新型焊割技術在鍋爐行業的應用

張 羽，姜永曄，徐 展

（杭州富爾頓熱能設備有限公司，杭州310018）

新型焊割技術在鍋爐行業的應用

張 羽，姜永曄，徐 展

（杭州富爾頓熱能設備有限公司，杭州310018）

為了解決目前鍋爐焊接操作中存在效率較低、手法和技術較難掌握這一問題，采用STT（surface tension transfer，表面張力熔滴過渡）焊機完成了產品的初步焊接試驗。試驗結果表明，STT焊機的焊接速度是TIG焊的數倍，且基本不產生熔渣和飛濺，焊接時和焊接后的清理容易、費用低，對焊工技術和經驗要求較低，技法容易掌握。另外，為了提高鍋爐不銹鋼曲面上開孔的工作效率并保證表面質量，采用精細等離子技術進行了產品封頭的曲面開孔，在實際操作中解決了精確度控制和掛渣問題，為后續焊接工序減少打磨時間提供了質量保證。

焊接；精細等離子；不銹鋼切割；STT焊機；T型角焊縫

1 現有焊接工藝及新型STT技術介紹

1.1 現有焊接工藝

鍋爐的鍋殼和管板打底焊采用GTAW（gas tungsten arc welding）方法進行焊接。焊縫坡口形式為單V形、40°坡口，純氬氣，電流控制在160～200 A，電壓控制在13～15 V，氣體流量為13～14 L/min。此種焊接方法的優點是：電弧熱量集中，焊縫熱影響區窄，焊件變形小，焊縫成形美觀，質量好。但缺點是：焊接速度慢，且對焊工要求高。為了解決這一問題，采用STT（surface tension transfer，表面張力熔滴過渡）焊機進行產品的初步焊接試驗。STT技術利用高速可控性控制瞬時電弧電流的變化，在表面張力作用下達到熔滴平穩過渡。其焊接速度是TIG焊的數倍，且基本不產生熔渣和飛濺，焊接時和焊接后清理容易、費用低，對焊工技術和經驗要求較低，技法容易掌握。

1.2 STT焊機簡介及應用

STT焊接技術由美國林肯公司于1985年研究開發，其目的是為了開發一種使用CO2保護氣體而沒有飛濺的焊接方法。電源既不是恒流源也不是恒壓源，是基于交互式波形控制和高速逆變的技術，利用精密電流控制從而達到短路過渡的焊接[1]。STT焊接的優點是：低飛濺量，低煙塵，低氣體成本，熱輸入量可控，可全位置焊接，焊接成形良好，適用于形狀比較復雜的接頭形式。STT比TIG焊接優勢顯著，其焊接速度是TIG焊的4倍，可以輕易實現立向下焊接，對焊工要求低，對保護氣體成分不敏感，可使用100%CO2，可焊接不銹鋼、鎳基合金和低碳鋼[2]。

STT焊接過程始于基值電流階段，即短路前的電弧電流，這決定了大部分的熱輸入并保持電弧燃燒狀態；短路開始階段，檢測到電弧電壓短路信號后作出反應，電流在熔滴與熔池實際接觸前下降，從而改進了熔滴的潤濕性，這是STT技術飛濺小的原因；壓縮電流階段電流增加使熔滴與焊接分離，STT技術在熔滴分離時精確計算出時間并在這之前降低電流，從而消除飛濺；接下來在低電流水平重新建立焊接電弧，電弧建立之后即刻采用高電流即峰值電流階段，電弧即刻變寬，產生高熱量來確保良好的焊接融合并建立適合的電弧長度；最后，電流從峰值降低到基值，這也降低了對熔池的攪動并減少熱輸入量。

STT焊機在管道和汽車行業薄板焊接中得到廣泛地應用。管道管口的根焊質量直接決定了管道的整體焊縫，STT焊接技術解決了傳統CO2氣體保護焊接焊縫成形差和飛濺嚴重的問題，為管道特別是輸氣管道的焊接提供了解決方案[3-5]。西氣東輸工程中STT焊接解決了根焊手工焊的技術難題，焊接效率高，焊接接頭力學性能良好，工作環境得到改善[6-7]。 由于STT焊接結合了CO2焊接的成本低、效率高和TIG焊縫成形好的優點，在汽車行業薄板焊接上取得了良好效果[8-10]。

