燃煤電站鍋爐吊掛管自動化焊接生產(chǎn)線

刁旺戰(zhàn)，徐祥久，王萍，李秋石

摘要：燃煤電站鍋爐吊掛管為小批量焊接結(jié)構(gòu)，涉及材質(zhì)種類多、結(jié)構(gòu)復雜。焊接特點為：存在焊接變形，焊接材料為合金耐熱鋼和不銹鋼，異種鋼焊接。吊掛管原焊接方法為焊條電弧焊，焊接效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、工人勞動強度高。吊掛管自動化焊接生產(chǎn)線實現(xiàn)了電站鍋爐產(chǎn)品中角板兩側(cè)對稱的吊掛管自動化焊接，包括上料、點焊、焊接、下料、轉(zhuǎn)運等全流程。經(jīng)過試驗，該生產(chǎn)線焊接的焊縫成型均勻一致，滿足標準要求，焊接合格率超過99%，目前該設(shè)備已經(jīng)在1000 MW超超臨界鍋爐、600 MW超超臨界鍋爐等國內(nèi)外諸多燃煤電站鍋爐項目中大范圍應用。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;吊掛管;自動化焊接;生產(chǎn)線;機器人焊接

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0050-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.09

0? ? 前言

燃煤電站鍋爐產(chǎn)品的受熱面管屏中，水平布置的部件如水平低溫過熱器、水平低溫再熱器等需要采用吊掛管進行吊掛安裝。運行過程中，吊掛管內(nèi)部為高溫蒸汽（450～600 ℃），外部承受高溫煙氣，且吊掛管需要懸吊整個管屏，因此吊掛管是在高溫高壓環(huán)境下運行的承載部件，其吊掛管角板與管子之間的焊接質(zhì)量要求嚴格。

吊掛管的焊接特點為：（1）焊接過程中存在焊接變形。吊掛管中的小口徑管剛性差，焊接過程中由于焊接熱輸入的影響，易產(chǎn)生焊接變形從而影響焊接工藝實施;（2）產(chǎn)品種類多。吊掛管為單件小批量結(jié)構(gòu)，材質(zhì)種類多、尺寸規(guī)格多、總體數(shù)量多、焊接量大;（3）異種鋼焊接難度高。吊掛管中管子與角板匹配后多為異種鋼焊接，且需要采用合金耐熱鋼、不銹鋼焊材，液態(tài)金屬流動性差，焊縫成型控制難。

電站鍋爐行業(yè)的產(chǎn)品因其單件小批量、結(jié)構(gòu)特殊的特點，實現(xiàn)自動化焊接難度較高[1-3]，國內(nèi)一直采用焊條電弧焊完成吊掛管的焊接[4]，焊接效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、工人勞動環(huán)境差、強度高。文中介紹了一種吊掛管自動化焊接生產(chǎn)線，可實現(xiàn)電站鍋爐吊掛管的自動化焊接，采用該設(shè)備提高了吊掛管的焊接效率和焊接質(zhì)量，改善了工人的勞動條件[5-7]。

1 吊掛管的結(jié)構(gòu)

吊掛管部件的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其長度為2 000～4 300 mm，角板厚度為5～10 mm，角板凈間距≥14 mm，兩側(cè)角板對稱，單側(cè)需焊接20～45個角板。其中管子直徑為φ44.5～63.5 mm，壁厚7～15 mm。角板的典型結(jié)構(gòu)有4種，根據(jù)尺寸不同共有20余種角板，同一個吊掛管中最多可存在3種結(jié)構(gòu)的角板，同時角板間距可存在變化。

吊掛管的管子和角板材質(zhì)及匹配焊絲型號如表1所示?？梢钥闯?，為適應不同使用溫度，管子和角板的材質(zhì)組合種類達到8種，且多為異種鋼焊接。根據(jù)管子和角板材質(zhì)不同，匹配焊接材料包含碳鋼焊絲GB ER50-6，低合金鋼焊絲GB ER55-B2、GB ER55-B2-MnV和AWS ER90S-B9，不銹鋼焊絲AWS ER309Mo。依據(jù)相關(guān)焊接實驗和鍋爐運行驗證數(shù)據(jù)選擇異種材料焊接的焊材。

