WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)在換熱器中的應(yīng)用

董　研，高　磊，王東麗，王　娜

（撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧撫順113122）

WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)在換熱器中的應(yīng)用

董研，高磊，王東麗，王娜

（撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧撫順113122）

介紹WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)的用途、結(jié)構(gòu)和操作程序。該焊機(jī)主要由龍門式焊機(jī)操作架、特殊設(shè)計(jì)的焊機(jī)機(jī)頭、IGBT逆變控制直流脈沖電源、基于PLC的控制系統(tǒng)四部分組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、工作可靠、焊接質(zhì)量好等特點(diǎn)。采用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)對(duì)換熱器中不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)的管-管板接頭進(jìn)行焊接工藝研究，獲得了合理的焊接工藝參數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，滿足了煉油系統(tǒng)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的需求。

WZM-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)；換熱器；管-管板接頭；焊接工藝

0　前言

管殼式換熱器在電力、冶金、石油和化工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛，每臺(tái)換熱器的管-管板焊接接頭數(shù)量少則幾十個(gè)，多則數(shù)千個(gè)，傳統(tǒng)的手工鎢極氬弧焊已經(jīng)不能滿足需求，而換熱管與管板的焊接是換熱器制造的關(guān)鍵工序之一，因此發(fā)展高效率、高質(zhì)量的焊接技術(shù)勢(shì)在必行。本研究采用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)的管-管板接頭進(jìn)行焊接工藝研究，獲得了合理的焊接工藝參數(shù)，可以用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1　WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)

1.1用途

WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)由武漢星光石油化工設(shè)備有限公司生產(chǎn)，是為我國(guó)電站鍋爐、石油、化工、原子能、造船和輕工業(yè)中熱交換器生產(chǎn)而研制的專用設(shè)備，主要用于管-管板焊接。本設(shè)備適用于碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金等金屬的全位置焊接。

1.2焊機(jī)結(jié)構(gòu)

焊機(jī)由焊機(jī)操作架、焊機(jī)機(jī)頭、焊接電源、控制系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。

圖1　WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)

1.2.1焊機(jī)操作架

焊機(jī)操作架采用龍門式結(jié)構(gòu)，可通過(guò)六軸精確定位。機(jī)頭裝在龍門架的橫梁上，可沿橫梁作水平方向移動(dòng)，橫梁可做垂直方向的升降運(yùn)動(dòng)。

1.2.2焊機(jī)機(jī)頭

焊機(jī)機(jī)頭由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，能在水平面上做左右180°旋轉(zhuǎn)，便于操作時(shí)鎢極和焊絲的更換，工作可靠。

1.2.3焊接電源

采用中外合資唐山松下機(jī)器有限公司生產(chǎn)的IGBT逆變控制直流脈沖電源，電弧電流為脈沖波形，各參數(shù)均可單獨(dú)設(shè)定，焊接時(shí)電流分八段：每段分基值和峰值，八段可設(shè)置一樣的參數(shù)，也可設(shè)置不一樣的參數(shù)。脈沖電流使得熔池易于控制，熔寬和熔深均勻一致，成形美觀，焊接質(zhì)量可靠。

1.2.4控制系統(tǒng)

采用西門子公司生產(chǎn)的可編程控制器（PLC），配以其生產(chǎn)廠家自主設(shè)計(jì)編寫的軟件，焊接參數(shù)通過(guò)觸摸屏設(shè)置。整個(gè)焊接過(guò)程根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和工藝規(guī)范自動(dòng)進(jìn)行，直接在觸摸屏上顯示，自動(dòng)化程度高。而且該焊機(jī)具有81套程序存儲(chǔ)，相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，操作方便。

1.3焊接操作程序

焊接操作程序如圖2所示。

圖2　操作程序

1.4WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)焊接特點(diǎn)

1.4.1全位置焊接

管-管板接頭在進(jìn)行自動(dòng)化焊接時(shí)必然有平焊、仰焊、上坡焊和下坡焊，即全位置焊接（見(jiàn)圖3），焊接過(guò)程中熔池金屬會(huì)受到重力、電弧吹力和表面張力的綜合作用并隨焊接位置的變化而不斷改變，直接影響焊縫成形[1-8]，這是管-管板接頭自動(dòng)焊工藝的難點(diǎn)之一。WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)能解決這個(gè)問(wèn)題，因其采用直流正接的脈沖焊方式，焊接開(kāi)始階段焊接電流上升到設(shè)定值后，電流以脈沖的方式進(jìn)行焊接，峰值電流階段熔化金屬，基值電流階段維持電弧穩(wěn)定燃燒，最后焊接電流下降到零，焊接工作結(jié)束。此設(shè)備焊接產(chǎn)品時(shí)，熔池深而窄，電弧穩(wěn)定，熱影響區(qū)小[9]。

