國內外超長圓管堆焊技術的發(fā)展現(xiàn)狀文獻綜述1.1堆焊技術綜述堆焊技術是焊接領域的一種表面加工技術，經常使用在在石油化工和機械制造中。堆焊所消耗的材料的量非常巨大，成為了衡量一個國家堆焊實力的重要指標[8]。堆焊就是把一種具有耐磨、耐腐蝕的材料通過焊接的方式附著在被加工件的表面，使被加工件獲得本來沒有的性能。表面堆焊可以結合兩種金屬材料的優(yōu)良特性，只在表面層上堆焊需要的高性能材料，而大部分的零件只需要普通材料就可以，不僅能提高性能，還能夠壓縮生產成本。與普通的焊接相比，堆焊也有它自己的特點。堆焊屬于金屬的再制造工藝，兩種材料是熔覆結合的，具有比普通焊接強數(shù)倍的強度，二者不易分離，所以被加工零件才有良好的耐磨性[9]。在生產中，可以根據(jù)對于被加工件的需要進行選擇合適且經濟的材料進行堆焊，給加工帶來了很多可能。常用堆焊方法包括氧乙炔焰堆焊、埋弧自動堆焊、手工電弧焊。常用堆焊方法的比較如表1.1所示。隨著新的技術和資本涌入堆焊領域，一大批新的堆焊方法被研制出來。比如高效電弧堆焊、多絲焊、寬帶極堆焊、電渣堆焊、粉末等離子弧堆焊、高能束粉末堆焊等的堆焊方法都在不斷進步和提升，近十年中高能束加工也是日趨完善，其中激光堆焊獲得了十分重要的應用[10]。激光堆焊的優(yōu)勢在于能夠精準控制堆焊溫度，堆焊層厚但熱變形小，所以堆焊的質量能夠得到最大程度的保證[11]。但是激光堆焊和高能束加工最大的缺點就是其造價很昂貴，在工業(yè)生產中很難被普及，僅僅在一些需要高精度的加工中才需要使用。表1.1常用堆焊方法比較堆焊工藝一般熔敷率

(kg/h)最小稀釋率(%)最小堆焊層的厚度（mm）焊材狀態(tài)氧乙炔焰堆焊0.5~1.81~150.8棒等離子弧堆焊0.5~6.80.5~6.80.25粉末埋弧自動堆焊4.5~11.330~603.6絲手工電弧堆焊0.5~5.410~203.6棒電渣堆焊15~7510~202.4棒1.2國內圓管堆焊技術發(fā)展現(xiàn)狀我國在80年代以前的堆焊領域基本是空白，在80年代引進國外堆焊機后我國的堆焊事業(yè)發(fā)展飛速。特別是進入21世紀以后，我們已經能夠自主研發(fā)堆焊設備，可以適應多種零件和裝備的表面堆焊。目前我國明確自主研發(fā)，以中國制造2035為綱要，研制了一批自主品牌的堆焊設備，使堆焊能力大幅提升。以下是管道堆焊的發(fā)展：經歷了7個月的研制，第一重型機械廠成功研制出國內第一臺小型薄壁內壁堆焊機，實現(xiàn)了圓管內壁的自動堆焊，解決了人工堆焊質量不佳的問題[13]。哈爾濱焊接研究所率先提提出將超長圓管切割成幾段，再對這幾段圓管內壁進行自動堆焊，最后將短管焊接組成超長圓管的方法，在一定的歷史時期，這個方案具有一定的可行性，但需要經歷切割、堆焊、裝焊等多個過程，生產周期長，且焊口容易開裂[14]。當今的零件堆焊都是采用堆焊專機進行堆焊，需要加工的零件都有與其配套的堆焊專機。所以需要研制與超長圓管內壁堆焊相適應的堆焊機，雖然研制需要花費財力物力，但是堆焊效果和收益是十分可觀的。目前我國的內壁堆焊機還在設計研究中，特別是針對超長圓管內壁堆焊的研究更少[15]。超長圓管內壁堆焊機是針對超長圓管內壁堆焊而設計的焊接專機，只完成圓管內壁的堆焊任務。堆焊機能夠使圓管自主轉動，同時配合堆焊機構完成堆焊。上世紀80年代，我國的焊接裝備研制開始起步，但是生產的裝備并不理想，只能完成一些基本的加工任務，包括低自動化的焊接機構、互換性差的變位機等[16]。