鋼鐵廠自備電站鍋爐智能化焊接現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

李明元

（1.中國電建集團河北工程有限公司；2.河北省大型電站機爐安裝技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021）

歷經(jīng)多年的發(fā)展，我國的鍋爐制造及安裝技術(shù)也在不斷成熟，從上世紀五十年代的6MW機組，發(fā)展到八十年代的300MW機組，九十年代、電站鍋爐的單機容量已經(jīng)超過了600MW，鍋爐的蒸汽參數(shù)也從亞臨界提高到了超臨界。21世紀，電站鍋爐的單機容量突破了1000MW，蒸汽參數(shù)也提高至超臨界。最近三十年，我國電站鍋爐的制造技術(shù)突飛猛進，焊接技術(shù)在電站鍋爐的制造中應(yīng)用非常廣泛，除了環(huán)焊縫、長直焊縫可以采用智能化焊接，大部分焊接結(jié)構(gòu)仍然需要手工電弧焊。新時期下，自動化和智能化焊接成為我國加工制造行業(yè)的重點研究課題，在鋼鐵廠自備電站鍋爐制造和安裝過程中，手工焊接存在許多弊端，比如鍋爐集箱的管座，排列非常密集，操作空間狹小，而且焊接之前需要預(yù)熱到300℃左右，以預(yù)防裂紋的出現(xiàn)，手工焊接勞動強度過高，而且無法保證焊接質(zhì)量。正因如此，研究智能化焊接技術(shù)才具有深遠的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 鋼鐵廠自備電站鍋爐的智能化焊接現(xiàn)狀分析

一臺鍋爐的重量有萬余t，它是一個體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)裝置。根據(jù)運行功能，可以將電站鍋爐的核心承壓部件分為汽包/汽水分離器、集箱、蛇形管、膜式壁四種類型。每種部件的結(jié)構(gòu)形式不同，制造過程中采用的焊接技術(shù)也存在很大差異。

1.1 集箱零部件的焊接

在鋼鐵廠自備電站鍋爐的運行過程中，集箱的主要作用是匯集并分配汽水，它是非常重要的承壓部件。集箱筒身的焊接工序有環(huán)縫對接、受熱面管座焊接、大管座焊接以及附件焊接，集箱的筒身是由成品鋼管制作而成，環(huán)縫焊接方面，多數(shù)制造廠家采用的是氬弧焊打底＋埋弧焊的焊接技術(shù)，也有廠家實現(xiàn)了窄間隙熱絲TIG焊，主要用于高等級材料制成的集箱，可顯著提高焊接質(zhì)量。大管座的焊接，很多廠家都在啊研發(fā)自動焊裝置與工藝，但現(xiàn)階段并未成功，仍然采用手工焊接。小管座的焊接，有的廠家采用藥芯焊絲氣保焊，還有的廠家應(yīng)用氬弧焊＋細絲埋弧焊。

1.2 蛇形管部件

對于鋼鐵廠自備電站鍋爐而言，蛇形管部件同樣重要，它屬于鍋爐的受熱面管系，形狀十分復(fù)雜，由小口徑管拼接而成，特點是材料類型和焊口數(shù)量較多，制造難度大。管子對接是蛇形管部件的主要焊接工序，大多數(shù)制造廠家在直管對接中都選擇機械熱絲TIG焊進行焊接，也有一部分廠家為了提高焊接效率，采用的是機械TIG＋MIG焊。在彎管對接中，由于焊接位置的局限，通常只能采用手工氬弧焊＋焊條電弧焊技術(shù)。盡管目前已經(jīng)研發(fā)了全位置的TIG焊設(shè)備，但從實際應(yīng)用來看，效果并不理想。

1.3 膜式壁部件

該部件的主要作用是吸收爐膛火焰的熱量，對管內(nèi)介質(zhì)進行加熱，降低煙氣的溫度，能夠很好的保護爐墻，膜式壁部件主要設(shè)置在爐膛周圍的受熱面，由光管與扁鋼兩部分組成，還包括一部分部件。膜式壁光管＋扁鋼角焊縫的工作量極大，但現(xiàn)階段機械焊接廣泛普及，通過機械氣保焊、機械埋弧焊等焊接技術(shù)可以順利完成焊接工作。機械氣保焊包括兩種類型：一種是龍門焊，為4頭或6頭，主要用在非直管屏的焊接中，從正面焊接。另一種是MPM焊，具有多頭的上焊槍與下焊槍，通常用來焊接直管屏，可以同時從上下兩側(cè)進行焊接，焊槍可以達到20頭以上。機械埋弧焊只有4頭或者8頭，僅能用于管屏上側(cè)的焊接。

