如何做好壓力容器焊接自動(dòng)化的技術(shù)

■文/劉鑒方

如何做好壓力容器焊接自動(dòng)化的技術(shù)

■文/劉鑒方

目前，壓力容器廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、制藥、煤炭等行業(yè)。以下簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外壓力容器制造過(guò)程中焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，探望了壓力容器制造過(guò)程中焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景。

隨著時(shí)代的發(fā)展，壓力容器產(chǎn)品涉及航天、電力、化工、醫(yī)藥等諸多行業(yè)，其質(zhì)量是否合格、是否安全可靠運(yùn)行直接影響著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展與人民的生活水平，壓力容器廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、制藥、煤炭等行業(yè)。提高其焊接質(zhì)量和機(jī)械自動(dòng)化水平對(duì)壓力容器乃至整個(gè)焊接行業(yè)都具有十分重要的意義。焊接領(lǐng)域影響著自動(dòng)化技術(shù)、材料科學(xué)、環(huán)境、無(wú)損檢測(cè)、機(jī)械與腐蝕等多門學(xué)科。而焊接自動(dòng)化技術(shù)是焊接領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，對(duì)實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)控制具有重要意義。對(duì)于壓力容器來(lái)說(shuō)，焊接自動(dòng)化技術(shù)主要分為硬件和軟件兩方面。硬件主要指壓力容器自動(dòng)焊接設(shè)備和方法；軟件主要指計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及信息技術(shù)等進(jìn)入壓力容器焊接領(lǐng)域而形成的焊接控制技術(shù)、人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)等。

自動(dòng)焊接設(shè)備

在壓力容器的焊接生產(chǎn)過(guò)程中往往涉及到多種自動(dòng)焊接設(shè)備，如：電渣焊機(jī)、埋弧焊機(jī)、氣體保護(hù)焊機(jī)（CO2焊機(jī)和氬弧焊機(jī)等）、等離子焊機(jī)等。我國(guó)壓力容器焊接自動(dòng)化技術(shù)起始于20世紀(jì)五、六十年代，到目前為止取得了很大的成就。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)和半自動(dòng)焊機(jī)已占焊機(jī)總量的20.55%，MIG/MAG焊機(jī)年增長(zhǎng)63.12%，TIG焊機(jī)年增長(zhǎng)19.24%，埋弧焊機(jī)年增長(zhǎng)135.36%。逆變焊機(jī)作為一種新技術(shù)和新工藝，具有優(yōu)良的焊接性能和電氣性能，適用于各種不同的弧焊方法和壓力容器多位置焊接。美國(guó)、日本逆變焊接的應(yīng)用程度已達(dá)到30%，而我國(guó)的逆變焊機(jī)已經(jīng)發(fā)展到第三代產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)壓力容器行業(yè)的應(yīng)用前景是十分樂觀的。如：東方鍋爐廠、海擎重工機(jī)械有限公司、蘭州石油化工機(jī)械廠等已將TIG、CO2逆變焊機(jī)等用于鍋爐、壓力容器的全位置焊接。在20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)已研制出多頭埋弧自動(dòng)焊和多頭MAG自動(dòng)專用焊機(jī)，目前國(guó)內(nèi)已有十多家單位使用國(guó)產(chǎn)模式水冷壁專用焊機(jī)?，F(xiàn)代焊接機(jī)器人尤其是弧焊機(jī)器人作為典型的程序控制柔性焊接系統(tǒng)，具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在壓力容器焊接領(lǐng)域受到高度重視。柔性焊接機(jī)器人隨著其價(jià)格不斷降低將在我國(guó)推廣應(yīng)用，成為焊接設(shè)備的微機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。除此之外，一些工藝設(shè)備的改進(jìn)，如：液壓封頭筒體對(duì)裝設(shè)備、萬(wàn)向焊接轉(zhuǎn)臺(tái)、小直徑筒體縱縫環(huán)縫自動(dòng)焊裝置等，在很大程度上也提高了壓力容器焊接自動(dòng)化程度。

自動(dòng)化焊接方法

埋弧自動(dòng)焊是目前壓力容器焊接的主要工藝方法，應(yīng)用于封頭拼板焊縫、筒節(jié)縱環(huán)焊縫等，使焊接過(guò)程的自動(dòng)化和機(jī)械化成為現(xiàn)實(shí)。但目前國(guó)內(nèi)埋弧自動(dòng)焊的控制系統(tǒng)大多仍采用簡(jiǎn)單的模擬電路，整體性能有待進(jìn)一步提高。堆焊技術(shù)主要用于厚壁壓力容器的焊接，其中帶極埋弧堆焊由于母材熔深淺且較均勻，對(duì)工件表面質(zhì)量要求低，成為國(guó)內(nèi)外壓力容器內(nèi)壁堆焊的主要方法。最近研制出的高速帶極堆焊法，與帶極埋弧堆焊相比，堆焊層邊界晶粒細(xì)小，雜質(zhì)含量低，是一種經(jīng)濟(jì)性較好的堆焊方法。窄間隙焊接技術(shù)對(duì)于厚壁壓力容器可進(jìn)行全位置焊接，易于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化。目前，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊前預(yù)置參數(shù)、自動(dòng)穩(wěn)定焊接電壓、電流和速度，并且具有高度和橫向自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)焊接。氣體保護(hù)焊具有電弧熱量集中，熔池小，結(jié)晶快及焊接過(guò)程無(wú)熔渣等優(yōu)點(diǎn)，主要用于全位置和薄板焊接，有利于實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化。CO2焊是一種高效率焊接方法，我國(guó)石油天然氣第七建設(shè)公司從美國(guó)引進(jìn)了球罐藥芯焊絲全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，焊接熔敷效率高、速度快，改善了焊接條件。TIG焊接技術(shù)主要用于對(duì)焊縫密封性能和力學(xué)性能要求高的壓力容器，能對(duì)熔深體積和形狀進(jìn)行精確的控制，可較好地實(shí)現(xiàn)壓力容器的全位置焊接。激光自動(dòng)焊接技術(shù)由于具有極高的能量密度，其HAZ區(qū)極小的特點(diǎn)，能焊接幾乎所有的金屬，可以進(jìn)行全位置焊接，已向厚壁壓力容器焊接發(fā)展，但由于價(jià)格昂貴且設(shè)備笨重，在壓力容器的應(yīng)用前景有待觀察。

