近年来，钛材因其在海水和大部分酸碱盐介质中具有优良的耐腐蚀性能，正在大量被应用于有耐腐蚀性要求的两碱、 PTA 等化工装备管道上。而由于钛材在焊接过程中，250℃开始吸氢、400℃开始吸氧，600℃开始吸氮，并且其吸收能力是随温度的升高而提高的。当钛材吸收一定数量的氢、氧、氮等杂质时，它的屈服强度、延伸率等机械性能会大幅下降， 焊缝变脆，在焊接应力下易产生冷裂纹。在现场施工中一般采用搭建临时防风保温棚，使焊接场所保持清洁，并保证一定的风速和环境温度，这给焊接施工带来诸多不便。目前， 对于碳钢、不锈钢等材质管道的工厂化预制和自动焊接技术的应用已经很普遍了，但绝大部分的钛材管道焊接技术仍然还停留在施工现场手工作业上，很大程度上影响着生产效率和焊缝质量。因此，对钛材管 - 管、管法兰工厂化预制自动焊接技术应用的研究具有十分重要的意义。

1、钛管 - 管、管 - 法兰焊接结构及工艺特点

本文所设计的焊接系统所针对的管 - 管焊接指的是管 - 管、管 - 弯头、管 - 三通、管 - 异径管、管 - 偏心管等对接接头的焊接；管 - 法兰焊接接头为搭接，由内角焊缝和外角焊缝组成。其结构形式如图 1 所示。

按照焊接接头的结构特征，焊缝均为环焊缝。目前有两种焊接形式，一种是管子转动的全位置焊接形式，另一种是管子不动的近似平位置焊接方式。由于近似平位置焊缝不仅能使焊缝成形好、焊接质量稳定，也更有利于应用自动焊接技术，所以一般采用管子转动的近似平位置焊接方式。

钛及钛合金焊接过程中，在一定温度下易受氢、氧、氮等气体污染而致使焊接接头出现脆化、气孔等现象，因此在钛及钛合金焊接中对热影响区域应充满高纯度的氩气，一般工艺均采用氩气保护拖罩装置。

2、自动焊接中心的设计

2.1 焊接方法的选择

钛及钛合金传统的焊接方法以钨极氩弧焊（TIG 焊）为主。

而近年来等离子弧与钨极氩弧复合焊（P+T）技术因其在保证单面焊双面成形的同时具有高效率、低的焊接成本、良好的焊缝质量得到了广泛的应用。由于等离子电弧穿透能力强， 板厚 8mm 以下不用开坡口，不仅省去了坡口加工时间还可以节省焊丝量，同时双枪焊接可使生产效率得到大幅提高，等离子弧焊可达到单面焊双面成形的效果，并且 P+T 焊接的热影响区小，焊缝晶粒度小，焊接接头质量优良。P+T 焊接技术在本公司大口径钛及钛合金直缝焊管生产线上已得到成功应用，焊缝成形美观、焊接接头质量完全满足 NB/T47013.2 的 100%RT 检测Ⅱ级要求。在本文研究的钛管 - 管、管 - 法兰自动焊接中心仍采用 P+T 焊接技术。

2.2 操作机设计

对于预制管道的生产，焊接中心应考虑一次装夹，管子的两端均能施焊。所以，操作机设计为两台各配置有焊枪的臂式操作机，底部设置移动台车，布置在滑轨上可沿管子轴向移动，以适应不同管子长度，并可同时对管子两端的焊缝进行施焊。

