基于鍋殼式鍋爐平管板的埋弧自動(dòng)化焊接工裝研究

張紅玉，劉建斌，黃宏勝，劉守君，齊明貞

（1.山東華臻重工有限公司，山東 煙臺(tái) 265500；2.中國兵器工業(yè)第202研究所，陜西 咸陽 712000；3.中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051；4.太康縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，河南 周口 461400）

0 引 言

近年來，關(guān)于自動(dòng)化的概述，已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。當(dāng)初的所謂自動(dòng)焊，實(shí)際上只是機(jī)械的焊接方法，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接分會(huì)編《焊接詞典》第3版[1]，這樣定義自動(dòng)焊：用自動(dòng)焊接裝置完成全部操作的焊接方法。美國標(biāo)準(zhǔn)[2,3]ANST/AWS3.0《焊接術(shù)語與定義》中描述自動(dòng)焊（Automatic-Welding）與機(jī)械焊（Machine Welding）的區(qū)別，就是在于焊接過程中是否需要操作者不斷對設(shè)備進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。盡管焊接過程中的一些主要?jiǎng)幼鳎梢杂蓹C(jī)械實(shí)現(xiàn)，但不能以自動(dòng)控制代替手工控制的操作只能屬于機(jī)械焊，即使在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，也為實(shí)現(xiàn)所謂真正的自動(dòng)化進(jìn)行更深的科學(xué)研究[4,5]。左傳付等人[6]論述了鍋殼式鍋爐平管板的低成本自動(dòng)化焊接，郭平等人[7]對工業(yè)鍋爐平管板和凸形管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，邢芳等人[8]研究了2.25Cr-1Mo鋼的埋弧自動(dòng)焊工藝，劉瑞祥等人[9]提出了儲(chǔ)罐橫向埋弧自動(dòng)焊焊縫裂紋的防治措施，陸冬梓[10]研究了大型鋼結(jié)構(gòu)井架埋弧自動(dòng)焊焊接工藝。

本文研究的“蛇形管”實(shí)現(xiàn)鍋殼式鍋爐平管板焊接自動(dòng)化，也是機(jī)械焊接的一種，其特點(diǎn)是：利用焊機(jī)的送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)焊絲，大大提高熔敷率，實(shí)現(xiàn)了小空間，機(jī)械設(shè)備不可達(dá)處的自動(dòng)化焊接。為鍋爐、壓力容器等制造行業(yè)提供了一項(xiàng)新技術(shù)。

1 鍋爐平管板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的難點(diǎn)

1）在鍋爐制造行業(yè)中，橢球形封頭與筒節(jié)的組對自動(dòng)化焊接比較容易實(shí)現(xiàn)，但是最后一道組合環(huán)向?qū)觾?nèi)側(cè)焊縫也很難實(shí)現(xiàn)。對于鍋爐平管板封頭與筒節(jié)的組對自動(dòng)化焊接難度就比較大，其難度在于平管板的直邊長度短，僅有100 mm左右，一端封頭實(shí)施自動(dòng)焊后，另一端最后一道內(nèi)環(huán)焊縫幾乎無法實(shí)施埋弧自動(dòng)焊焊接，因?yàn)槠錂C(jī)頭及工裝很難在管板直段狹窄空間發(fā)揮作用，如圖1所示。

采用手工電弧焊，焊工在筒體內(nèi)施工條件差，安全沒有保障，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量也很難保證。

圖1 工裝改進(jìn)前的埋弧自動(dòng)焊結(jié)構(gòu)示意圖

2）小直徑鍋爐筒體，在人無法進(jìn)入筒體操作的情況下，只能采用單面焊。單面焊要求全熔透，且背面有良好的焊縫成形，較為困難。焊接工作者采取過很多措施，也不乏有成功之作。一般看來縱縫焊接裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)焊多于內(nèi)環(huán)縫，特別是在工藝裝備條件有限的工廠，如采用焊縫跟蹤焊接裝置，不僅機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，而且鍋爐管板封頭最后一道內(nèi)環(huán)縫的焊接位置差的矛盾更顯得突出。

