鍋爐集箱筒體與密排管座焊接技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)

南虎生

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030008）

1 鍋爐集箱筒體與密排管座的連接特征

集箱是鍋爐工質(zhì)混合、保證工質(zhì)均勻加熱的管件。典型集箱結(jié)構(gòu)包括集箱筒體和適配的鋼管組成。集箱筒體通常采用直徑為Ф89～Ф914 mm 的無縫鋼管，并鉆制連接通孔；而與之連接貫通的鋼管則往往選擇不同的直徑規(guī)格、管子數(shù)量及布置方式。為了降低制造難度，多采用集箱短管管座結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)集箱筒體和短管管座的預(yù)制連接。集箱筒體和短管管座結(jié)構(gòu)具有連接管排規(guī)格數(shù)量多、間隔空間狹小、分布位置復(fù)雜和非標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)特點，成為鍋爐集箱筒體與密排管座的焊接難題。其焊接工作量約占整個集箱焊接生產(chǎn)制造量的30%以上，對集箱制造的質(zhì)量水平和使用壽命影響很大。許多小規(guī)模企業(yè)在集箱筒體與密排管座連接工藝中采用焊條電弧焊工藝，存在著生產(chǎn)效率低、焊縫質(zhì)量波動等問題，成為制約集箱制造的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，而且集箱筒體與密排管座的焊接工藝受到焊接施工空間制約，焊接電弧可達(dá)性差，易影響焊接質(zhì)量，成為實現(xiàn)保證焊接質(zhì)量和進(jìn)行焊接自動化技術(shù)改造的攻關(guān)難題。

2 模擬試件的焊接工藝方法及焊接技術(shù)措施

2.1 焊接試件的結(jié)構(gòu)形式

焊接試件采用模擬集箱筒體與密排管座的連接形式，集箱筒體及管座材料為20G、12Cr1MoVG 鋼材，集箱筒體直徑Ф219 mm，管座規(guī)格包括Ф51 mm×7 mm、Ф42 mm×6 mm。模擬試件的焊接坡口如圖1 所示，分為全焊透坡口及非全焊透坡口兩種類型。全焊透坡口形式的焊接方法，采用鎢極氬弧焊打底焊，熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行自動焊接的填充焊、蓋面焊；非全焊透坡口形式的焊接方法，全部采用熔化極氣體保護(hù)焊自動焊接，實施多層多道焊。

2.2 焊接方法的優(yōu)化選擇

焊條電弧焊具有設(shè)備簡單、焊條品種多、施工操作靈活等特點。但是，焊條電弧焊的熔敷速度及熔敷系數(shù)低，采用手工操作易受人工操作影響，產(chǎn)生焊接缺陷，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較差。為了提高集箱的焊接生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，選擇藥芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊方法，代替焊條電弧焊方法。該焊接方法具有電弧穩(wěn)定性好，焊縫成形美觀，渣/氣聯(lián)合保護(hù)效果好，焊接材料熔化速度快、熔敷效率高，易于實現(xiàn)自動化連續(xù)焊接作業(yè)等特點，可以滿足碳鋼、低合金鋼、P91 等材料的集箱筒體與密排管座的焊接要求。

2.3 焊接設(shè)備的適配選擇

為了滿足管子外徑規(guī)格Ф32～Ф60 mm 的焊接條件，配套選擇了集箱筒體和短管管座專用焊機(jī)。其中，焊接電源采用額定電流500 A 的數(shù)字化逆變電源，具備恒熔深控制功能，結(jié)合焊接電流，配置水冷焊槍及水冷循環(huán)系統(tǒng)。專用焊接機(jī)頭采用緊湊型設(shè)計，由機(jī)架、中心定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、U 形回轉(zhuǎn)體、傳動機(jī)構(gòu)、焊槍及焊槍調(diào)整裝置組成。通過系統(tǒng)集成控制，實現(xiàn)手工定位、自動焊接的作業(yè)過程。機(jī)頭外夾管壁式的定位模式，可以靈活實現(xiàn)工件定位、組裝，并根據(jù)管子直徑進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，操作方便。同時，根據(jù)坡口角度、焊層形態(tài)、焊道位置，進(jìn)行焊絲送進(jìn)角度的適時調(diào)整，焊接規(guī)范參數(shù)控制使用預(yù)置的焊接程序，協(xié)同完成焊接過程中電弧的圓周移動和橫向擺動等動作，實現(xiàn)金屬熔化、熔池保持、冷卻凝固和焊縫成形的順序控制。

3 模擬試件的質(zhì)量檢測及缺陷成因分析

3.1 焊接試件表面氣孔缺陷成因分析

采用富氬混合氣體（80%Ar+20%CO2）焊接試件，發(fā)現(xiàn)焊縫表面中間區(qū)域存在氣孔缺陷。經(jīng)過對比試驗，發(fā)現(xiàn)焊接氣孔缺陷產(chǎn)生的原因，主要是焊接時氣體保護(hù)效果不好。因為焊接試件采用管道供氣方式，受多工位使用氣體的峰值影響，試件焊接工位的保護(hù)氣體僅有0.17 MPa，造成焊縫保護(hù)效果不良，導(dǎo)致焊縫表面產(chǎn)生氣孔缺陷。采用瓶裝混合氣體直接供氣，再次進(jìn)行焊接試驗，試件的焊縫表面未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷。焊縫成形美觀，尺寸一致，采用磁粉探傷進(jìn)行100%表面質(zhì)量檢查，未見焊接缺陷。

