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唐山开元集团助力建成国内首个钻井平台智能焊接车间

2016-05-18 11:24:29 我要评论(0) 字号:T | T
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2016年4月8日,由唐山开元集团成员企业开元特种焊接设备有限公司(简称开元特焊)等参与的振华重工国家智能制造装备发展专项海上钻井平台装备制造智能化焊接车间项目通过预验收。这是国家首个海工装备制造智能化...

2016年4月8日,由唐山开元集团成员企业开元特种焊接设备有限公司(简称开元特焊)等参与的振华重工国家智能制造装备发展专项“海上钻井平台装备制造智能化焊接车间”项目通过预验收。这是国家首个海工装备制造智能化车间,实现了数字化设计、机器人自动化焊接、厚板高效化焊接、信息化的车间管理,构建了一种大型结构件智能化焊接车间生产模式。

开元特焊承担了齿条与半圆板内焊系统、齿条与半圆板机器人埋弧外焊系统、齿条机器人窄间隙MAG对接焊系统、窗户板窄间隙热丝TIG焊接系统及信息化管理系统的开发研制,填补了国内海工装备制造领域多项技术空白。

1、海上钻井平台智能焊接车间项目背景与意义

海上钻井平台的智能化制造装备的研制,对于支撑我国海上新能源开发、满足国家新能源战略安全的需求具有重要意义,对我国海上钻井平台装备技术及产品具有重要的推动作用。为顺应我国海工行业发展的趋势,提高海洋工程的自主配套能力,为海洋油气的规模开发提供关键支撑设备,开元特焊和上海振华重工、上海交大等单位共同申报了“海上钻井平台装备制造智能化焊接车间”项目,以排名第一的身份获得了2012年智能制造装备发展专项。

自升式钻井平台是海洋钻井平台装备的一种,平台的桩腿是在大海中安全矗立进行石油钻采的关键,其性能的优劣会直接影响到平台升降的安全和使用效果。该类平台采用三桩腿桁架式结构形式,桩腿最长200多米,齿条最厚达200多毫米,板材为Q690高强钢。桩腿板材厚,强度高,低温冲击韧性要求高,这给桩腿的焊接制造带来极大的难度。

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图1:自升式钻井平台照片

该项目以海洋能源装备自升式钻井平台桩腿实现焊接智能化制造为目标,构建一种大型结构件智能化焊接车间生产模式。以大型、厚壁构件自动化、信息化、智能化焊接为研究背景,以海上钻井平台关键部件桩腿的狭小空间自动打底焊接技术、机器人智能化埋弧焊接技术、机器人窄间隙MAG对接焊技术、窄间隙全位置热丝TIG焊接技术、信息化管理系统等为应用目标,研制相应的技术装备,为重要海洋装备的研制和批量生产提供技术支撑和保障。

开元特焊是唐山开元集团的成员企业,开元集团自1984年跨入焊接领域,专心专注、执着于焊接事业,成为目前中国最大、世界前列的焊接装备产业集团。聚集了唐山松下、唐山神钢、开元装备、开元机器人、开元特焊、开元阻焊、开元研究所、印度开元等世界一流的焊接企业群体,能为全球客户提供最优秀的焊接产品及服务。

2、关键技术及装备的研制

开元特焊依托开元集团的整体技术优势,承担了齿条与半圆板内焊系统、齿条与半圆板机器人埋弧外焊系统、齿条机器人窄间隙MAG对接焊系统、窗户板窄间隙热丝TIG焊接系统及信息化管理系统等关键技术及装备的研制,以领先的技术助力国内首个钻井平台智能化焊接车间项目。

①齿条与半圆板内焊系统

该系统采用紧凑的结构设计,可实现齿条与半圆板之间的狭窄空间内的打底焊接,采用了无衬垫自动焊接技术,突破了狭长空间作业、枪体耐热绝缘、焊接过程中自动跟踪以及质量监控等关键技术,可高效的完成桩腿内部4条焊缝的焊接。

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图2:齿条与半圆板内焊系统照片

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图3:内焊机头照片                     图4:自动化焊接

②齿条与半圆板机器人埋弧外焊系统:

该系统改变了多人同时手工电弧焊、生产率低、变形难控的传统焊接模式,采用双机器人埋弧焊接的形式,并配备了自动变位装置、自动加热系统、温度监控和变形监测系统,实现了齿条与半圆板的全自动智能焊接。焊接过程中采用激光跟踪的对焊缝进行实时调整,保证焊接质量的稳定可靠,同时通过焊接自动排列焊道功能可对输入的工件坡口参数,自动生成焊道排列顺序。焊接过程中自动调整焊枪位置,并自动调用相应的焊接参数,整个焊接过程无需操作者的干预。 通过机器人自动跟踪和排道功能可以有效降低操作者的劳动强度和对操作者技能的要求。这样就使得原来焊接工件质量由焊接人员的技能和责任心来保证变更为焊接工件质量由焊接工艺和焊接设备来保证。该项目为埋弧焊机器人在国内焊接领域的首例应用。

