和(he)閥板焊后半成品(pin)照片(pian)

    五、結語

    （1）詳細分析了蝶閥(fa)焊(han)接的(de)特(te)點(dian)，為實現蝶閥(fa)的(de)自(zi)(zi)動(dong)化焊(han)接，提(ti)出了焊(han)接工(gong)藝和自(zi)(zi)動(dong)焊(han)接設備方面需要(yao)重(zhong)點(dian)解決的(de)問題。

    ;（2）研制了大型焊(han)接變位機，能夠適(shi)應多種型號蝶閥的(de)(de)(de)閥體和閥板的(de)(de)(de)安裝和固定，能夠滿足大翻轉(zhuan)角度下的(de)(de)(de)安全設計要求。

    ;（3）操(cao)作機的(de)機頭設計既(ji)滿足閥板狹小空間的(de)焊(han)接要求(qiu)(qiu)，又能實現(xian)閥體環縫的(de)焊(han)接姿態的(de)要求(qiu)(qiu)。

    （4）自主設計的焊接熔池監控裝置獲得很好的CO2氣體保護焊熔池的圖像，熔池周圍的參照物圖像清晰，可實現CO₂氣體保護焊焊接過程監(jian)控的(de)指標要求。