堆焊工作臺在我國工程機械行業(yè)，已經有了比較迅速的發(fā)展且逐漸獲得大家接受和認可，但是卻很少有專著去論述堆焊機，甚至對于堆焊行業(yè)的一些標準化定義尚未確定。目前，國內的超長圓管內壁堆焊機功能日趨完善，向著多功能、智能化方向邁進[17]。天津鼎盛集團有限公司、無錫亞幫、長沙海普有限公司等公司生產的堆焊工作臺在國內占有很大的市場[18]。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，國內的電焊機、焊接設備生產企業(yè)有40多家，其中的大部分都具能夠自主研發(fā)設計，能夠自主生產一整套自動焊接裝備，這些設備的總利潤達上億元。中國第一重型機械股份公司聯(lián)合變位機，配有伸縮式堆焊操作機，能夠使焊頭在圓管中360°轉動，但是很可惜這種變位機只有一個自由度，堆焊質量不能達到工作需求。中石化煉化工程集團股份有限公司的實用專利是一種超長圓管內壁堆焊裝置，這種裝置的回轉平臺與焊槍配合，旋轉裝置可使超長圓管與焊槍始終處于相互垂直的工作位置，保證了整個彎管內壁堆焊都處于平焊位置，即焊槍的堆焊位置始終在超長圓管的最低點，使得到的堆焊表面質量得到提升，率先應用圓管的回轉變位完成堆焊。唐山開元特種焊接設備有限公司設計了一種夾具變位機，將超長圓管夾持住，使超長圓管持續(xù)回轉，完成自動化堆焊。國內堆焊機的結構大多包括堆焊滾輪架、堆焊變位機、堆焊操作機、機頭自動跟蹤系統(tǒng)及焊劑的輸送與回收裝置等部分組成。堆焊滾輪架[19]：滾輪架是實現(xiàn)自動化堆焊的一種重要設備，其實物圖如圖1.2所示。滾輪架轉動速度就是工件的轉動速度，也就是系統(tǒng)的堆焊速度，是影響最終堆焊表面質量和效率的重要裝備。另外，在進行超長圓管內壁堆焊時，超長圓管需要在滾輪架上持續(xù)不斷的旋轉上百次。所以堆焊滾輪架要能夠在工作過程中，均勻穩(wěn)定的轉動。因為主動滾輪架和被動滾輪架的不能保證被安裝到同一個重合的平面上，并且超長圓管的外表面也并不是沒有起伏的圓柱幾何體，管的各部分中心線也不一定在一條水平線上，所以在實際加工是，圓管在滾輪架上轉動時一定會產生我們不需要的軸向或徑向位移。對于超長圓管內壁堆焊來說，為減少焊件在堆焊過程中的軸向位移，使堆焊層分布不均勻，需要增加防止軸向位移裝置。這種滾輪架和普通堆焊滾輪架相比，優(yōu)點在于加裝了能夠靈敏的感知軸向運動的位移傳感器以及和傳感器相匹配的plc系統(tǒng)和阻止位移的機構。常見的防軸向位移的機構有偏轉式、升降式和平移式三種。堆焊滾輪架不能獨立完成堆焊，需要配合操作機一起工作，才能完成對于超長圓管內壁的堆焊。因此要在滾輪架的合適位置開口，預留出滾輪架與操作機的接口。圖1.2堆焊滾輪架堆焊變位機[20]：與堆焊滾輪架一樣，需要與堆焊操作機一起工作，能夠自動堆焊形狀比較復雜的工件，比如封頭的內壁、封頭接管和90°彎管內壁等。將堆焊變位機、堆焊操作機與帶極堆焊機頭配合使用，進行超長圓管內壁的帶極堆焊。堆焊操作機[21]：在堆焊領域，主要有機械臂和操作機龍門操作機，龍門式操作機由一根大橫梁作為軌道，可以滿足重型機械的堆焊，但是體積太大，不方便操作，所以生產中常用的是伸縮臂式的堆焊操作機，其實物圖如圖1.3所示。該裝置的包括底座、立柱、橫柱，橫柱可以伸縮和旋轉，不僅能對內表面堆焊，還能堆焊外表面。伸縮臂操作機，立柱的下面與一個能夠旋轉的底座相連，能夠在360°范圍內旋轉，同時底座下面用螺栓連接小車，可以沿著導軌平移。操作機需要與被加工件相適應，才能更好的完成堆焊，生產中的堆焊操作機規(guī)格（水平位移m×豎直位移m）從4×4到10×12.5不等。