焊接控制技術(shù)

近年來(lái)焊接自動(dòng)控制技術(shù)在壓力容器行業(yè)得到了很大的發(fā)展。焊縫跟蹤是焊接自動(dòng)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)實(shí)現(xiàn)壓力容器生產(chǎn)過(guò)程的焊接自動(dòng)化意義深遠(yuǎn)。目前，應(yīng)用的焊縫跟蹤系統(tǒng)主要包括接觸式和非接觸式兩種類型。接觸靠模式跟蹤系統(tǒng)通過(guò)橫向跟蹤、縱向跟蹤和微調(diào)系統(tǒng)保持導(dǎo)電嘴和焊縫之間距離不變，實(shí)現(xiàn)環(huán)縫焊接自動(dòng)化，但有時(shí)會(huì)因坡口及焊縫的加工裝配不均勻而影響傳感器的測(cè)量精度。非接觸式跟蹤系統(tǒng)與其它學(xué)科聯(lián)系緊密，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不同程度的研究。非接觸式超聲波跟蹤傳感用到埋弧焊機(jī)上進(jìn)行對(duì)焊縫坡口檢測(cè)的焊縫跟蹤，能滿足壓力容器制造的需要，在低成本焊接自動(dòng)化具有較好的應(yīng)用前景。基于CCD視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)可以用于埋弧焊、等離子弧焊等多種焊接方法和設(shè)備中，但鑒于焊接過(guò)程的應(yīng)用環(huán)境惡劣，傳感器要受到弧光、高溫、煙塵等的干擾，使傳感器的精度、抗干擾性能和靈敏度受到不同程度影響。雖然迄今為止已研究出多種自動(dòng)跟蹤方法，但大多數(shù)還處于試驗(yàn)階段。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展和新型傳感方式的研究，焊縫跟蹤技術(shù)將會(huì)在壓力容器行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提高壓力容器焊接過(guò)程的自動(dòng)化和智能化程度。

人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)

人工智能技術(shù)在焊接過(guò)程中具有代表性的是模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和焊接專家系統(tǒng)。I11-Soo Kim等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入GMA焊接方法來(lái)預(yù)測(cè)焊接區(qū)寬度，拓寬了GMA焊接的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，美國(guó)、日本等國(guó)家相繼在工藝制定、缺陷分析、材料選擇和設(shè)備選擇等方面開展了一系列研究開發(fā)。美國(guó)Adaptive Technologies公司開發(fā)的Camtech 100和Adaptitech 1000可完成零件定位、焊接操作和質(zhì)量檢查等功能，系統(tǒng)能根據(jù)來(lái)自傳感器的光、溫度、電弧等信息，自動(dòng)調(diào)整焊接路徑、線能量、送絲速度和擺動(dòng)參數(shù)等，并可優(yōu)化多道焊參數(shù)。日本NKK公司開發(fā)的“焊接參數(shù)控制專家系統(tǒng)”可給出最優(yōu)焊接參數(shù)，以保證恒定的熔深及焊接高度。我國(guó)在這領(lǐng)域也相繼開發(fā)了不同類型的應(yīng)用軟件，其中清華大學(xué)開發(fā)的“通用型弧焊工藝專家系統(tǒng)QHWES”因其較強(qiáng)的適應(yīng)性和再開發(fā)能力而獨(dú)具特色。壓力容器焊接專家系統(tǒng)在遼寧省錦西化工機(jī)械廠和錦州重型機(jī)械廠取得良好的效果。目前國(guó)內(nèi)外已形成多種商品化產(chǎn)品，且有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

質(zhì)檢人員應(yīng)能夠具備相應(yīng)工作能力，掌握檢驗(yàn)技能與方法，針對(duì)監(jiān)檢工作特殊性，以監(jiān)檢工作關(guān)鍵環(huán)節(jié)為重點(diǎn)，嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)要求，降低事故隱患，保證特種設(shè)備安全運(yùn)行，更好地服務(wù)企業(yè)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。開發(fā)新的焊接設(shè)備與工藝方法，充分借助電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程控制系統(tǒng)的智能化、焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化以及焊接生產(chǎn)系統(tǒng)的集成化，從而使壓力容器的焊接自動(dòng)化水平提高到一個(gè)新的層次。

江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院）