在鋼鐵廠自備電站鍋爐的一部分爐型中，膜式壁部件的銷釘焊接還可以采用銷釘螺柱焊焊接工藝，銷釘?shù)臄?shù)量較多，目前還沒有實現(xiàn)全自動化焊接，只能通過人工焊接的方式逐個焊接，需要花費大量時間和人力。膜式壁其他部件的焊接技術(shù)主要是半自動熔化極氣體保護焊或者手工焊條電弧焊。

總體而言，鋼鐵廠自備電站鍋爐焊接的自動化、智能化程度并不高，大部分焊接工作仍然需要依賴人工操作，無法實現(xiàn)機械焊接。能夠機械焊接的部件也無法完全實現(xiàn)智能化焊接，作業(yè)過程中仍然需要人工監(jiān)控。為了節(jié)約成本，鋼鐵廠采購的焊接設(shè)備比較簡單，功能相對單一，很大程度上制約了智能化焊接的發(fā)展。

2 鋼鐵廠自備電站鍋爐智能化焊接的發(fā)展

近幾年，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)競爭較為激烈，全球經(jīng)濟陷入低迷，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)想在激烈的市場競爭中脫穎而出，必須要不斷升級制造設(shè)備，提高自動化與智能化水平，控制和降低鍋爐的焊接成本。

2.1 立足于現(xiàn)有條件開發(fā)智能化焊接設(shè)備

現(xiàn)階段，集箱管座、銷釘?shù)暮附尤匀灰允止ず附訛橹?。如果用設(shè)備替代人工，無疑是對這一焊接工序進行了重大改革，不僅提高了制造效率和質(zhì)量，還能大幅度降低人工成本。然而，使用智能設(shè)備來代替人工并不是短時間內(nèi)就能實現(xiàn)的，從人工焊接到智能化焊接的轉(zhuǎn)變，需要一定的過渡，可將自動化和機械化焊接作為過渡方案。在自動化發(fā)展的過程中，最大的阻礙便是集箱大管座的布道，實際操作中可以參考汽包大管座馬鞍埋弧焊的經(jīng)驗，焊接時先進行人工布道，然后再采用機械焊。在集箱小管座焊接方面，一部分廠家已經(jīng)驗證了機器人焊接的可行性，但前提是要提高坡口的加工精度，并不能夠滿足鍋爐的安裝和焊接需求。銷釘焊接的自動化程度較低，需要通過人工的方式持焊槍焊接，然后安裝銷釘以及磁圈。由此可見，提高銷釘焊機的自動化水平也是智能化焊接的重要研究方向。

2.2 重視對機械焊設(shè)備的智能化改造

現(xiàn)階段，龍門焊、MPM焊在膜式壁管屏的焊接中已經(jīng)廣泛普及，但實踐操作中，仍然需要人工的方式來操控焊槍，整體而言，自動化水平較低。應(yīng)用MPM焊時，仍然需要人工監(jiān)測并調(diào)整焊縫的位置及相關(guān)參數(shù)。龍門焊和MPM焊雖然屬于機械焊，但都需要人工操作，因此，只有對這些焊接設(shè)備進行智能化改造，才能提高設(shè)備的制造性能，在設(shè)計方面，可以采用視覺識別和機械焊兩種技術(shù)相互結(jié)合的方式，讓焊槍能夠自動搜索、定位焊縫的位置，最終實現(xiàn)自動化焊接。

2.3 推廣焊接模擬與仿真技術(shù)

現(xiàn)階段，計算機技術(shù)已經(jīng)非常成熟，通過計算機軟件編程，完全可以普及焊接過程系統(tǒng)模擬以及仿真技術(shù)，該技術(shù)是實現(xiàn)智能化焊接的基礎(chǔ)，通過焊接建模，在鍋爐新結(jié)構(gòu)的焊接中能夠完成應(yīng)力、變形等數(shù)據(jù)的計算，從而預(yù)測不同焊接條件的新材料組織的轉(zhuǎn)變。