3）鍋爐平管板組對焊接時(shí)，一般加工過程是筒體之間內(nèi)、外縱環(huán)縫焊接完成后再組裝兩端封頭的環(huán)向?qū)雍缚p。放置于滾輪架上的筒體在焊接內(nèi)、外環(huán)縫時(shí)，縱縫的余高通過滾輪架產(chǎn)生的驟然抖動(dòng)，使自動(dòng)焊的焊縫成形變差，焊接質(zhì)量下降，與此同時(shí)加工產(chǎn)生的筒體不圓度，也使焊接電弧不穩(wěn)定而影響焊接質(zhì)量。

2 改進(jìn)工裝后的埋弧自動(dòng)焊焊接工藝

實(shí)現(xiàn)筒體全部焊接自動(dòng)化是以焊接結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求及生產(chǎn)規(guī)模為依據(jù)。在滿足焊接工藝和保證鍋爐筒體的裝配位置、尺寸精度的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到生產(chǎn)能力及改善勞動(dòng)條件，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高焊接質(zhì)量的目的。在有關(guān)技術(shù)人員及工人的配合下，通過對埋弧焊焊機(jī)的機(jī)頭送絲裝置和導(dǎo)電嘴的改裝實(shí)現(xiàn)了焊接自動(dòng)化，其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 工裝改進(jìn)后的埋弧自動(dòng)焊結(jié)構(gòu)示意圖

1）當(dāng)筒體1對裝完畢最后一道內(nèi)環(huán)縫施焊時(shí)，先將“蛇形管”2穿過煙管管板孔（必須是管板的中心孔）找準(zhǔn)焊縫位置，將“蛇形管”固定在埋弧焊機(jī)頭送絲機(jī)構(gòu)3上，然后將焊絲11通過“蛇形管”穿過焊接導(dǎo)電嘴4對準(zhǔn)環(huán)向焊接接頭的中心。再把絕緣護(hù)套8套在“蛇形管”的中間彎部位，防止“蛇形管”與煙管管板孔短路燒壞“蛇形管”和煙管管板孔，其原理方法既簡單又方便。當(dāng)滾輪架出現(xiàn)偏差，使環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)的筒體產(chǎn)生軸向移動(dòng)時(shí)，自動(dòng)焊焊工可以調(diào)節(jié)埋弧焊機(jī)頭上的微調(diào)旋鈕，使導(dǎo)電嘴焊絲對準(zhǔn)焊口的位置，保證熔池在焊接接頭的中心位置。筒體的壁厚不同和直徑大小引起的軸向偏移量、焊絲對中度也可以用埋弧焊機(jī)頭上的手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2）當(dāng)筒體重心不在兩輪中間附近，而使兩側(cè)輪承載不一致，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，筒體向較重的一側(cè)竄動(dòng)而出現(xiàn)偏移；或中間筒節(jié)縱焊縫余高通過滾輪架產(chǎn)生抖動(dòng)。關(guān)注定位指針和焊縫紅燒的軌跡，及時(shí)調(diào)節(jié)埋弧焊機(jī)頭上的微調(diào)旋鈕，避免大量偏移而引起焊縫跑偏。

3）在環(huán)縫埋弧自動(dòng)焊中，焊絲與工件的轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直中心線的相對位移，將對焊縫成形產(chǎn)生較大影響。由于筒體環(huán)縫焊接時(shí)，熔化的焊劑和金屬熔池，必將隨著工件轉(zhuǎn)動(dòng)傾向于離開電弧流動(dòng)，所以焊絲應(yīng)有與筒體轉(zhuǎn)向相反的偏移量。一般情況下，環(huán)縫埋弧焊焊絲偏移量的大小取決于焊件的直徑、焊接速度、焊接電流和電弧電壓；直徑越小，焊接速度越快，電流電壓越大，焊絲的偏移量越大；反之亦然。通過實(shí)踐得知，環(huán)縫埋弧焊焊絲偏移量可在40~70 mm之間選擇。為防止偏移量過大或過小現(xiàn)象，焊接的焊接速度，按焊接工藝參數(shù)正常選擇，從而限制了筒體來自各個(gè)方向的不利因素，起到了跟蹤作用，獲得了良好的焊接質(zhì)量。

