研究設計了滿足不同型號蝶閥的閥體和閥板的自動焊接系統。對不同型號蝶閥的結構和焊接位置進行了分析，提出了實現蝶閥自動焊接的技術要點和難點。此自動焊接系統采用多種監控方法，可以滿足多種型號產品，可以實現多種焊接工藝的自動化焊接。通過實際生產中的用，大幅度提高了產品的生產效率，減輕了工人的勞動強度。

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，仍然面臨著焊接質量不穩定、焊接效率低下的問題，這主要是由閥的大結構、大板厚、大工作量等焊接特點造成的。在大型閥門的生產過程中，最重要的加工方法就是焊接。其原因除了焊接自身具有的節約材料、工藝簡單、生產周期短及適于多種類小批量生產等優點外，還因為其他加工方法在閥門生產中具有難以克服的缺點。根據閥門公司生產現場的統計，一套大型蝶閥的制造過程中，60%以上的工時是用在焊接工序上，其中損耗的人工、電能成本也占據了生產成本中的很大一部分。因此目前對蝶閥中厚板焊接工藝的研究主要是集中在高效化焊接自動化設備、工藝參數優化、接頭形式改良以及開發新的焊接方法等方面。

二、大口徑進水蝶閥的結構及焊接要求

　　1. 蝶閥的總體結構

　　蝶閥主要部件包括閥體、閥板、閥板密封、液壓驅動系統、執行系統和電氣系統等(見圖1)。閥體采用垂直分瓣，拱橋形結構，用鋼板拼焊再加工而成。閥板分為單蝶板和雙蝶板兩種結構，雙蝶板采用雙偏心雙平板框形桁架拼焊結構，具有足夠的強度和剛度。閥體和閥板是蝶閥的主要構成，也是焊接工作量最大的兩個關鍵部件。閥體是一種環形結構，焊縫形式以環角焊縫和短角焊縫為主;閥板是雙平板框形桁架拼焊結構，焊縫以長角焊縫為主。

圖1 蝶閥的結構組成

　　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氣體保護焊為主，輔以焊條電弧焊。由于蝶閥板材屬于中厚板，焊接過程中需要采用多層多道焊，所以焊接效率還是不能令人滿意。

　　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研究課題。結合蝶閥的結構特點、鋼板材料、焊接位置及焊接工藝等特點，提高焊接效率的最有效手段是開發自動化焊接設備。為滿足蝶閥的高效自動化焊接，自動焊接設備需要解決以下問題：①要滿足多種型號蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動焊接。②適應最大工件重量為35t，所有焊接位置需要調節到平焊位置或船形焊位置。③選擇的焊接方法必須具備很高的熔敷效率。④自動焊設備能夠完成90%以上規則焊縫的自動焊接。⑤針對閥板腔體內部的長角焊縫，系統具備自動跟蹤功能。⑥焊接過程穩定性及電弧狀態需要監控。

三、蝶閥高效焊接設備的研制

　　蝶閥自動焊接系統包括大型焊接操作機、重型變位機、焊接電源和控制系統。

　　1. 焊接工藝的選擇

圖2 閥體主要焊縫形式　　圖3 閥板主要焊縫形式

　　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氣體保護焊工藝，對于蓋面焊道，更多地采用埋弧焊工藝。

　　2. 蝶閥固定及位置調整變位系統的設計

　　考慮到要滿足多種型號蝶閥的閥體和閥板的裝夾和自動焊接，并且要求所有焊接位置要處于水平或船形焊位置，焊接變位機的設計具有很大技術難度。首先確定變位機的承載重量，用戶產品的最大單體工件重量為32t，變位機設計的最大承重量為35t，工作臺面直徑為6.4m。為保證閥體上法蘭盤角焊縫焊接處于船形焊位置，變位機最大翻轉角度需要達到135°(見圖4)。

圖4 閥體的最大翻轉角度　圖5 變位機的整體結構

　　當工件處于圖4位置，回轉工作臺T型槽和緊固工裝將承受很大的拉力，因此工作臺面和夾具也是設計的重點工作。為保證變位機的翻轉和回轉的平穩，翻轉采用雙扇型齒板，雙電動機驅動(見圖5)，回轉亦采用對稱排列的雙驅動結構。翻轉和回轉均設有機電雙重鎖定保護，確保各種工作變位狀態和失電狀況均能確保安全。標準機床的夾具無法滿足用戶現場的使用和安全要求，我們對緊固螺栓的螺距、夾持體都

　　進行了很多改進。新設計的變位機夾具確保了受交變力作用下，夾具均能滿足用戶提出的定位及夾緊要求，實現裝夾、拆卸快速方便。變位機的控制采用PLC控制，加裝旋轉編碼器組成半閉環系統，可精確定位、復位，可實現和焊接操作機聯控，組成蝶閥大型自動焊接系統。

　　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氣體保護焊一側采用內伸縮臂的結構形式，焊接行走不靠橫梁行走，依靠內伸縮臂的進給來實現，有效行程為4m。埋弧焊一側由于有焊劑回收裝置，不能采用內伸縮臂結構，所以采用了加長臂結構，焊接時，只有加長臂部分伸入到工件內部。

　　圖4所示閥體由于兩個法蘭盤的間距有限，同時機頭本身還有一些附屬的跟蹤設備，占據一些空間，所以要實現法蘭內外環縫的焊接，通過加裝三級合葉將機頭調整到和焊縫平行的角度，同時也滿足機電跟蹤的位置需求。

　　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氣體保護焊熔池監控的要求，所以需要特別設計一套焊接熔池監控裝置。本裝置由高速攝像頭、鏡頭、光學濾鏡和棱鏡等幾部分組成(見圖11)。由于自動焊系統控制線長度超過20m，所以為了減少焊接干擾的影響，數據線采用網線模式。自主設計的焊接熔池監控裝置解決了觀測視角問題，也保證了狹小空間的物距要求。調試結果表明，本裝置可以過濾焊接弧光的干擾，視野足夠大，可清楚觀察焊接熔池狀態，能夠清晰觀測到焊絲和工件。

四、自動焊系統的現場應用

　　蝶閥自動焊接系統調試完成后，即在實際生產中開始應用(見圖12)。首先變位機通過了35t實際工件的負載試驗，可以實現0°～135°任意角度翻轉，翻轉和回轉平穩，在135°角度工件裝夾安全可靠。自動焊系統的兩側機頭都可以順利通過最小腔體并且穩定焊接。機電跟蹤系統能夠準確定位運動軌跡，調節平穩，不會造成撞槍等事故。熔池監控圖像清晰，能夠準確判斷CO2氣體保護焊的電弧狀態。使用蝶閥自動焊接系統，焊縫成形和焊接質量得到保障(見圖13)，焊接效率提升50%以上。

五、結語

　　(1)詳細分析了蝶閥焊接的特點，為實現蝶閥的自動化焊接，提出了焊接工藝和自動焊接設備方面需要重點解決的問題。

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

　　(3)操作機的機頭設計既滿足閥板狹小空間的焊接要求，又能實現閥體環縫的焊接姿態的要求。

　　(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控的指標要求。