圖3　管頭全位置焊接

1.4.2重疊角焊接

管-管板接頭自動(dòng)焊工藝的另一個(gè)難點(diǎn)就是焊接電流的變化過(guò)程要與機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)相互配合。引弧成功后，進(jìn)入電流上升階段，同時(shí)啟動(dòng)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入正常焊接階段，機(jī)頭旋轉(zhuǎn)一周后到達(dá)起弧位置。但由于最開(kāi)始的一段焊縫是在電流上升階段成形的，成形效果不理想，需繼續(xù)焊接，此時(shí)進(jìn)入電流下降階段，利用電流下降階段對(duì)電流上升階段的焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，改善成形，至此整個(gè)焊接過(guò)程結(jié)束，機(jī)頭停止旋轉(zhuǎn)。因此，使用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)焊接管-管板接頭時(shí)機(jī)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要大于一周，即形成一個(gè)重疊角（見(jiàn)圖4），以保證焊縫成形良好。

2　管-管板接頭焊接形式

WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)焊接管-管板接頭時(shí)，常用的焊接形式主要有角焊縫、平焊縫、內(nèi)縮焊縫及減應(yīng)力槽四種，如表1所示。

圖4　重疊角焊接

表1　管-管板接頭焊接連接常用的結(jié)構(gòu)形式

3　管-管板接頭常用材料焊接注意事項(xiàng)

3.1碳素鋼及低合金鋼

碳素鋼及低合金鋼換熱器生產(chǎn)過(guò)程中常用的換熱管材質(zhì)為10＃碳素鋼，管板材質(zhì)為16MnⅢ低合金鋼，焊接時(shí)要控制熔合比，需焊前清理，焊接過(guò)程中注意控制層間溫度不大于250℃。

3.2不銹鋼

不銹鋼換熱器生產(chǎn)過(guò)程中，換熱管與管板常用材質(zhì)為S30403，由于容易滲碳，所以需將工件單獨(dú)放置，與碳素鋼隔離。焊接時(shí)需采用小線能量、小電流、快速焊，控制好熔池溫度，以防止氧化。焊接前注意清理，保護(hù)氣體氬氣的純度在99.9％以上，焊接過(guò)程中注意控制層間溫度不大于150℃。

3.3碳鋼/低合金鋼與不銹鋼

制造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到換熱管材質(zhì)為不銹鋼，管板材質(zhì)為低合金鋼，即異種鋼管頭焊接，如換熱管為S30408，管板為16MnⅢ，此種結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)裂紋缺陷，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：（1）在焊接前要將管板孔內(nèi)雜質(zhì)清理干凈；（2）采用兩遍填絲的焊接方法；（3）在保證焊透的情況下盡量降低熔合比，采用小電流、高電壓、快速焊；（4）選用高Cr、Ni含量的E309型焊絲；焊接過(guò)程中注意控制層間溫度不大于150℃。

3.4鎳基材料、鈦材

在高溫下鎳基材料、鈦材易與氧氣、氫氣反應(yīng)，焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，焊接時(shí)，焊絲的加熱端應(yīng)始終有氬氣保護(hù)。為加強(qiáng)保護(hù)效果可在側(cè)面加一輔助輸送保護(hù)氣拖罩。焊接時(shí)注意焊前清理，保護(hù)氣體（氬氣）的純度在99.99％以上，焊接時(shí)在保證焊透和熔合良好的前提下，盡量采用小的焊接線能量；嚴(yán)格控制層間溫度小于100℃。在此以UNS N06625換熱管與管板焊接接頭為例來(lái)介紹。

常用換熱管與管板材料及其焊材的化學(xué)成分如表2所示。

4　工藝試驗(yàn)

使用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)對(duì)表2中4組材質(zhì)進(jìn)行管頭焊接試驗(yàn)，組號(hào)對(duì)應(yīng)的是上表的序號(hào)，每組包括平焊縫和角焊縫兩種形式。管板規(guī)格300 mm×200 mm×20 mm，換熱管規(guī)格19 mm×2 mm。

表2　材料化學(xué)成分

4.1坡口加工及組對(duì)定位

根據(jù)NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄D的要求制作焊評(píng)試板，試板管孔直徑、允許偏差及管板孔中心距應(yīng)符合GB/T 151《管殼式換熱器》中的相關(guān)規(guī)定，管孔坡口采用機(jī)械加工方法加工，坡口45°，然后穿入換熱管，清理坡口、管板面及管頭的油污、銹蝕、水漬等雜物。用點(diǎn)焊方法對(duì)管板與管子進(jìn)行固定，焊接位置為12點(diǎn)和6點(diǎn)方位，如圖5所示。

圖5　焊評(píng)試板

4.2管-管板接頭的焊接

平焊縫選用第一遍自熔，第二遍填絲的焊接方法；角焊縫選用兩遍填絲的焊接方法；由于第3組為異種鋼焊接，焊接時(shí)平焊縫與角焊縫均選用兩遍填絲的焊接方法。焊接時(shí)第二層的起弧位置要避開(kāi)第一層的起弧位置；熄弧時(shí)，弧坑要填滿，過(guò)渡要平滑，不應(yīng)有明顯的凸棱和凹陷。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終獲得了合理的焊接工藝參數(shù)，如表3所示。