焊接電源等都安裝在能夠移動的小車上，帶著整個堆焊實現(xiàn)機構平移，所以可以堆焊不同類別和形狀的零件。小車的質量要足夠大，并且要有一定的剛度，才能使堆焊手臂運動的穩(wěn)定同時對焊頭提供保護。橫梁大多是由方鋼管焊接而成的方形結構，即使是經歷長久的重力的作用以及磨損的，軌道都不產生變形和斷裂。圖1.3伸縮式堆焊操作機1.3國外圓管堆焊技術發(fā)展現(xiàn)狀國外的堆焊機設計不僅在理論上領先國內，實際的加工生產中也是遠遠超過國內水平。國外對于堆焊機研究較早的是D.W.Kim、AnatoiyPashkevicha，他們將逆運動的研究方法應用于堆焊機的設計之中[21-23]。韓國學者HoYu，Won-jongKim等研發(fā)的堆焊機有著很明顯的優(yōu)點，包括占地空間小、功能完善、同時它可以完成上下、前后、左右的移動，能夠對復雜的工件進行堆焊[24]，如圖1.4所示。圖1.4堆焊臺國外一些機械制造企業(yè)也在不斷摸索堆焊機的設計研發(fā)，如日本松下公司[25]采用模塊化的方式生產堆焊機，包括滾輪架、變位機，操作機等，同時還有各種夾具、動力機構，這些不同的模塊組合在一起，可以適應不同的加工需求，形成一套互換性極強的產品。美國的Aroson主要的業(yè)務領域是重型堆焊機，其生產的堆焊機種類豐富，能夠承受很大的載荷，回轉平臺包括翻轉結構、回轉結構，堆焊操作機也有機械臂式和軌道式。比較著名的奧地利的Frounis公司，是專門做焊接業(yè)務的企業(yè)。在堆焊機的設計制造中十分有名。生產的堆焊工作臺精度高，結構小。Compact

Cladding

Cell作為高端堆焊系統(tǒng)如圖1.5所示，僅占地4.5

m2。結構設計非常緊湊，所以可立即使用；系統(tǒng)控制器和電源之間的全數(shù)字通信，以確保最大的過程可靠性；通過伺服控制軸精確定位焊槍；在鉆孔中放置焊槍時，采用LED照明以獲得最佳可視性。圖1.5Compact

Cladding

Cell堆焊系統(tǒng)其生產的堆焊系統(tǒng)如圖1.5所示，它采用堆焊機器人在穿過超長圓管的鋼絲繩上直線運動，機器人的前端機械手回轉完成對于超長圓管內壁的堆焊工作。輸送管堆焊系統(tǒng)配置有HMI-T10系統(tǒng)控制器、ArcView視覺系統(tǒng)、液壓電纜張緊系統(tǒng)、自動化TIG針對輸送管道內管堆焊的焊槍和送絲機輸送裝置。圖1.5Frounis內壁堆焊系統(tǒng)綜上所述，在堆焊機的設計研究領域，國外的理論和加工水平都高于國內，處于領先水平。與國外相比，我國圓管內壁堆焊設備在設計理論，方法等方面還都處于發(fā)展初期，設計方法大多是借鑒國外的高水平產品，沒有自主研發(fā)的實驗環(huán)境；機械制造裝備稀缺，生產的產品精度和自動化程度都不高；真正由一家公司生產的成套產品少之又少。與國外的技術相比，我國的主要的差距在于研究設計的實驗水平低，起步較晚所以加工不高。并且我國缺少高智能的尖端產品，不能夠滿足國內化工、石油行業(yè)的需求。國外發(fā)展方向為結構緊湊、能耗少、噪聲低、效率高，大大節(jié)約了安裝、基礎和調試費用，并且不斷開發(fā)變工況條件下運行的堆焊方式。在產品設計時，國外應用許多CAD軟件和ANSYS有限元分析軟件等來模擬設計，能夠精確計算出堆焊機在正常的工作狀態(tài)下的一些指標，使新產品的開發(fā)變得容易起來。但是我國正在努力縮小這些差距，很多大學和研究所都開始著手研究堆焊機。