鍋爐管板半自動(dòng)TIG焊焊接工藝

馬琦，索選軒，沈華西，歐先印，余細(xì)平

1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院九江分院 江西九江 332000

2.九江海天設(shè)備制造有限公司 江西九江 332000

1 序言

九江海天設(shè)備制造有限公司制造的某型船用鍋爐為管板結(jié)構(gòu)，其中爐管與管板的焊接接頭高達(dá)四五千個(gè)，其焊接質(zhì)量直接影響鍋爐的使用安全，焊接效率直接影響產(chǎn)品的制造周期，因此管板處的焊接在整個(gè)生產(chǎn)周期中極其重要。若采用焊條電弧焊焊接，則焊縫外觀質(zhì)量差，且熱輸入高，熔深大，極易燒穿爐管。手工氬弧焊雖然焊縫成形好，但效率極低，不能滿足規(guī)?；a(chǎn)需求。而半自動(dòng)化TIG焊具有焊縫成形美觀、焊接缺陷少、可靠性強(qiáng)，以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)上述兩種方法的不足，因此開(kāi)發(fā)此種焊接工藝十分重要。

2 管板結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求

鍋爐管板管孔分布如圖1所示，爐管與管板焊接接頭如圖2所示。管板材質(zhì)為Q345R，厚度24mm，爐管材質(zhì)為410G，公稱直徑為φ51mm×3.5mm。圖樣要求爐管伸出長(zhǎng)度L＝5mm，焊腳高為5mm。制造采用先脹后焊的工藝，并且焊接位置為全位置水平固定焊。要求焊縫外觀達(dá)到中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》要求，且按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》[1]進(jìn)行著色檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

圖1 爐管管板管孔分布

圖2 爐管與管板焊接接頭

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊前準(zhǔn)備

根據(jù)管板角焊縫的設(shè)計(jì)及焊腳高的要求，焊絲選用ER50-6、φ1.0mm，并按GB/T 8110—2020《熔化極氣體保護(hù)電弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲》[2]復(fù)驗(yàn)符合要求。鎢極氬弧焊的抗氣孔能力弱，因此焊前焊件清理尤為重要，在焊前應(yīng)將管板內(nèi)孔、爐管管頭及管板表面的鐵銹、油污及氧化皮等清理干凈，必要時(shí)用丙酮清洗，以保證焊縫質(zhì)量。

3.2 焊接方法及設(shè)備

采用半自動(dòng)TIG焊進(jìn)行焊接。焊機(jī)型號(hào)MWA-315，機(jī)頭型號(hào)MWP-80，焊接電源采用MWA-315，焊接過(guò)程采用計(jì)算機(jī)編程控制，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)基值電流與時(shí)間、峰值電流與時(shí)間、焊接速度、送絲速度、弧長(zhǎng)電壓及擺動(dòng)功能等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)控制。整個(gè)焊接過(guò)程可分為兩步：第一步為焊機(jī)機(jī)頭的定位固定；第二步為實(shí)施焊接（見(jiàn)圖3）。兩個(gè)步驟的準(zhǔn)確實(shí)施才能使整個(gè)焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形均勻美觀。

圖3 焊接示意

3.3 機(jī)頭定位

焊前焊接機(jī)頭的準(zhǔn)確可靠固定是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接的前提。由于焊前爐管進(jìn)行了預(yù)脹，每個(gè)爐管內(nèi)徑大小有所偏差，且爐管脹接部位與未能脹接部位直徑大小也不同，因此原機(jī)頭的圓柱形定位臺(tái)與脹芯難以將焊槍牢固地固定在工件上，導(dǎo)致焊槍主軸中心與爐管中心同軸度很差，焊縫容易偏側(cè)及管頭容易燒穿。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)，將圓柱形定位臺(tái)改裝成圓錐形定位臺(tái)，如圖4、圖5所示；將脹芯改裝成大小頭形式，如圖6、圖7所示。最終保證了焊槍可靠地固定在工件上，解決了焊槍主軸與爐管的偏心問(wèn)題。

圖4 φ51mm×3.5mm銅脹頭改裝前

圖5 φ51mm×3.5mm銅脹頭改裝后

圖6 φ51mm×3.5mm脹芯改裝前

圖7 φ51mm×3.5mm脹芯改裝后

3.4 焊接參數(shù)

脈沖焊機(jī)由基值電流和峰值電流組成，基值電流很小，僅能維護(hù)電弧不熄滅，峰值電流較大，起到熔化焊絲、母材的作用，如果電弧電壓保持恒定，采用不同的峰值電流和峰值持續(xù)時(shí)間的匹配組合，同時(shí)合理選用通過(guò)脈沖幅比、脈沖寬比、脈沖頻率，可獲得不同的熔深和熔寬，即可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)焊縫成形尺寸[3]。但是，當(dāng)采用同一組參數(shù)進(jìn)行全位置焊接過(guò)程中，由于焊接位置的不斷變化，會(huì)出現(xiàn)焊縫厚度不一致的現(xiàn)象，其原因是熔化的熔池在方向變化的電弧吹力、恒定的重力及變化的承載力的合力作用下，不斷改變外部形態(tài)，因此需根據(jù)不同焊接位置確定焊接電流、電弧電壓及焊接速度的匹配關(guān)系。為了彌補(bǔ)這種差異，試驗(yàn)中將各種焊接位置分區(qū)域劃分（見(jiàn)圖8），進(jìn)行分區(qū)焊接，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中焊接參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，在保證上坡焊焊縫厚度的前提下，盡可能增加下坡焊時(shí)的焊縫厚度。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，焊接參數(shù)改變前后焊接效果如圖9、圖10所示，最終確認(rèn)出適合的焊接參數(shù)，見(jiàn)表1、表2。

表1 不同焊接區(qū)域焊接參數(shù)

表2 不同焊接區(qū)域通用焊接參數(shù)

圖8 焊接區(qū)域劃分示意

圖9 焊接參數(shù)調(diào)整前效果

圖10 焊接參數(shù)調(diào)整后效果

3.5 焊接接頭檢測(cè)

焊接試件按中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》第3篇中7.5.3“受壓殼體焊縫表面應(yīng)均勻、致密，不應(yīng)有裂紋、焊瘤、氣孔、夾渣、咬邊、弧坑和未填滿等缺陷”以及NB/T 47013.5—2015Ⅰ級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收，經(jīng)外觀檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)全部合格。

4 產(chǎn)品驗(yàn)證

工藝試驗(yàn)確定的焊接工藝用于鍋爐爐管焊接驗(yàn)證，焊縫成形如圖11所示。焊接接頭外觀檢查焊縫表面無(wú)裂紋、焊瘤、氣孔、夾渣、咬邊、弧坑和未填滿等缺陷，達(dá)到中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》要求，按NB/T 47013.5—2015進(jìn)行著色檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

圖11 焊縫成形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析脹接用脹芯形式、脹頭形式、焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得到一種滿意的鍋爐管板半自動(dòng)化TIG焊接工藝，并得出以下結(jié)論。

1）采用半自動(dòng)TIG焊，焊縫外觀成形美觀，焊接缺陷發(fā)生率低，焊接質(zhì)量得到有效保障。

2）帶有一定錐度的脹芯、脹頭的結(jié)構(gòu)形式能準(zhǔn)確、牢固地固定焊接機(jī)頭，保證同心度。

3）半自動(dòng)TIG焊采用動(dòng)態(tài)焊接參數(shù)時(shí)，在全位置焊接下能保證整條焊縫的成形質(zhì)量。