5　焊后檢測(cè)

5.1外觀檢測(cè)

焊接后對(duì)試件進(jìn)行外觀檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為4組試件均無(wú)裂紋、咬邊、氣孔、夾渣等缺陷，焊肉飽滿，成形良好，外觀檢查合格。

5.2滲透檢測(cè)

4組試件經(jīng)著色法滲透檢測(cè)后無(wú)任何缺陷，Ⅰ級(jí)合格。

5.3宏觀金相檢測(cè)及熔深測(cè)量

5.3.1宏觀金相檢測(cè)

任取對(duì)角線位置的兩個(gè)管接頭切開(kāi)，兩切口互相垂直。切口一側(cè)面應(yīng)通過(guò)換熱管中心線，該側(cè)面即為金相檢驗(yàn)面，共取8個(gè)，其中應(yīng)包括一個(gè)取自接弧處。經(jīng)檢驗(yàn)，4組試件每個(gè)檢驗(yàn)面均無(wú)裂紋、氣孔及夾渣等缺陷。通過(guò)5倍放大鏡觀察，熔合區(qū)和焊縫清晰可見(jiàn)，無(wú)微型裂紋，管板焊接情況良好，如圖6所示。

5.3.2焊縫厚度

對(duì)每個(gè)檢驗(yàn)面進(jìn)行焊縫厚度測(cè)量，經(jīng)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果滿足NB/T47014-2011附錄D的要求，具體結(jié)果如表4所示。

表3　管-管板接頭焊接工藝參數(shù)

圖6　各組試樣宏觀金相組織

表4　剖切面與相應(yīng)角焊縫厚度mm

6　結(jié)論

（1）采用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同材料管-管板接頭進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊后檢驗(yàn)合格，該設(shè)備可以保證焊接接頭質(zhì)量，能夠滿足生產(chǎn)要求。

（2）采用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)焊接管-管板接頭能夠大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。由于是數(shù)控式自動(dòng)操作，焊接參數(shù)可控，可以保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，減少人為因素造成的缺陷。

（3）使用WZM1-315C全自動(dòng)氬弧焊機(jī)將上述試驗(yàn)獲得的焊接參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中，經(jīng)過(guò)一個(gè)檢修周期，未出現(xiàn)管頭泄漏問(wèn)題，足以驗(yàn)證該設(shè)備的可靠性。

[1]張忠厚，嚴(yán)冬，仇鵬.管-板全自動(dòng)鎢極氬弧焊接裝置的研制及主要參數(shù)的計(jì)算[J].焊管，1999，22（5）：35-37.

[2]李敏，黃禹，龔時(shí)華，等.WZM-315C全自動(dòng)管-板焊機(jī)的研制[J].電焊機(jī)，2007，37（8）：42-44.

[3]李晉.基于ARM CORTEX-M3的全數(shù)字化多功能管板焊接電源的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009：65-80.

[4]王振民，白中啟，孫雨，等.嵌入式數(shù)字化控制的核電建設(shè)用多功能逆變焊機(jī)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（10）：146-150.

[5]陳國(guó)余，董文宇.全位置自動(dòng)管板焊系統(tǒng)在電建冷凝器制造中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2005，35（8）：5-6.

[6]孫國(guó)輝，李春光.薄壁不銹鋼換熱管與管板焊接工藝[J].壓力容器，2003，20（6）：36-38.

[7]王天先.高壓換熱器管子管板自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊[J].電焊機(jī)，2007，37（8）：64-68.

[8]白中啟.基于ARM的嵌入式數(shù)字化管板焊接電源的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2008：3-15.

[9]王振民，張棟，李晉，等.換熱器管板的全位置自動(dòng)化焊接工藝[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（5）：100-104.

Application of the WZM1-315C full automatic agron arc welding machine in the heat exchanger

DONG Yan，GAO Lei，WANG Dongli，WANG Na
（Fushun Chemical Equipment Manufacture Co.，Ltd.，F(xiàn)ushun 113122，China）

The WZM1-315C full automatic argon arc welding machine is introduced in this paper,including its use，structure and operating procedure.There are four major parts which include a welding machine operating frame with gantry structure，a special welding head，a IGTB inverter dc pulse power supply and a PLC control system.This machine is characterized with its compact structure，complete functions，high degree of reliability，and good welding quality.Tube-tube sheet joints welding process with different structure，different material of heat exchangers is researched by the WZM1-315C full automatic agron arc welding machine，and getting reasonable welding parameters，it can improve production efficiency and meet the need of the long-term safe operation of refining system.

WZM-315C full automatic agron arc welding machine；heat exchanger；tube-tube sheet joint；welding process

TG434.5

A

1001－2303（2016）03－0033-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.07

2016-01-08

董研（1986—），女，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，主要從事壓力容器焊接方面的技術(shù)工作。