參考文獻郭明玄.90°彎管內壁堆焊工作臺的研究與設計[D].西安建筑科技大學,2018.吳軍.耐高溫高壓閥門密封面數(shù)控堆焊機的研究[D].燕山大學,2014.楊松.鍋爐壓力容器制造常用焊接設備及焊接材料概述(上)[J].機械工人(熱加工),2007(09):28-33.凌星中,徐見平.雙金屬復合管[P].中國：CN2777320,2006-05-03.張西雷,馬慶樂.雙金屬復合管焊接工藝研究[J].焊管,2016,39(1):45-48.閆宏偉,谷文,高殿寶.圓管先堆焊后熱成形技術J].壓力容器,2014(7):70-73.屈賢良.橢圓形軌跡檢測機構及控制系統(tǒng)的開發(fā)[D].上海：上海交通大學,2013.SuwanpinijPiyada,HübnerMartin,ChoeychomPanita,ThonondaengThanaporn,SuksawatBandit,KummaParinya,LothongkumGobboon.OntheSurfaceWeldingofPearliticRails:TheControlofDilutionandMicrostructure[J].DefectandDiffusionForum,2020,5976.YangJihui,AiyitiWurikaixi,JiangHoufeng,ShanJialu,ZhangYutao.Evolutionofmoltenpoolmorphologyandpredictionofinclinedcladdinglayermorphology[J].OpticsandLaserTechnology,2021,142.王東峰.弧焊機器人螺旋槳堆焊修復技術[J].金屬加工(熱加工),2020(12):8-12.雷萬慶,楊松,楊文健.壓力容器制造行業(yè)焊接、熱處理技術的發(fā)展[J].大型鑄鍛件,2004(2):44-50.林尚揚,于丹,于靜偉.壓力容器焊接新技術及其應用[J].壓力容器,2009,26(11):1-6.邵慶忠.我國第一臺小薄壁管內壁堆焊機研制成功[J].重型機械,1988(9):25.李平.臂架翻轉設備設計及無線遙控技術應用研究[D].長沙:中南大學,2012.張見全,高頂.座式焊接變位機的改進[J].煤礦機械,2012,33(11):184-185.陳利.智能防軸向竄動滾輪架系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].蘭州理工大學,2007.李志慧.大型堆焊變位機關鍵技術研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2006.李章龍.小口徑閥門內環(huán)縫自動焊設備的研究[D].甘肅：蘭州理工大學，2011.KimDW，ChoiJS，NnajiBO.Robotarcweldingoperationsplanningwitharotating/tiltingpositioner[J].InternationalJournalofProductionResearch，1998,36(4):957-979.PashkevichAP，DolguiAB，SemkinKI.Kinematicaspectsofarobot-positionersysteminanarcweldingapplication[J].ControlEngineeringPractice，2003，11(6):633-647.FernandezK，CookGE.MethodOfAutomaticDow