基于鍋殼式鍋爐平管板的埋弧自動化焊接工裝研究

張紅玉，劉建斌，黃宏勝，劉守君，齊明貞

（1.山東華臻重工有限公司，山東 煙臺 265500；2.中國兵器工業第202研究所，陜西 咸陽 712000；3.中北大學機械工程與自動化學院，山西 太原 030051；4.太康縣職業中等專業學校，河南 周口 461400）

0 引 言

近年來，關于自動化的概述，已經發生了很大的變化。當初的所謂自動焊，實際上只是機械的焊接方法，中國機械工程學會焊接分會編《焊接詞典》第3版[1]，這樣定義自動焊：用自動焊接裝置完成全部操作的焊接方法。美國標準[2,3]ANST/AWS3.0《焊接術語與定義》中描述自動焊（Automatic-Welding）與機械焊（Machine Welding）的區別，就是在于焊接過程中是否需要操作者不斷對設備進行控制調節。盡管焊接過程中的一些主要動作，可以由機械實現，但不能以自動控制代替手工控制的操作只能屬于機械焊，即使在工業發達的國家，也為實現所謂真正的自動化進行更深的科學研究[4,5]。左傳付等人[6]論述了鍋殼式鍋爐平管板的低成本自動化焊接，郭平等人[7]對工業鍋爐平管板和凸形管板結構進行了有限元分析，邢芳等人[8]研究了2.25Cr-1Mo鋼的埋弧自動焊工藝，劉瑞祥等人[9]提出了儲罐橫向埋弧自動焊焊縫裂紋的防治措施，陸冬梓[10]研究了大型鋼結構井架埋弧自動焊焊接工藝。

本文研究的“蛇形管”實現鍋殼式鍋爐平管板焊接自動化，也是機械焊接的一種，其特點是：利用焊機的送絲機構送進焊絲，大大提高熔敷率，實現了小空間，機械設備不可達處的自動化焊接。為鍋爐、壓力容器等制造行業提供了一項新技術。

1 鍋爐平管板實現自動化焊接的難點

1）在鍋爐制造行業中，橢球形封頭與筒節的組對自動化焊接比較容易實現，但是最后一道組合環向對接內側焊縫也很難實現。對于鍋爐平管板封頭與筒節的組對自動化焊接難度就比較大，其難度在于平管板的直邊長度短，僅有100 mm左右，一端封頭實施自動焊后，另一端最后一道內環焊縫幾乎無法實施埋弧自動焊焊接，因為其機頭及工裝很難在管板直段狹窄空間發揮作用，如圖1所示。

采用手工電弧焊，焊工在筒體內施工條件差，安全沒有保障，而且勞動強度大，焊接質量也很難保證。

圖1 工裝改進前的埋弧自動焊結構示意圖

2）小直徑鍋爐筒體，在人無法進入筒體操作的情況下，只能采用單面焊。單面焊要求全熔透，且背面有良好的焊縫成形，較為困難。焊接工作者采取過很多措施，也不乏有成功之作。一般看來縱縫焊接裝置實現機械自動焊多于內環縫，特別是在工藝裝備條件有限的工廠，如采用焊縫跟蹤焊接裝置，不僅機構復雜，造價昂貴，而且鍋爐管板封頭最后一道內環縫的焊接位置差的矛盾更顯得突出。

3）鍋爐平管板組對焊接時，一般加工過程是筒體之間內、外縱環縫焊接完成后再組裝兩端封頭的環向對接焊縫。放置于滾輪架上的筒體在焊接內、外環縫時，縱縫的余高通過滾輪架產生的驟然抖動，使自動焊的焊縫成形變差，焊接質量下降，與此同時加工產生的筒體不圓度，也使焊接電弧不穩定而影響焊接質量。

2 改進工裝后的埋弧自動焊焊接工藝

實現筒體全部焊接自動化是以焊接結構和技術要求及生產規模為依據。在滿足焊接工藝和保證鍋爐筒體的裝配位置、尺寸精度的基礎上，同時考慮到生產能力及改善勞動條件，降低生產成本，提高經濟效益，提高焊接質量的目的。在有關技術人員及工人的配合下，通過對埋弧焊焊機的機頭送絲裝置和導電嘴的改裝實現了焊接自動化，其結構，如圖2所示。

圖2 工裝改進后的埋弧自動焊結構示意圖

1）當筒體1對裝完畢最后一道內環縫施焊時，先將“蛇形管”2穿過煙管管板孔（必須是管板的中心孔）找準焊縫位置，將“蛇形管”固定在埋弧焊機頭送絲機構3上，然后將焊絲11通過“蛇形管”穿過焊接導電嘴4對準環向焊接接頭的中心。再把絕緣護套8套在“蛇形管”的中間彎部位，防止“蛇形管”與煙管管板孔短路燒壞“蛇形管”和煙管管板孔，其原理方法既簡單又方便。當滾輪架出現偏差，使環向轉動的筒體產生軸向移動時，自動焊焊工可以調節埋弧焊機頭上的微調旋鈕，使導電嘴焊絲對準焊口的位置，保證熔池在焊接接頭的中心位置。筒體的壁厚不同和直徑大小引起的軸向偏移量、焊絲對中度也可以用埋弧焊機頭上的手輪進行調節。