2 系統(tǒng)組成

吊掛管自動化焊接系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

根據(jù)吊掛管的結(jié)構(gòu)特點和工藝流程特點，生產(chǎn)線按照上料、點焊、焊接和下料環(huán)節(jié)來配置硬件，主要由兜帶上料機構(gòu)、暫存料架、三聯(lián)動移載小車、機器人搬運機構(gòu)（含搬運機器人）、角板料盒、組對變位機、單機器人點焊機構(gòu)（含點焊機器人）、焊接變位機、雙機器人焊接機構(gòu)（含焊接機器人）、成品料架、安全圍欄等組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

2.1.1 兜帶上料機構(gòu)

該機構(gòu)將成捆鋼管進行分散后以單根鋼管的形式轉(zhuǎn)移到上料機構(gòu)的暫存料架，采用減速電機驅(qū)動多組吊帶，最大承載重量為3.5噸，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。使用過程中，管子放置于多組兜帶上。兜帶一端與圓形輪連接，一端固定在料架上。電機驅(qū)動帶動圓形輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)兜帶的伸長與縮短。兜帶縮短，管子向上運動，當管子達到一定高度后會向一側(cè)滑移實現(xiàn)管子的輸送。當輸送管子達到一定數(shù)量后，兜帶放松變長，管子下落。

2.1.2 暫存料架

暫存料架中左右兩側(cè)的對中氣缸通過直線導軌與暫存料架相連，料架上安裝有刻度尺，可根據(jù)鋼管長度預先將對中氣缸調(diào)整到指定長度位置。暫存料架上的定位擋板可防止翻料超過額定暫存數(shù)量。斜鐵具有一定坡度，當兜帶上料機構(gòu)將管子運轉(zhuǎn)到暫存料架上后，管子由于重力作用滑動到翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上端，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)將管子翻轉(zhuǎn)到V型架上，三聯(lián)動移載小車再從V型架上取管子。暫存料架的額定暫存數(shù)量最多為8根，暫存料架的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.3 三聯(lián)動移載小車

三聯(lián)動移載小車由整體底座及三組托起裝置構(gòu)成。三聯(lián)動移載小車由一套伺服電機驅(qū)動，采用直線導軌+齒輪齒條機構(gòu)，三組托起裝置之間通過連接板連接，可以實現(xiàn)同步行走精準定位，能夠同時滿足點焊工位的上下料、焊接工位的上下料及成品吊掛管的下料。托起裝置上/下運動帶動V型板上/下運動，從而實現(xiàn)管子的托起與下落，與暫存料架V型板、組對/焊接變位機中的氣動卡盤和成品料架配合，實現(xiàn)吊掛管的轉(zhuǎn)移。中間的托起裝置上裝有夾緊裝置，保證吊掛管從點焊工位轉(zhuǎn)運到焊接工位時角板的位置不發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.1.4 組對變位機/焊接變位機

組對變位機/焊接變位機由外部軸電機控制工件旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)與焊接機器人協(xié)調(diào)動作。變位機左右兩端安裝有氣動卡盤，可實現(xiàn)對吊掛管的定位，通過調(diào)整卡盤可滿足不同管徑工件的夾緊。為適應不同長度的工件，采用正反絲杠通過一臺伺服電機實現(xiàn)左右兩側(cè)的滑臺對中移動。

2.1.5 角板料盒

本套設(shè)備共配有4套角板料盒組件，每個組件上包含左右兩個料盤。同一種料盤可通過調(diào)整定位板之間的間隙以放置不同規(guī)格和種類的角板，料盤左右兩側(cè)有刻度尺，便于確定定位板的位置。軸向氣缸與頂塊連接，用于控制角板在定位板間隙內(nèi)的軸向運動。當角板運動到前端后，頂起氣缸連接有頂起裝置將角板頂起，方便搬運機器上的夾爪取料，每次可同時頂起左右2個角板。4套角板料盒可放置720塊角板，可放置所有種類的角板，角板料盒如圖6所示。

2.1.6 機器人搬運機構(gòu)

機器人搬運龍門采用地面安裝方式，布置有搬運機器人、角板料盒，采用直線導軌+齒輪齒條機構(gòu)，并配置外部伺服電機帶動機器人行走，角板料盒與搬運機器人在落地龍門上同步行走實現(xiàn)角板的快速抓取，使焊接效率最優(yōu)化。搬運機器人選用川崎RS20N型機器人，最大負載20 kg，重復定位精度±0.05 mm，最大覆蓋范圍1 725 mm。搬運機器上的夾爪包含2個氣動手指，可完成1組料盤同時頂起的2個角板的抓取和定位。

2.1.7 單機器人點焊機構(gòu)/雙機器人焊接機構(gòu)

