鍋筒-對流管束自動TIG焊接工藝設計

顧芝敏，嚴建俊，周小平，李亞光，王超倫

（1.江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇 江陰214444；2.南京工業大學，江蘇 南京210009）

鍋筒-對流管束自動TIG焊接工藝設計

顧芝敏1，嚴建俊1，周小平1，李亞光1，王超倫2

（1.江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇 江陰214444；2.南京工業大學，江蘇 南京210009）

根據水管鍋爐鍋筒-對流管束角焊縫自動TIG焊存在的問題，對常規焊槍包括弧長跟蹤方式、定位脹芯及送絲裝置等進行改進，同時設計了一套多自由度、簡便靈活的焊槍移動支撐工裝，解決鍋筒內焊槍移動、焊接問題；并進行焊接設備性能驗證，實現了水管鍋爐鍋筒-對流管束角焊縫的自動TIG焊。

鍋筒-對流管束；自動TIG焊；焊接工藝設計

0 前言

鍋筒、對流管是水管鍋爐非常重要的部件。以往鍋筒與對流管的角焊縫通常采用焊條電弧焊進行焊接，焊接工作量大，焊接質量主要依賴于焊工的技能與體力，工人長時間在鍋筒狹小的空間內持續焊接，容易疲勞，焊接效率低，焊接質量難以充分保證，且焊接煙塵大，對工人的身心健康造成一定的影響。要解決這些問題，采用自動TIG焊無疑是一條很好的途徑。在此根據公司實際產品的需求，通過設計自動TIG焊焊接工藝、驗證焊接設備性能、對比焊接效率，實現了水管鍋爐鍋筒與對流管角焊縫的自動TIG焊。

1 自動TIG焊優點及實施難點

1.1 焊條電弧焊與自動TIG焊對比

（1）自動TIG焊焊接煙氣小；（2）焊縫成形美觀，焊后無需進行打磨；（3）對工人的操作技能要求低，很大程度上消除了人為因素對焊接質量的影響，降低了工人勞動強度；（4）焊接效率高。

1.2 實現自動TIG焊難點

（1）由于鍋筒直徑較小（D=800～1 200 mm），操作空間較小、工人施工不方便，要求焊槍及移動工裝自由、靈活高；（2）鍋筒對流管接頭為馬鞍形接頭，要求設備必須能夠跟蹤焊接過程中的馬鞍形運行軌跡；（3）管頭裝配情況復雜，存在傾斜、間隙偏大等情況；（4）同一臺產品需要多把焊槍同時施焊且不能互相干擾；（5）鍋筒與對流管接頭位置多變，從垂直固定、水平固定到仰焊位置，要焊槍及電源能實現全位置焊接。

2 鍋筒-對流管束自動TIG焊接工藝設計[1-4]

根據鍋筒-對流管束自動TIG焊焊接存在的難點，通過焊接電源及焊槍、支撐工裝、焊接工藝參數三方面進行解決。

2.1 焊接電源及焊槍設計

2.1.1 焊接電源

采用X公司生產的逆變焊接電源，該款電源采用一體化設計：控制系統、主電源系統、循環冷卻系統三位一體，具有先進性、數字化、易操作、智能化、通用性、可靠性等特點，專門為管/板焊接而進行設計制造。

2.1.2 焊槍設計

（1）根據實際產品管頭裝配情況，改變傳統焊槍弧長跟蹤方式，使焊接過程中焊炬弧長跟蹤與管頭呈一定夾角，弧長跟蹤采樣以管壁為基準，解決鍋筒對流管裝配單邊間隙不均勻問題，減少焊接缺陷。

（2）根據管頭全位置焊接的特點，為確保焊炬中心與管頭中心重合，焊槍采用特制蝶形彈性定位器加氣動夾緊定位方式，使焊槍能夠牢牢地固定在管板上，精確定位焊炬位置，無需人工干預，真正意義上淡化了焊工操作技能，解決實際裝配情況存在的傾斜問題。