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图5:齿条与半圆板机器人埋弧外焊系统

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图6:埋弧焊自动排道功能

③桩腿齿条双机器人对接系统及双面双窄间隙立焊技术:

窄间隙MAG自动焊技术主要用于大厚、超厚板的自动平焊、横焊、立焊,焊接接头类型为对接焊缝。利用特种焊枪的旋转功能和摆动功能,实现窄坡口两壁的充分熔透,焊缝为一层一道焊接。窄间隙MAG焊接具有低热输入焊接,焊材消费量减低,坡口断面积小,焊接变形小,熔融不良率低的特点。

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图7:窄间隙MAG焊接原理示意图

齿条双机器人对接系统利用了窄间隙MAG的焊接特点,并结合了激光寻位技术、多道焊跟踪、弧长控制、间隙自适应等机器人智能化技术。从传统X型坡口手工电焊条焊接的方式变为双U型坡口窄间隙自动焊接,降低了焊工的劳动强度,节约了能耗75%以上,降低焊材70%的使用量,提高了10倍以上的焊接效率并且保证了产品的一次合格率。

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图8:手工电弧焊X型坡口     图9:窄间隙双U型坡口     图10:焊缝外观成型照片

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图11:齿条双机器人窄间隙MAG对接系统照片

④窗户板全位置窄间隙热丝TIG焊接系统及技术

窄间隙热丝TIG焊接技术可对厚壁工件实现10mm窄坡口的全位置焊接,通过钨极的旋转摇动使得电弧朝向坡口侧壁,将坡口两侧充分熔透。焊接过程中,对填充的焊丝提前进行加热,提高了焊接效率。在钨极摇动中,通过电极左右摇动,控制系统可通过检测钨极与熔池(高度方向)、钨极与坡口两壁(左右方向)的电弧电压,达到控制焊枪位置的目的,实现上下及左右方向的电弧自动跟踪。

 

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             图12:原理示意图  

采用窄间隙热丝TIG焊接工艺及设备,改变了传统V型坡口手工焊接的形式,可实现桩腿窗户板高强度、大厚度钢材的焊接,通过一层一道的自动焊接方式可提高焊接效率1倍以上,节省生产成本,改善焊接生产环境。

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图14:窗户板窄间隙热丝TIG焊接系统照片

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图15:工件及焊缝照片

⑤桩腿智能焊接车间的信息化管理系统:

桩腿制造车间系统从信息流、物流以及数据流三个层次的数字化实现焊接工艺设计、设备信息实时监控、工件生产信息监控、焊接数据分析与汇总等功能。

1)信息流

在各数字化装备与软件系统的支持下,可实现对桩腿智能焊接过程信息的分析与输出展示,不同环节不同时间的生产过程信息构成车间的顶层信息流,以满足对桩腿焊接过程进行实时监控的需求,信息流的输出包括工件信息、人员信息、设备信息、质量信息、焊接过程信息、电力信息、工艺信息、视频信息等方面。

2)物流

从桩腿原材料到形成最终桩腿产品所经过的各个焊接环节构成数字化车间智能焊接的物流,是智能化焊接车间的核心层。基于条形码技术、数字化焊接设备联网技术实现工件焊接过程的可视化,全程监控焊接设备运行过程。

3)数据流

焊接工艺专家系统用于进行焊接工艺设计与仿真,为产品焊接过程提供数据源与制造依据;焊接生产信息管理系统用于对焊接过程中的人员、物料、设备、工艺进行全面监控,自动生成焊接工时、焊材消耗、超规范焊接记录等定制化报表信息;车间三维仿真系统用于真实再现桩腿制造的全车间设备运行状态的俯瞰图;车间视频监控信息用于实时监控设备的真实运行状况,有效保证生产现场的安全规范操作;电力运维监控系统收集生产过程用电能耗数据,提高企业现有供能设备的效率,实现节能增效、高效生产。

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图17:信息化系统数据统计分析界面

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图18:信息化系统数据监控界面

3、结论

钻井平台智能制造车间通过对狭小空间自动打底焊接技术、机器人智能化埋弧焊接技术、机器人窄间隙MAG对接焊技术、窄间隙全位置热丝TIG焊接技术、信息化管理系统的应用,大大缩短平台桩腿的生产周期,提高焊接生产效率,新的生产方式带来了全新的生产管理模式,实现了无人车间、绿色车间、低碳车间,降低能源和焊材等消耗,大大降低成本,减少工人劳动强度。而且特别突出的是,焊接制造质量稳定可靠,减少返修。

该项目的成功实施对于提高我国重要海洋工程装备的焊接效率和质量,增进我国海洋工程装备的制造水平,缩短重要海洋工程装备的研制周期,有重要的现实意义,将为我国海洋工程装备制造技术的跨越式发展奠定基础。

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