鍋爐膜式壁管屏銷釘自動(dòng)焊工藝及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王冬平，銀潤(rùn)邦，蒲貴明

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢643001)

0 前言

火電鍋爐膜式壁管屏上需要焊接大量的銷釘，隨著循環(huán)流化床鍋爐需求的增大和鍋爐參數(shù)等級(jí)的提高，銷釘?shù)暮附恿恳苍谥鸩皆龃?，以一臺(tái)300 000 kW的循環(huán)流化床鍋爐為例，銷釘數(shù)量要達(dá)到3 000 000顆以上。鍋爐銷釘?shù)暮附又饕捎秒娀÷葜冈O(shè)備實(shí)施，電弧螺柱焊可分為長(zhǎng)周期螺柱焊(包括穩(wěn)定電弧螺柱焊和不穩(wěn)定電弧螺柱焊)和短周期螺柱焊2種［1］。目前，國(guó)內(nèi)主要采用長(zhǎng)周期電弧螺柱焊設(shè)備，其工序較復(fù)雜，在銷釘焊接前需要把銷釘逐顆套入瓷環(huán)，并擺放整齊后搬運(yùn)至焊接工位，施焊時(shí)由手工將帶有瓷環(huán)的銷釘裝入焊槍進(jìn)行焊接，這種焊接方法輔助時(shí)間較長(zhǎng)，焊接效率較低。而且采用手工銷釘焊時(shí)，工人需要蹲在管屏上彎曲身體、手持焊槍進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且焊接質(zhì)量受工人自身因素影響也較明顯，容易導(dǎo)致銷釘焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，為了解決現(xiàn)有手工銷釘焊存在的以上缺點(diǎn)，有必要開(kāi)發(fā)自動(dòng)銷釘焊技術(shù)。

隨著智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與普及，將一種焊接方法與智能機(jī)器人相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)該種焊接方法的自動(dòng)化生產(chǎn)，這是近年來(lái)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于銷釘焊也不例外。但若采用現(xiàn)有的長(zhǎng)周期電弧螺柱焊設(shè)備與智能機(jī)器人結(jié)合，則在瓷環(huán)裝配、銷釘輸送方面存在很大的難題，極大地制約了自動(dòng)化的實(shí)施。開(kāi)發(fā)不帶瓷環(huán)的銷釘焊工藝是解決該難題的較好方向。瓷環(huán)主要是起到對(duì)焊縫保護(hù)和強(qiáng)制焊縫成形的作用［1］，目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)碳鋼銷釘開(kāi)展不帶瓷環(huán)焊接的工藝，并以得到應(yīng)用，但針對(duì)不銹鋼銷釘和馬氏體鋼銷釘還未深入開(kāi)展該方面的研究。因此，針對(duì)鍋爐所用的各種材質(zhì)的銷釘開(kāi)發(fā)出不帶瓷環(huán)焊接工藝，為銷釘自動(dòng)化焊接掃除一大障礙。此外，在銷釘焊自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中，銷釘?shù)淖詣?dòng)輸送也是必須解決的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)送釘焊技術(shù)已經(jīng)有較多研究和開(kāi)發(fā)，并在汽車生產(chǎn)線中已有應(yīng)用［2－3］。

在解決了瓷環(huán)裝配難題和自動(dòng)送釘問(wèn)題后，將銷釘焊與智能技術(shù)或機(jī)器人結(jié)合則變得簡(jiǎn)單易行。目前國(guó)內(nèi)在小直徑(＜6 mm)、低碳鋼螺柱焊領(lǐng)域，已有部分企業(yè)和高校研發(fā)出成熟的自動(dòng)化設(shè)備［4］。針對(duì)鍋爐銷釘自動(dòng)化焊接，國(guó)外雖有相應(yīng)的技術(shù)和應(yīng)用，但對(duì)銷釘規(guī)格的適應(yīng)性不強(qiáng)，國(guó)內(nèi)正在積極研發(fā)，并取得了一定的成效［4－5］。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有螺柱焊研究成果對(duì)鍋爐銷釘焊自動(dòng)化實(shí)施提供了必要的條件，也為鍋爐銷釘自動(dòng)焊的研發(fā)方案指出了方向。