4）焊接的引弧對焊接質(zhì)量是至關(guān)重要的。一旦引弧不當(dāng)必將造成嚴(yán)重的咬邊、燒穿或?qū)щ娮炫c工件打弧短路而中斷焊接，同時(shí)由于其他設(shè)備還在正常運(yùn)行而不能及時(shí)停止，而在引弧處出現(xiàn)帶有焊絲的焊瘤，對于它的修整，由于工作條件差，補(bǔ)焊較為困難。使用改進(jìn)過的自動(dòng)焊，焊接內(nèi)環(huán)縫最后一道平管板環(huán)焊縫裝置，我們采用劃擦引弧法，具體步驟為：先轉(zhuǎn)動(dòng)工件—焊絲慢速送進(jìn)—擦劃工件—找正焊絲位置及指針位置—焊劑送進(jìn)—起動(dòng)電源引燃電弧—正常送絲焊接。

5）由于控制箱、送絲盤設(shè)置在筒體外，焊接指針在筒體內(nèi)，所以筒體內(nèi)、外焊工操作時(shí)要配合嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)在焊接安全方面，增加了絕緣墊以保證焊工的人身安全。

3 拓 展

只要組成工件一端環(huán)縫的部件（平管板封頭、橢球形封頭、球形封頭等）中心開有能穿過“蛇形管”的孔，就以利用“蛇形管”完成環(huán)向?qū)咏宇^的內(nèi)側(cè)自動(dòng)化焊接。該工裝不僅能用于鍋殼式鍋爐平管板的自動(dòng)化焊接，而且可以用于三回程鍋殼式燃油/燃?xì)忮仩t回燃室內(nèi)環(huán)縫的自動(dòng)化焊接，以及和該結(jié)構(gòu)（圖1）相類似的壓力容器的自動(dòng)化焊接。

4 結(jié)束語

通過對鍋爐平管板最后一道內(nèi)環(huán)縫埋弧自動(dòng)焊焊接工裝的改造，解決了鍋爐筒體在有限經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下及一定的生產(chǎn)規(guī)模范圍內(nèi)一個(gè)焊接工藝難題。既經(jīng)濟(jì)合算，又能保證焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率、自動(dòng)化焊接的目的?？傊瑹o論任何工藝因素改變，只要在特定條件下相互匹配，在實(shí)際生產(chǎn)中加以修正，鍋爐平管板筒體實(shí)現(xiàn)全部埋弧自動(dòng)焊就能達(dá)到滿意效果。

[1] 吳成材.焊接詞典[M].第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)ANSI AWS D1.1/1.1M-2006鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[M].北京：北方資訊服務(wù)中心出版社，2001.

[3] AWS A3.0:2001 Standard Welding Terms and Definitions[M].USA：Document provided by IHS Licensee，2003.

[4] 楊松.鍋爐壓力容器焊接技術(shù)培訓(xùn)教材[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5] 王文瀚.焊接技術(shù)手冊[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[6] 左傳付，王志宏.鍋殼式鍋爐平管板的低成本焊接自動(dòng)化[J].金屬加工(熱加工)，2009（10）：39-40.

[7] 郭平，俞樹榮，王宏建.工業(yè)鍋爐平管板和凸形管板結(jié)構(gòu)的有限元分析比較[J].工業(yè)鍋爐，2008（1）：11-14.

[8] 邢芳，劉斌，王亮，等.2.25Cr-1Mo鋼的埋弧自動(dòng)焊工藝研究[J].煉油與化工，2010（1）：31-33,59.

[9] 劉瑞祥，張德文，程鐵軍，等.儲(chǔ)罐橫向埋弧自動(dòng)焊焊縫裂紋的防治措施[J].石油工程建設(shè)，2010（4）：44-46.

[10] 陸冬梓.大型鋼結(jié)構(gòu)井架埋弧自動(dòng)焊焊接工藝探討[J].科技風(fēng)，2011，9（上）：39-40.