點焊機器人及焊接機器人采用天吊安裝方式，點焊機器人和焊接機器人采用直線導軌+齒輪齒條機構(gòu)，配置外部伺服電機帶動機器人，兩臺焊接機器人由一臺電機帶動，保持同步行走。每套機器人配有一套獨立的清槍剪絲系統(tǒng)。點焊和焊接機器人選用川崎RA10N型機器人，最大負載10 kg，重復定位精度±0.06 mm，最大覆蓋范圍1 450 mm。焊接電源選用Lorch S8 Speed Pulse 焊接電源，為全數(shù)字化逆變脈沖電源，可實現(xiàn)高速焊接。

2.1.8 成品料架

成品料架采用交流減速電機平穩(wěn)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動鏈式傳送帶運動。三聯(lián)動移載小車將成品吊掛管放置于鏈式傳送帶的卡槽上，鏈式傳送帶帶動吊掛管實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)移。成品料架具有滿料提醒功能，可放置12根吊掛管，最大承載能力3.0噸，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用PLC，是整個控制系統(tǒng)的核心，對搬運、焊接、夾持等機構(gòu)的氣動和電動系統(tǒng)進行直接和間接控制。系統(tǒng)操作盒是系統(tǒng)的主要操作和信息顯示裝置，安裝有觸摸屏控制面板，實現(xiàn)信息顯示及操作控制功能，如顯示系統(tǒng)運行時的相關(guān)信息，設(shè)定和調(diào)整機器人的執(zhí)行程序，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個機構(gòu)的手動和自動模式的操作控制，并可設(shè)置報警、監(jiān)視、保養(yǎng)等系統(tǒng)參數(shù)，觸摸屏控制面板如圖8所示。角板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定如圖9所示，對4種結(jié)構(gòu)角板的尺寸進行參數(shù)設(shè)定，并定義為相應數(shù)字編碼，機器人根據(jù)相應參數(shù)在不同料倉中抓取。焊接工件參數(shù)設(shè)置如圖10所示，可對管子規(guī)格、角板結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)字編碼、角板間距等參數(shù)進行設(shè)定，以實現(xiàn)在同一根吊管上存在角板結(jié)構(gòu)變化、角板間距變化時的焊接。系統(tǒng)操作盒安裝有啟動、停止、運轉(zhuǎn)準備、手動/自動、緊急停止等控制按鈕，實現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。在上料、焊接等工位還設(shè)置有單工位按鈕盒，方便控制單工位的相應動作，如啟動、停止等。

機器人通過示教編程與AS語言編程結(jié)合的方式進行控制，實現(xiàn)搬運機器人抓取、行走和焊接機器人焊接、清槍剪絲、行走等動作的設(shè)定與調(diào)整。機器人通過CC-Link協(xié)議（全稱Control & Communica-tion Link，即控制與通信鏈路協(xié)議）與系統(tǒng)控制柜交互，實現(xiàn)程序的調(diào)用執(zhí)行，完成設(shè)定的相應動作。在焊接電源中對焊接工藝參數(shù)進行設(shè)置，并生成程序號，在控制系統(tǒng)的系統(tǒng)操作盒中輸入相應的程序號，機器人通過DeviceNet（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)，一種現(xiàn)場總線標準）調(diào)用焊接電源中的參數(shù)。

3 系統(tǒng)作業(yè)流程

吊掛管自動化焊接生產(chǎn)線可實現(xiàn)上料、轉(zhuǎn)運、點焊和焊接等全流程自動流轉(zhuǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍緊湊，自動化等級高。具體流程為：兜帶上料機構(gòu)將管子輸送到暫存料架→暫存料架對管子進行對中處理→對中后將管子翻到V形架→三聯(lián)動移載小車將V形架上的管子搬運到組對變位機→組對變位機的卡盤夾緊管子→搬運機器人從角板料盒取料→搬運機器人持角板，點焊機器人點焊角板→點焊完成后三聯(lián)動移載小車搬運到焊接變位機→焊接變位機夾緊吊掛管→雙機器人同時從角板兩側(cè)對吊掛管進行焊接，實現(xiàn)一側(cè)角板兩條焊縫的焊接，然后變位機將吊掛管進行翻轉(zhuǎn)，雙機器人再同時焊接另一側(cè)角板的兩條焊縫，如此循環(huán)，實現(xiàn)所有吊掛管角板的焊接→焊接完成后三聯(lián)動移載小車將吊掛管搬運到成品料架。重復上述動作實現(xiàn)吊掛管自動化焊接，具體流程如圖11所示。