1 銷釘自動(dòng)送釘系統(tǒng)實(shí)施方案

在銷釘焊自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中，銷釘自動(dòng)輸送是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。由于銷釘焊接有方向性，銷釘?shù)囊欢藶殄F形，一端為平頭，焊接時(shí)錐端與工件焊接，因此送釘時(shí)必須按照指定的方向進(jìn)行銷釘?shù)妮斔?，這對(duì)自動(dòng)送釘系統(tǒng)提出了較高的要求。為了實(shí)施這一功能，采用振動(dòng)盤(pán)方式使銷釘在振動(dòng)盤(pán)內(nèi)進(jìn)行排序，然后通過(guò)壓縮空氣將銷釘送入焊槍，其工作原理為:將銷釘裝入振動(dòng)盤(pán)，在軌道上平臥任意排列移動(dòng)，振動(dòng)盤(pán)軌道側(cè)壁設(shè)置臺(tái)階和缺口，用以改變銷釘?shù)呐帕蟹较虿⑹蛊浞较蜈呁?由于銷釘?shù)奈膊渴瞧矫?，因此?dāng)銷釘?shù)奈膊肯蛳禄肱_(tái)階下方后，銷釘豎立排列繼續(xù)向前移動(dòng)。若銷釘頭部向下滑入臺(tái)階下方時(shí)，由于銷釘端頭不平且在振動(dòng)力的作用下側(cè)翻，并通過(guò)缺口落入振動(dòng)盤(pán)中心再次進(jìn)行循環(huán)，保留下來(lái)的銷釘方向基本一致。為了保證銷釘?shù)姆较蛲耆恢?，在軌道上設(shè)置槽口和缺口，篩選過(guò)的銷釘通過(guò)該槽口時(shí)，若銷釘頭部向下則會(huì)側(cè)翻落入振動(dòng)盤(pán)中心再次循環(huán)，保留下來(lái)的銷釘則方向完全一致。最后，排列一致的銷釘進(jìn)入送釘管道，在壓縮空氣的作用下輸送至焊槍進(jìn)行焊接，如圖1所示。

圖1 銷釘自動(dòng)輸送系統(tǒng)

2 不帶瓷環(huán)焊接工藝的研發(fā)

為了實(shí)施銷釘自動(dòng)化焊接，不帶瓷環(huán)焊接工藝的研發(fā)至關(guān)重要。雖然針對(duì)碳鋼銷釘不帶瓷環(huán)焊接工藝國(guó)內(nèi)有相關(guān)研究［6］，但鍋爐銷釘使用量更大的是馬氏體鋼和奧氏體不銹鋼，因此針對(duì)這兩種材質(zhì)的銷釘開(kāi)發(fā)出不帶瓷環(huán)的焊接工藝是必不可少的。為了保證取消瓷環(huán)條件下銷釘焊的質(zhì)量，需要從焊接設(shè)備、銷釘質(zhì)量和形狀、焊接過(guò)程中的保護(hù)方式幾方面進(jìn)行研究。

2.1 焊接設(shè)備的選用

目前國(guó)內(nèi)使用的銷釘焊主要有長(zhǎng)周期電弧螺柱焊設(shè)備和短周期電弧螺柱焊設(shè)備兩種類型，現(xiàn)有鍋爐膜式壁管屏一般采用長(zhǎng)周期電弧螺柱焊設(shè)備。為了掌握無(wú)瓷環(huán)保護(hù)條件下選用哪種設(shè)備更為合適，對(duì)兩種設(shè)備進(jìn)行焊接對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)選用12Cr1MoVG( 31．8 mm ×6．5 mm)的管道，銷釘選用 12Cr13( 10 mm)材質(zhì)。在長(zhǎng)周期電弧螺柱焊設(shè)備、不帶瓷環(huán)條件下，焊縫成形差，銷釘與管道熔合量少(不到銷釘周圈的一半)，飛濺大(圖2a)。采用短周期電弧螺柱焊設(shè)備、不帶瓷環(huán)條件下，焊縫成形飽滿、均勻，飛濺小(圖2b)。