2）當筒體重心不在兩輪中間附近，而使兩側輪承載不一致，這樣轉動時，筒體向較重的一側竄動而出現偏移；或中間筒節縱焊縫余高通過滾輪架產生抖動。關注定位指針和焊縫紅燒的軌跡，及時調節埋弧焊機頭上的微調旋鈕，避免大量偏移而引起焊縫跑偏。

3）在環縫埋弧自動焊中，焊絲與工件的轉動平面垂直中心線的相對位移，將對焊縫成形產生較大影響。由于筒體環縫焊接時，熔化的焊劑和金屬熔池，必將隨著工件轉動傾向于離開電弧流動，所以焊絲應有與筒體轉向相反的偏移量。一般情況下，環縫埋弧焊焊絲偏移量的大小取決于焊件的直徑、焊接速度、焊接電流和電弧電壓；直徑越小，焊接速度越快，電流電壓越大，焊絲的偏移量越大；反之亦然。通過實踐得知，環縫埋弧焊焊絲偏移量可在40~70 mm之間選擇。為防止偏移量過大或過小現象，焊接的焊接速度，按焊接工藝參數正常選擇，從而限制了筒體來自各個方向的不利因素，起到了跟蹤作用，獲得了良好的焊接質量。

4）焊接的引弧對焊接質量是至關重要的。一旦引弧不當必將造成嚴重的咬邊、燒穿或導電嘴與工件打弧短路而中斷焊接，同時由于其他設備還在正常運行而不能及時停止，而在引弧處出現帶有焊絲的焊瘤，對于它的修整，由于工作條件差，補焊較為困難。使用改進過的自動焊，焊接內環縫最后一道平管板環焊縫裝置，我們采用劃擦引弧法，具體步驟為：先轉動工件—焊絲慢速送進—擦劃工件—找正焊絲位置及指針位置—焊劑送進—起動電源引燃電弧—正常送絲焊接。

5）由于控制箱、送絲盤設置在筒體外，焊接指針在筒體內，所以筒體內、外焊工操作時要配合嚴謹，同時在焊接安全方面，增加了絕緣墊以保證焊工的人身安全。

3 拓 展

只要組成工件一端環縫的部件（平管板封頭、橢球形封頭、球形封頭等）中心開有能穿過“蛇形管”的孔，就以利用“蛇形管”完成環向對接接頭的內側自動化焊接。該工裝不僅能用于鍋殼式鍋爐平管板的自動化焊接，而且可以用于三回程鍋殼式燃油/燃氣鍋爐回燃室內環縫的自動化焊接，以及和該結構（圖1）相類似的壓力容器的自動化焊接。

4 結束語

通過對鍋爐平管板最后一道內環縫埋弧自動焊焊接工裝的改造，解決了鍋爐筒體在有限經濟和技術條件下及一定的生產規模范圍內一個焊接工藝難題。既經濟合算，又能保證焊接質量，實現了低成本、高效率、自動化焊接的目的。總之，無論任何工藝因素改變，只要在特定條件下相互匹配，在實際生產中加以修正，鍋爐平管板筒體實現全部埋弧自動焊就能達到滿意效果。

[1] 吳成材.焊接詞典[M].第3版.北京：機械工業出版社，2008.

[2] 美國國家標準學會ANSI AWS D1.1/1.1M-2006鋼結構焊接規范[M].北京：北方資訊服務中心出版社，2001.

[3] AWS A3.0:2001 Standard Welding Terms and Definitions[M].USA：Document provided by IHS Licensee，2003.

[4] 楊松.鍋爐壓力容器焊接技術培訓教材[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5] 王文瀚.焊接技術手冊[M].鄭州：河南科學技術出版社，2004.

[6] 左傳付，王志宏.鍋殼式鍋爐平管板的低成本焊接自動化[J].金屬加工(熱加工)，2009（10）：39-40.

[7] 郭平，俞樹榮，王宏建.工業鍋爐平管板和凸形管板結構的有限元分析比較[J].工業鍋爐，2008（1）：11-14.

[8] 邢芳，劉斌，王亮，等.2.25Cr-1Mo鋼的埋弧自動焊工藝研究[J].煉油與化工，2010（1）：31-33,59.

[9] 劉瑞祥，張德文，程鐵軍，等.儲罐橫向埋弧自動焊焊縫裂紋的防治措施[J].石油工程建設，2010（4）：44-46.

[10] 陸冬梓.大型鋼結構井架埋弧自動焊焊接工藝探討[J].科技風，2011，9（上）：39-40.