（3）增加快速定位限位裝置，快速定位保護機頭。

（4）送絲裝置及焊絲與焊槍分離，減輕焊槍整體質量。

通過采用專用的焊接電源及焊槍，解決了實際產品中管子裝配情況復雜、全位置焊接的特點，一個焊接工藝程序可分10個區間，以滿足工件不同位置的焊接要求。

2.2 專用支撐工裝

結合生產實際，設計出一套多自由度、簡便靈活的移動支撐工裝，如圖1所示。

（1）結構形式：移動工裝包括軸向移動導軌、軸向滑動裝置、水平旋轉裝置、周向旋轉裝置、垂直移動導軌、焊槍快速安裝裝置、徑向移動導軌、快速限位裝置。

圖1 鍋筒自動TIG焊支撐工裝Fig.1 Automatic TIG welding of boiler barrel support jig

（2）工裝自由度：可實現焊槍的軸向移動水平旋轉、周向旋轉、垂直移動、徑向移動，焊槍自由度高，滿足焊槍全位置定位、焊接要求。

（3）安裝簡便性：易在鍋筒內部安裝固定，操作、移動便捷，可布置至少4把焊槍，焊槍電纜不纏繞不干涉，工裝主體采用鋁合金型材，質量輕強度好，焊工勞動強度低。

（4）使用鍋筒范圍φ800～1 200 mm，調節范圍大，滿足水管鍋爐所有鍋筒-對流管束焊接需求。

2.3 焊接工藝參數

在鍋筒試件進行工藝參數調節及試驗，不同位置進行分區采用不同的焊接參數，解決馬鞍形接頭焊接困難的問題；采用的鎢極直徑為φ3.2 mm，焊絲直徑φ1.0 mm，一次成形，焊接效率高，其主要焊接工藝參數如表1所示。

3 產品焊接及檢驗

前期為了驗證設備的使用性能，模擬公司產品實際具體形式進行焊接（現已在產品上進行推廣），并進行外觀、水壓、金相實驗，驗證設備的使用能力。

3.1 焊縫表面成形及宏觀金相

焊縫表面成形美觀，無未熔合、咬邊、飛濺等缺陷，焊腳尺寸約5 mm；宏觀金相觀察無氣孔、夾渣等缺陷，焊縫熔深約1.5 mm。

3.2 水壓試驗情況

水壓試驗的具體操作及其他要求按GBT 16507.1～8-2013《水管鍋爐》、TSG G0001-2012《鍋爐安全技術監察規程》規定進行，水壓試驗壓力為1.0 MPa，保壓時間20 min，水壓試驗合格。

3.3 焊接效率

針對鍋筒對流管常用管子尺寸φ51 mm×3 mm進行焊接效率測試，結果如下：

（1）采用鎢極直徑為φ3.2，焊絲直徑φ1.0，焊腳為5 mm，焊接時間約135 s；針對不同直徑規格，管頭焊接時間稍有差異。焊槍移動及焊前調整時間約35 s，隨焊工操作熟練度提高，時間越短。

（2）一個工作日（8 h）正常焊接管頭數量大于80個，包括焊前準備工作、焊接時間等。

（3）相比于傳統焊條電弧焊，焊后無需進行打磨，減少焊后打磨時間，減少焊工勞動強度，提高生產效率。

表1 主要焊接工藝參數Tab.1 Main welding process parameter

圖2 焊縫表面成形及熔深Fig.2 Welding surface appearance and penetration

4 結論

（1）通過實際產品結構特點，對常規焊槍包括弧長跟蹤方式、定位脹芯及送絲裝置等進行改進，適應現產品焊接需求。

（2）設計了一套多自由度、簡便靈活的焊槍移動支撐工裝，解決鍋筒內焊槍移動問題。

（3）通過自動TIG焊設備性能驗證，檢驗接頭性能，使鍋筒-對流管自動TIG焊新工藝首次在公司產品應用成功，打破了鍋筒-對流管束采用焊條電弧焊等傳統工藝，標志著公司自動化焊接踏上一個新的臺階。

（4）鍋筒自動TIG焊具有操作簡單、焊工勞動強度低、焊工易于掌握等特點；相對于傳統焊條電弧焊，焊縫成型美觀，生產效率高、質量穩定可靠，改善工人操作環境。

[1]陳裕川.焊接工藝設計與實例分析[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]鍋爐安全技術監察規程TSG G0001-2012[S].北京：新華出版社，2012.

[4]水管鍋爐GB/T 16507.6-2013[S].北京：中國標準出版社，2014.

Design of automatic TIG welding technology for boiler barrel-convection tube bank

GU Zhimin1，YAN Jianjun1，ZHOU Xiaoping1，LI Yaguang1，WANG Chaolun2
（1.Jiangsu Shuangliang Boiler Co.，Ltd.，Nanjing 214444，China；2.Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

For the problems in automatic TIG welding of fillet welds on the water tube boiler barrel-convection bank，the conventional welding gun including arc length tracking mode，positioning bulge core and wire feed device are improved.Moreover，a set of multidegree of freedom，easy and flexible welding gun mobile support tooling is designed to solve movement and welding problems of welding gun.The performance of welding equipment is also verified and the automatic TIG welding is realized for fillet welds on the boiler barrel-convection tube bank.

boiler barrel-convection tube bank；automatic TIG welding；welding process design

TG444+.74

：A

：1001-2303（2015）10-0124-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.27

2015-06-08；

：2015-07-01

顧芝敏（1985—），女，江蘇江陰人，工程師，學士，主要從事鍋爐壓力容器制造、安裝工作。