圖2 不同電源下的焊縫形貌

從以上對(duì)比試驗(yàn)可見(jiàn)，采用長(zhǎng)周期電弧螺柱焊設(shè)備、不帶瓷環(huán)焊接的焊縫成形差，達(dá)不到產(chǎn)品外觀成形要求。而采用短周期電弧螺柱焊設(shè)備，在不帶瓷環(huán)條件下可以焊接出成形均勻、飛濺小、飽滿的焊縫。因此，在取消瓷環(huán)保護(hù)的情況下，應(yīng)選用短周期電弧螺柱焊設(shè)備。

2.2 銷釘結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》和ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅸ卷《焊接、釬接和粘接評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)銷釘焊縫的外觀成形和力學(xué)性能有要求。在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)中，銷釘焊縫的抗拉強(qiáng)度易滿足要求，但彎曲試驗(yàn)時(shí)易出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂或斷裂的現(xiàn)象，重點(diǎn)就銷釘焊縫的彎曲性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與分析。

目前鍋爐膜式壁產(chǎn)品常用銷釘采用碳鋼(以20#和Q235A為代表)、馬氏體鋼(以12Cr13為代表)、奧氏體不銹鋼(以12Cr18Ni9為代表)三種材質(zhì)。這三類銷釘中，碳鋼銷釘易滿足彎曲性能測(cè)試，馬氏體鋼銷釘和奧氏體不銹鋼銷釘彎曲易裂。文獻(xiàn)［6］對(duì)碳鋼銷釘作過(guò)相應(yīng)的研究，因此重點(diǎn)研究馬氏體鋼和奧氏體不銹鋼銷釘，現(xiàn)設(shè)定以下方案:銷釘采用不同熱處理和助焊劑狀態(tài)(圖3)，并在短周期電弧螺柱焊和無(wú)保護(hù)條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表1，所用銷釘直徑均為 10 mm，彎曲試驗(yàn)測(cè)試采用5個(gè)試樣，彎曲15°后再恢復(fù)原狀。

圖3 銷釘形狀

表1 不同銷釘材質(zhì)、供貨狀態(tài)、助焊劑特點(diǎn)下的焊接試驗(yàn)

由以上試驗(yàn)可知，12Cr13馬氏體鋼銷釘?shù)墓┴洜顟B(tài)為軋制態(tài)時(shí)，易在熱影響區(qū)斷裂，而退火態(tài)銷釘則有良好的抗裂性;12Cr18Ni9奧氏體不銹鋼銷釘采用軋制態(tài)材質(zhì)時(shí)，也易彎曲開(kāi)裂，采用固溶處理態(tài)，則有很好的抗裂性。從助焊劑的方式上看，助焊劑越大越容易引起斷裂，無(wú)助焊劑時(shí)，銷釘結(jié)合強(qiáng)度變高。究其原因，是由于助焊劑的材質(zhì)為鋁，鋁芯熔入焊縫減弱了焊縫的結(jié)合強(qiáng)度。但無(wú)助焊劑的銷釘在無(wú)保護(hù)條件下的焊縫成形不及有助焊劑銷釘，且表面易出現(xiàn)氣孔。因此，為了保證銷釘焊縫的彎曲性能，馬氏體鋼銷釘?shù)墓┴洜顟B(tài)宜為高溫退火態(tài)，奧氏體鋼銷釘?shù)墓┴洃B(tài)宜為固溶處理態(tài)。優(yōu)選無(wú)助焊劑銷釘，若采用帶助焊劑銷釘時(shí)，助焊劑的體積要小，選用助焊劑直徑為1 mm左右的鋁球?yàn)橐恕?/p>

2.3 保護(hù)方式

無(wú)助焊劑的銷釘彎曲不易開(kāi)裂，但在無(wú)保護(hù)條件下容易產(chǎn)生氣孔，且焊縫均勻性也不及有助焊劑的銷釘。這就需要考慮采用其它保護(hù)方式解決成形及氣孔問(wèn)題，文獻(xiàn)［6］介紹了采用短周期電弧螺柱焊電源，銷釘采用惰性氣體或混合氣體保護(hù)的必要性，因此文中采用不同類別的保護(hù)氣體進(jìn)行試驗(yàn)，混合氣體采用85%Ar+15%CO2，惰性氣體采用99．99%純氬。試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。彎曲試驗(yàn)條件是彎曲15°后再恢復(fù)原狀。