臂式操作机包含有自动弧压跟踪系统、焊头摆动集成装置、整机电气控制系统、激光焊缝跟踪系统等主要系统。

自动弧压跟踪系统，采用全闭环反馈及计算机控制技术实现焊接过程中的自动弧压跟踪功能。焊头摆动集成装置， 实现焊枪沿焊缝方向左右摆动，改善焊缝成型和提高生产效率。整机电气控制系统采用可编程控制器作为主控单元和触摸式人机操作界面，焊接速度、工件直径等参数可在控制面板上集中输入、调整，控制系统能满足焊接工艺要求的焊接速度、焊枪提升等参数调整要求。激光视觉跟踪传感器安装在焊枪运动的前方，完成焊缝的识别和偏差的提取，传给运动控制系统，组成激光焊缝跟踪系统，亦可手动二维托板调节激光视觉跟踪传感器与焊枪间的位置关系，由于工件的焊接工艺的特殊性，第一道跟踪为实时焊接跟踪；第二道盖面为第一道的焊缝数据采样跟踪（和第一道的焊缝轨迹（左右） 一样的轨迹跟踪）。

2.3 管子装夹回转装置设计

对于管子装夹回转装置，一般常用滚轮架的形式，也有带夹紧的回转装置。考虑到有三通、弯头等工件存在一定的转定惯量的特点以及滚轮架本身存在的易窜动、跑偏的缺点， 本文研究的钛及钛合金管 - 法兰、管 - 管焊接中心采用夹紧回转的形式，即主驱动回转端设置夹紧机构，而从动端为轴向自由的滚轮架形式，如图 2 所示。

为满足一次装夹的装卸便捷，专门设计开发了一套基于开口形式的夹紧回转装置。如图 3所示，由于回转体为开口形式，其传动设置了两个蜗轮蜗杆啮合，以保证其中一个处于开口位置时另一个仍处于啮合状态。减速器输出端的传动采用了两对锥齿，改变了传动轴方向并同时保证了两个蜗杆相对涡轮回转体的旋转方向。因回转体开口，设计了专门的滚动支撑体（图 3），滚动支撑体采用 V 型铁形式，保证了回转体轴向和径向限制，在 V 型口与回转体接触面设置了圆柱滚动体，从而形成滚动支撑。在回转体圆周上设置 5 个滚动支撑，保证了不因回转体开口而失去径向限制作用。

2.4 管内壁氩气保护（背气保护）装置

针对管- 管（管件）焊接工序，背气保护一般有两种形式： 手工作业、悬臂形式。手工作业的形式是人工手持拖罩在管内进行气体保护作业，其一般适用于施工现场较大口径的手工焊接作业。悬臂的形式是在悬臂上安装拖罩，将悬臂伸入管内至焊缝处，管子转动，悬臂固定不动。针对自动焊接中心来说，悬臂形式更适用，但对弯头管件焊接时，悬臂会很长，甚至如果管子两端都有弯头时，悬臂形式就无法使用了。为此，我们考虑采用管道爬行机器人的形式来实现背气保护作业。爬行机器人采用沿管径向辐射状布置若干可调节伸出长度的滚轮，在管内爬行至焊缝位置后撑紧管内壁，在机器人上安装有可绕管子轴心旋转的拖罩装置，与管子旋转方向相反，其转速反馈与管子转速比较，形成闭环控制，以保证拖罩与焊头相对静止。

3、结语

本文针对钛及钛合金管 - 管、管 - 法兰等工厂预制化生产中焊接工序实现自动焊接，通过焊接工艺方法的选择， 焊接操作机和夹紧回转装置的设计中心的研究与开发，以及对控制系统、焊缝跟踪系统等的选型，设计集成了适用于钛及钛合金管道工厂预制化焊接中心。通过对焊接接头的无损检测、力学性能试验、金相分析等试验，焊接接头满足GB50235《工业金属管道工程施工及验收规范》、GB50236《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》、SH3502《钛管道施工及验收规范》等规范。仍需解决的问题：由于回转体为开口形式，夹紧装置又须置于回转体上，在回转过程中难以实现动力源（气、液压油或电）的不间断输入，目前无法实现自动夹紧。

参考文献：

[1]梁晖 . 钛及钛合金 P+T 焊接技术（C）. 钛锆铪分会 2015 年年会论文集 .2015.

[2]蒋激扬 . 探索管道自动化焊接新技术的研发与应用（J）. 焊接技术 .2013.5.

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