4 調(diào)試與試驗

4.1 試驗條件和參數(shù)

試驗管子材質(zhì)為15CrMoG（φ51 mm×9 mm），角板材質(zhì)為12Cr18Ni9（T=6 mm），焊絲為ER309Mo（φ1.2 mm），焊接參數(shù)如表2所示。焊接方法為雙脈沖MAG焊，其雙脈沖電流波形示意如圖12所示，強（弱）電流平均值與電流平均值的升降比為25%～40%，強電流占空比為30%～45%。焊接過程中強脈沖與弱脈沖交替變換，熱輸入也發(fā)生周期性改變，從而攪拌熔池，細化晶粒。雙脈沖MAG焊的優(yōu)點為：電弧穩(wěn)定，焊接過程無飛濺，焊接熱影響區(qū)小，熔深和焊縫成型均勻一致， 在自動化焊接中較為適用。

在焊接一個角板的兩側(cè)焊縫時，若兩個填充滿焊焊槍的運動方向為對向運動，在兩只焊槍交錯后的后段焊接過程中，由于前一焊槍的加熱作用，且角板薄、溫度升高快，焊縫金屬更容易向角板側(cè)潤濕和偏移，導致焊縫成形前后不均勻。焊槍運動方向改為同向運動后，焊縫成形獲得改善。

為減少焊接變形的影響，焊接機器人與變位器配合進行吊掛管兩側(cè)角板的對稱焊接，同時焊接過程中采用傳感方式實時調(diào)整焊槍位置，實現(xiàn)精準焊接。

4.2 試驗結(jié)果

在自動化模式下，采用以上焊接工藝進行焊接，焊后進行100% PT無損檢測，結(jié)果合格。獲得的吊掛管焊縫表面成形均勻一致、平滑美觀，如圖13所示。上料、點焊、焊接、下料、轉(zhuǎn)運等過程都由設(shè)備獨立完成，焊接過程流暢，焊接每對角板的時間約為1 min。

吊掛管的角焊縫截面如圖14所示，可以看出，角板與管子之間為非焊透結(jié)構(gòu)，焊后兩側(cè)角焊縫形貌對稱一致，在管子上產(chǎn)生的焊接熔深約為2 mm，在角板上產(chǎn)生的焊接熔深約為3 mm。

采用光學顯微鏡對吊掛管角焊縫進行微觀金相檢測，如圖15所示。焊接接頭中未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、咬邊、未熔合等缺陷，焊縫的金相組織為奧氏體+鐵素體，形貌為樹枝晶形態(tài)，管子側(cè)熱影響區(qū)為貝氏體，角板側(cè)母材和熱影響區(qū)組織為奧氏體+鐵素體。宏觀、微觀金相組織檢驗合格，證明了采用吊掛管自動化焊接生產(chǎn)線焊接吊掛管具有較高的工藝可靠性，焊接質(zhì)量較高。

5 結(jié)論

（1）吊掛管自動化焊接生產(chǎn)線可實現(xiàn)電站鍋爐吊掛管的上料、點焊、焊接、下料、轉(zhuǎn)運等環(huán)節(jié)全流程自動化焊接生產(chǎn)，焊接每對角板的時間約1 min，焊接合格率超過99%。

（2）吊掛管自動化生產(chǎn)線可焊接不同材質(zhì)組合、兩側(cè)對稱、多種結(jié)構(gòu)形式的電站鍋爐吊掛管，適應焊絲種類為碳鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼。

參考文獻：

[1]王萍，曲瑞.電站鍋爐異種鋼焊接接頭失效問題淺析[J].鍋爐制造，2021，285（1）：45-49.

[2]羅永飛，李占霜.電站鍋爐智能化焊接現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電焊機，2016，46（3）：7-10.

[3]邵建明.燃煤發(fā)電鍋爐焊接工藝及裝備展望[J].鍋爐技術(shù)，2014，45（5）：64-67.

[4]盛仲曦，陳弈，楊霄，等.鍋爐集箱短管接頭機器人焊接系統(tǒng)[J].電焊機，2017，47（7）：43-46.

[5]秦國梁，陳蓉，矯恒杰，等.鍋爐壓力容器焊接工藝及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀[J].金屬加工，2019（4）：17-24.

[6]譚一烔，周方明，王江超，等.焊接機器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電焊機，2006，36（3）：6-10.

[7]陳善本，林濤，陳文杰，等.智能化焊接制造工程的概念與技術(shù)[J].焊接學報，2004，25（6）：124-248.