圖4為12Cr18Ni9銷釘分別采用無(wú)保護(hù)、純氬氣保護(hù)和混合氣體保護(hù)焊接的焊縫成形形貌。從外觀成形看，無(wú)助焊劑的銷釘采用氣體保護(hù)后成形得到明顯改善，而且解決了氣孔問(wèn)題。保護(hù)氣體采用氬氣與混合氣體相比，混合氣體效果更佳，焊縫成形飽滿，而且結(jié)合強(qiáng)度良好。因此，當(dāng)采用無(wú)助焊劑銷釘焊接時(shí)，需采用氣體保護(hù)。氣體選用混合氣體為宜。

表2 不同類別的保護(hù)氣體試驗(yàn)對(duì)比

圖4 不同保護(hù)方式下焊縫形貌

2.4 焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上研究，確定了焊接設(shè)備、銷釘材質(zhì)、助焊劑類型、氣體保護(hù)形式后，現(xiàn)對(duì)不帶瓷環(huán)銷釘焊工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并按照ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 第Ⅸ卷《焊接、釬接和粘接評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)中QW－192進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，見(jiàn)表3。

圖5為不同材質(zhì)、供貨狀態(tài)下的銷釘焊縫成形形貌。在采用短周期電弧螺柱焊電源、無(wú)助焊劑銷釘、不帶瓷環(huán)的條件下，采用混合氣體保護(hù)焊接的銷釘，焊縫外觀成形良好，拉伸和彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合強(qiáng)度較好。

表3 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)條件和結(jié)果

圖5 不同材質(zhì)、供貨狀態(tài)的銷釘焊縫成形形貌

3 全自動(dòng)銷釘焊接系統(tǒng)實(shí)施方案

針對(duì)鍋爐銷釘開(kāi)發(fā)出不帶瓷環(huán)焊接工藝并研發(fā)出振動(dòng)盤(pán)自動(dòng)送釘系統(tǒng)，為鍋爐銷釘自動(dòng)化焊接的實(shí)施打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，銷釘自動(dòng)化焊接系統(tǒng)可采用以下兩種方案實(shí)施，一種為龍門式銷釘自動(dòng)焊，另一種為機(jī)器人銷釘自動(dòng)焊。圖6a為龍門式銷釘自動(dòng)焊。將多臺(tái)焊接設(shè)備、控制系統(tǒng)、跟蹤定位裝置組裝在龍門架上，焊接時(shí)通過(guò)預(yù)設(shè)的焊接程序自動(dòng)尋位和定位，并實(shí)施焊接。機(jī)器人銷釘自動(dòng)焊則將智能機(jī)器人與銷釘焊結(jié)合起來(lái)實(shí)施管屏的焊接，主要由機(jī)器人、軌道系統(tǒng)、離線編程系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)、螺柱焊槍系統(tǒng)等組成(圖6b)，將兩套或多套機(jī)器人布置在管屏的兩側(cè)協(xié)調(diào)工作。

從以上分析，兩種方案都可實(shí)現(xiàn)銷釘全自動(dòng)焊接，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。龍門式設(shè)備的投入和維護(hù)成本較低，但其中一把焊槍若出現(xiàn)故障后會(huì)影響其余焊槍的工作。機(jī)器人銷釘自動(dòng)焊具有更高的靈活性，兩臺(tái)設(shè)備獨(dú)立工作，互不干涉，但設(shè)備的投入和維護(hù)成本相對(duì) 較高。隨著智能機(jī)器人技術(shù)的成熟和成本的降低，機(jī)器人銷釘自動(dòng)焊將顯現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。

圖6 銷釘自動(dòng)化焊接

4 結(jié)論

(1)采用短周期電弧螺柱焊接電源并配合特殊要求的銷釘可實(shí)現(xiàn)無(wú)瓷環(huán)銷釘?shù)暮附?，采用特制振?dòng)盤(pán)可實(shí)現(xiàn)鍋爐銷釘自動(dòng)排序和輸送。

(2)在采用短周期電弧螺柱焊電源、無(wú)助焊劑銷釘、不帶瓷環(huán)的條件下，采用混合氣體保護(hù)焊接的銷釘，焊縫外觀成形良好，拉伸和彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)采用龍門式或機(jī)器人銷釘自動(dòng)焊，將振動(dòng)盤(pán)送釘系統(tǒng)和不帶瓷環(huán)銷釘焊工藝集成起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)鍋爐銷釘自動(dòng)化焊接。