3.2 焊接試件宏觀金相檢查及缺陷成因分析

將焊接試件解剖加工并進(jìn)行宏觀金相檢查，發(fā)現(xiàn)個別焊縫存在起弧部位的夾渣缺陷，還有管座坡口側(cè)的局部夾渣、未熔合等焊接缺陷，經(jīng)過統(tǒng)計歸類，發(fā)現(xiàn)主要焊接缺陷為夾雜和未熔合。針對焊接缺陷產(chǎn)生的位置，結(jié)合焊接工藝參數(shù)進(jìn)行分析認(rèn)為，引弧時焊接電流增加速度過快，引弧部位焊縫形狀呈凸?fàn)?，焊縫橫截面形狀不好等是引弧部位夾渣產(chǎn)生的原因。管座坡口側(cè)夾渣及未熔合，主要是因為焊道布置不合理，已焊焊道與管座坡口形成尖銳夾角，導(dǎo)致后續(xù)焊道形成夾渣及未熔合缺陷。

4 集箱筒體與密排管座焊接技術(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用

4.1 焊接材料的優(yōu)化選擇

執(zhí)行NB/T 47018.3—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件第3 部分：氣體保護(hù)電弧焊絲和填充絲》，20G 試件選用型號T493T5-1C1-A 藥芯焊絲，規(guī)格Ф1.2 mm；12Cr1MoVG 試件應(yīng)選用型號T553T5-1C1-G 藥芯焊絲，規(guī)格Ф1.2 mm。兩種焊絲均屬于低氫型堿性渣系藥芯焊絲，符合GB/T 10045—2018《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼藥芯焊絲》技術(shù)條件。焊接保護(hù)氣體采用CO2和富氬混合氣體（80%Ar+20%CO2）。

4.2 焊道布置的優(yōu)化選擇

在較厚焊縫的多層多道焊中，焊道布置和焊接順序?qū)傅辣砻嫘螤罴皟?nèi)部缺陷控制影響很大。根據(jù)坡口角度和尺寸，調(diào)整焊道布置及焊接工藝參數(shù)，從而使每條焊道在保證熔合良好的前提下，通過焊道布置的優(yōu)化選擇，獲得理想的已焊焊道表面與坡口面的夾角尺寸，保持合理的金屬表面過渡角度，盡量達(dá)到鈍角過渡，形成較好的焊縫金屬截面過渡形態(tài)。典型的焊道布置具體如圖2 所示。

4.3 焊接規(guī)范參數(shù)的優(yōu)化選擇

根據(jù)發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷及其成因分析，必須對焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將每條環(huán)狀相貫線焊縫分為四個區(qū)間，各個焊接區(qū)間的焊接電流、電弧電壓相同，而焊接速度在不同的焊接區(qū)間內(nèi)分別選擇，在相貫線腹部區(qū)域數(shù)值較低，肩部區(qū)域數(shù)值較高。增加引弧程序控制，通過控制引弧電流和引弧移動距離，將引弧電流逐漸增加到正式焊接電流，進(jìn)而影響焊接材料熔化和基體金屬熔化情況，使得引弧部位焊縫金屬厚度逐漸增加，引弧部位焊縫沿長度呈斜坡過渡，實現(xiàn)良好的焊道搭接效果。經(jīng)過優(yōu)化選擇的焊接規(guī)范參數(shù)具體如表1 所示。

表1 經(jīng)過優(yōu)化選擇的焊接規(guī)范參數(shù)

4.4 集箱筒體與密排管座焊接技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用

采用經(jīng)過優(yōu)化的焊道布置方式和焊接規(guī)范參數(shù)，完成20 余個焊接試件，并全部進(jìn)行解剖加工和宏觀金相檢查，未見夾雜及未熔合等焊接缺陷，檢測結(jié)果全部合格。這說明經(jīng)過優(yōu)化的焊接工藝可行，可以應(yīng)用于集箱筒體與密排管座的生產(chǎn)制造。集箱筒體與密排管座采用藥芯焊絲自動化焊接技術(shù)，與過去的焊條電弧焊進(jìn)行對比，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。新技術(shù)完成的產(chǎn)品，焊縫成形美觀，一致性好，焊后基本不需要修磨處理，焊縫一次交檢合格率提高到98%以上，焊接效率較焊條電弧焊可提高約一倍。

5 結(jié)語

在鍋爐集箱筒體與密排管座的焊接工藝分析和專用焊機(jī)技術(shù)改造的基礎(chǔ)上，通過模擬試件的焊接試驗、技術(shù)優(yōu)化和質(zhì)量檢驗，提出采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊自動化方法，優(yōu)化選擇焊道布置方式、焊接規(guī)范參數(shù)等系列工藝技術(shù)，成功應(yīng)用于焊接生產(chǎn)，有效的提高了焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，提高了焊接自動化水平，建議在鍋爐制造行業(yè)中推廣應(yīng)用。