鍋爐水冷壁立向下自動仿形堆焊技術

楊鳳君

摘要： 根據(jù)鍋爐水冷壁的結構特點，開發(fā)了水冷壁表面自動堆焊設備。設備采用仿形技術，通過脈沖MIG擺動向下立焊完成鍋爐水冷壁生產及修復。仿形技術保證了堆焊過程中焊槍嘴與焊接工件表面距離不變。確保電弧長恒定、焊絲伸出長度一致；工藝參數(shù)穩(wěn)定，焊接表面成形好。生產實踐證明該自動堆焊設備在鍋爐水冷壁焊接生產修復中收到良好效果。是一種穩(wěn)定、高效、低成本的鍋爐水冷壁焊接專用設備。

關鍵詞： 水冷壁； 仿形； 向下立焊； 自動堆焊

中圖分類號： TK226+

Abstract： The automatic surfacing equipment is developed according to the structure characteristic of boiler water wall.Profiling technology and the pulse MIG swing and vertical down welding are adopted to weld and repair tube of the boiler water wall.The distance between the welding nozzle and the surface of tube is constant because of the profiling. The length of arc and the wire is constant.The equipment that has good effect in welding production repair of boiler water wall has been proved. It is a special equipment of stable， efficiency and low cost.

Key words： boiler water wall； profile modeling； vertical down welding； automatic surfacing

0 前言

鍋爐水冷壁是鍋爐的主要受熱部件，它是由鋼管加扁鋼鰭片焊制而成。鍋爐水冷壁分布在鍋爐爐膛的四周，鋼管的內部為流動著水或蒸汽[1]。工作時水冷壁管吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量起著熱交換及降低爐墻溫度保護爐墻作用。水冷壁是鍋爐爐墻的重要結構件、受壓件，蒸發(fā)的受熱面。它提高了爐膛密封性及燃料熱利用率。由于工作條件惡劣，管壁溫度周期性的熱交變應力極易引起疲勞破壞。水冷壁受到高溫顆粒氧化腐蝕和沖蝕磨損極易減薄而造成局部鼓包、脹粗、變形、爆管等問題[2]。針對這些問題國內外常見水冷壁管修復方法有管段更換、熱噴焊、堆焊等。

1 水冷壁結構及堆焊特點

鍋爐水冷壁是布置在爐膛四周起爐壁作用，水冷壁管與管之間距離小，一般兩管間距為5～20 mm，管徑較細通常在40～80mm，而且管間有鰭片及管卡相互制約，表面呈小圓弧狀。圖1所示為鍋爐水冷壁及爐墻示意圖。水冷壁一側面向爐膛另一側完全被爐墻護住。其結構的特殊性修復時只能在爐膛內部一側進行操作，大面積在現(xiàn)堆焊十分困難。針對鍋爐水冷壁的結構特點開發(fā)設計了圓弧擺動自動水冷壁堆焊設備。

堆焊技術是利用焊接熱源將具有一定性能的材料熔敷在基體（焊件）表面上，形成冶金結合的一種焊接工藝過程。堆焊的目的是利用焊接的方法在焊件表面獲得耐磨、耐熱、耐腐蝕等特殊性能的熔敷金屬層或是為了恢復或增加焊件的尺寸。堆焊可顯著提高焊件的使用壽命，節(jié)省制造及維修費用，還可縮短修理和更換零件的時間，減少停機、停產的損失，從而提高生產率，降低生產成本。另外，應用堆焊能更合理地利用材料，以獲得優(yōu)異的綜合性能，對改進產品設計也有重要意義。

2 鍋爐水冷壁堆焊

2.1 控制焊槍嘴到工件之距離

在焊接過程中因被焊件結構問題，焊槍噴嘴與焊接工件距離經常會發(fā)生變化。由于噴嘴到工件之間距離發(fā)生變化引起焊接工藝參數(shù)的變化，從而影響了焊縫成形及焊接質量，甚至引起焊接過程的不穩(wěn)定[3]。通常采用配合使用平特性或緩降特性電源等速送絲，通過電弧的自調節(jié)作用來保持弧長的穩(wěn)定。它的缺點是因焊接電流發(fā)生變化而引起熔滴過渡穩(wěn)定性和電弧燃燒的連續(xù)性變差，尤其在MIG焊中更加突出。另一種為變速送焊絲調節(jié)系統(tǒng)與陡降特性電源配合使用。當弧長變化時引起弧壓發(fā)生變化，用電弧電壓反饋信號控制送絲速度以保證電弧弧長保持不變。當工件與焊嘴的距離變化比較大時，僅靠焊接電弧弧長的自調和焊絲伸出長度的變化是不能滿足焊接工藝要求的。MIG焊接中電弧和焊絲伸出長度制約自動焊中質量主要因素。焊絲伸出長度的變化對弧長，熔滴過渡方式等都有顯著的影響[4-6]。