2.4 重視對焊接系統(tǒng)智能化集成的研究

焊接電源、焊接模擬仿真技術(shù)、焊接機器人是構(gòu)建部位焊接智能化集成的前提，理論上而言，未來的智能化焊接并不需要人工操作，而是將焊接工程師作為對話對象，借助遠程焊接控制技術(shù)以及焊接過程中的自動監(jiān)控、診斷等技術(shù)實現(xiàn)人工與機械設(shè)備的分離，這也是提高鋼鐵廠自備電站鍋爐智能化一個方案，此方法實施不僅需要開發(fā)商的努力，同時還需要鋼鐵企業(yè)與安裝單位的積極配合。

3 鋼鐵廠自備電站鍋爐集箱管座的焊接系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

作為鋼鐵廠自備電站鍋爐的重要組成部件，集箱的功能是匯集所有工作介質(zhì)，并且把工作介質(zhì)從集箱分配至各個管道內(nèi)，實現(xiàn)對工作介質(zhì)的均勻分配和加熱作用。根據(jù)鍋爐系統(tǒng)的類別，可以把鍋爐匯集管束的集箱分為省煤器集箱、水冷壁集箱、過熱器集箱、再熱器集箱幾種類型，集箱的筒身上安裝了大量和受熱面相焊接的管接頭，管接頭的材質(zhì)可以是低合金鋼，也可以是高合金耐熱鋼。管接頭的外徑通常為30mm～108mm，壁厚3mm～50mm。管接頭的特點是規(guī)格復(fù)雜、材質(zhì)類型多樣、數(shù)量巨大，成排密集的分布在集箱筒身上，管接頭之間間隔的距離非常小，手工操作的空間十分狹窄，工作強度高，工作效率低。小管接頭的機械化、自動化焊接水平較低，現(xiàn)階段主要用手工電弧焊＋藥芯焊絲氣體保護焊或者焊條電弧焊的方式進行焊接，工作量大，人工付出的勞動強度非常高，而且焊接質(zhì)量與合格率較低。正因如此，設(shè)計鋼鐵廠自備電站鍋爐集箱小管座的自動化焊接系統(tǒng)，提高焊接效率和質(zhì)量顯得格外重要，系統(tǒng)的設(shè)計要求如表1所示。

表1 鍋爐集箱小管座自動化焊接系統(tǒng)的設(shè)計要求

3.2 機械人焊接編程系統(tǒng)

PowerMILL、FeatureCAM、DentMILL、PartMaker、ArtCAM是英國Delcam公司研發(fā)的高端軟件，在制造領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在PowerMILL平臺的基礎(chǔ)上，該公司推出了PowerMILL Robot Interface工業(yè)機器人編程軟件，實現(xiàn)了對焊接機器人的離線編程。PowerMILL Robot Interface支持大部分主流Robot設(shè)備，還可以根據(jù)廠家的需求制定個性化的Robot設(shè)備。PowerMILL Robot Interface的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在五個方面：

（1）編程效率高，易學(xué)易用，操作簡單，控制性能極佳，可使用標準化的刀具庫管理系統(tǒng)和模板變成，更容易實現(xiàn)制造車間的標準化管理。

（2）具備機器人裝卸、搬運、焊接、激光、水刀切割、火焰切割、發(fā)泡取件、注塑取件、銑削復(fù)雜零件等功能。

（3）機器人可直接讀取、采用離線編程程序。

（4）能夠模擬真實的工作環(huán)境。

（5）Delcam離線編程讓技術(shù)人員更容易控制機器人，離線仿真技術(shù)可以減少現(xiàn)場的驗證等待時間，降低出錯率和風險性，消除生產(chǎn)安全隱患。

4 結(jié)語

綜上所述，盡管目前鋼鐵廠自備電站鍋爐的焊接主要以人工、半機械操作為主，但隨著弧焊機器人、機械化焊接專機設(shè)備的完善，智能化焊接將在工業(yè)制造安裝領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。