2.2 鍋爐水冷壁堆焊

鍋爐水冷壁堆焊設備的難點是保證焊槍嘴到焊接表面的距離保持不變，即焊槍與水冷壁鋼管要始終保持相同的距離。要求焊槍運動軌跡與所焊鋼管是同心圓弧，其理論圓心即為所焊鋼管中心軸線。因中心軸在鋼管內部，不能建立以中心軸為圓心的運動機構，以中心線為軸心進行擺動堆焊鋼管外表面的設備是不可行的。為了解決這個問題，國內一些加工廠家在鋼管外部建立了中心軸，以反向圓弧替代管壁圓弧進行擺動焊接如圖2a所示。這種仿形誤差很大，而且誤差隨著擺幅增大而增大。

較為先進的焊接方法是以直線替代圓弧方式進行類似的仿形焊接如圖2b所示。這種非同類曲線的模擬近似，雖然比反向圓弧更接近實際圓弧但也是隨著擺動加大產生誤差越大；焊接伸出長度不一致，焊接電弧不穩(wěn)定；堆焊曲面成形誤差大，壁厚不均勻，焊接質量不理想。

2.3 同心圓弧仿形自動擺動堆焊

為保證焊接過程焊槍嘴堆焊表面等距，電弧長度恒定焊絲伸出長度一致，同時考慮降低機械與控制系統(tǒng)的復雜程度，本設計采用了機械仿形原理。一般常見的仿形機構是通過靠模仿形運動軌跡。這里使用了圓弧導軌控制焊槍行走軌跡替代了靠模仿形。圓形導軌集驅動與仿形于一體完成了鍋爐水冷壁鋼管仿形。endprint

堆焊時焊槍座在圓弧導軌上做擺動運動，擺動模擬軌跡與水冷壁鋼管成同心圓，如圖3所示。用同心圓弧曲線仿形鋼管表面曲線的焊接，保證槍嘴與工件的距離不變，電弧長穩(wěn)定、焊絲伸出長度一致。從而保證了焊接表面成形，提高了水冷壁表面堆焊質量。

根據(jù)焊接熔敷金屬成形特點，設計采用了向下單絲擺動立焊工藝。焊槍在沿水平圓周擺動同時還沿著水冷壁鋼管進行軸向向下移動。這兩種運動合成圓弧折線運動。焊槍水平圓弧擺動是隨著圓弧導軌的擺動實現(xiàn)的，上下移動是通過圓弧導軌坐落的機架運動實現(xiàn)。

向下立焊槍擺動過程中，電弧對下部熔池液態(tài)金屬有向下的作用力，對上部熔池液態(tài)金屬有向上的作用。電弧力與重力共同作用，向下方向的熔池液態(tài)金屬會流淌。由于擺動軌跡的特殊性，下一焊道向上的作用力正好是前一焊道向下的位置。在進行下一焊道時要覆蓋前一焊道的一部分。前一焊道有部分金屬已經凝固，下一焊道將已凝固的前一焊道的部分金屬重熔，并在前一個焊道上施焊，這樣獲得較平且美觀的焊縫，保證良好的焊縫成形。向下立焊使熔池金屬對流傳熱加快，一定程度上解決了焊縫厚度、焊縫寬度與焊接速度的沖突，維持較好的堆焊成形，焊接質量容易控制。

水冷壁管具有良好的傳熱效果，壁厚度比較薄。在管外壁、鰭-管的堆焊中，采用了數(shù)字化脈沖自動 MIG堆焊工藝。脈沖堆焊具有熱輸入量小，合金元素燒損小，飛濺小等優(yōu)異性能。同時脈沖堆焊可減少母材對焊層的稀釋，獲得更高的焊接效率。

3 結論

（1）該技術采用圓弧導軌仿形實現(xiàn)水冷壁外圓弧擬合。自動向下圓弧擺動立焊，仿形準確度高運動可靠。

（2） 采用數(shù)字化脈沖自動 MIG 焊在鍋爐水冷壁上堆焊，堆焊層成形良好，無裂紋和氣孔缺陷，堆焊層與基體熔合良好。

（3） 經試驗檢測和生產使用結果表明該機滿足鍋爐水冷壁堆焊工藝要求。是鍋爐水冷壁的生產與在線修復經濟有效的自動堆焊設備。

參考文獻

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