2 STT焊接技術參數的選取及焊接效果

2.1 STT焊接參數

2.1.1 基值電流

基值電流可控制焊縫形狀、影響焊縫總體熱量輸入。基值電流太大會造成滴狀過渡和形成大的熔滴，這樣會使飛濺增大，甚至在后續的焊接過程中，可能會出現燒穿的情況；基值電流太小會引起焊絲抖動，也會使焊縫金屬的潤濕性變差，根部余高超高，并伴有未熔合的情況，在鍋爐打底焊中一般選45～55 A。

2.1.2 峰值電流

峰值電流可控制電弧長度和保證較佳的熔化效果。峰值電流過大會引起電弧瞬間變寬，同時增加電弧長度，形成滴狀過渡，焊縫中間會存在凹陷，在后續焊接過程中，如果處理不好會出現層間未熔合；峰值電流太小會引起電弧不穩和焊絲抖動，焊縫與坡口之間的夾角。會形成一定的死角，在進行填充和蓋面焊時，會產生坡口未熔合。實際焊接時，對峰值電流的設置應考慮到飛濺和熔池攪動，使其最小化。在鍋爐打底焊中一般選400～420 A。

2.1.3 間隙

STT技術對薄板接焊時一般不需要開坡口，但該焊接方法對間隙較為敏感。在鍋爐打底焊中一般選間隙為2.5～3.5 mm。

2.1.4 氣體流量

氣體流量能把電弧區周圍的空氣排開，保護好電極、熔化的液態金屬以及處于高溫下的近縫區金屬。氣體流量太大時，對熔池吹力大，冷卻作用加強，容易產生氣流紊亂，產生氣孔；相反，氣體流量過小時，挺度不夠，保護不良，也容易產生氣孔。在鍋爐打底焊中一般選12～14 L/min。

2.1.5 氣體選擇

不銹鋼焊接一般使用三元氣（氬氣、氦氣、二氧化碳）；碳鋼焊接使用二氧化碳；碳鋼脈沖焊接需要使用二元混合氣（氬氣、二氧化碳）。

2.1.6 焊接速度

焊接速度對熔深和熔寬均有明顯的影響，焊接速度增加時，從焊縫的熱輸入和熱傳導角度來看，焊縫的熔深和熔寬都會減小。

2.1.7 熱起弧

設置熱起弧控制可以提高起弧的成功率，在焊縫起始點增加20%～50%的電流，保證足夠的熱輸入，以補償因工件溫度較低而散失的熱量[10]。

2.2 STT焊機施焊效果及注意事項

使用STT林肯焊機對鍋爐的鍋殼和管板T型角焊縫進行打底焊接。為了與原有焊接方法進行對比，采用相同的焊接工藝參數，即單V形，40°坡口。采用向下坡打底，充分利用STT焊接在立向下焊接中的優勢。STT焊機的主要優勢體現在：焊接過程中幾乎沒有飛濺，工作環境得到了較大改善；對焊工要求不高，非熟練工也可進行焊接；焊接速度較原氬弧焊提高2倍以上；焊縫接頭良好；焊縫背面成形平整、無突出（如圖1所示）；根焊焊面基本呈平面狀態，大大減少了打磨工作量；焊接穩定性好。一般情況下，操作過程中應將TRIM（電壓修剪值）設置為1.00。因為TRIM影響電弧長度，設為0.50時，電弧長度過短；設置為1.50時，電弧長度過長。

圖1 STT焊接的焊縫

3 現有切割方法及精細等離子切割對比

3.1 現有切割方法

所研究的熱水鍋爐封頭為304不銹鋼，呈曲面，直徑700 mm，高230 mm，厚8 mm。需要開垂直于水平面的孔，孔中心位于以封頭中心為原點、直徑600 mm的圓周上，開孔的工作量相當大。受曲面的限制，無法使用傳統的切割方法，如火焰切割和非精細等離子切割，只能采用鉆床開孔，使用麻花鉆，且要求鉆頭磨出分屑槽、修磨橫刃以減小軸向力。在切割過程中，首先應注意將鉆頭裝正，以保持鉆頭鋒利，且用鈍后應及時修磨；其次，切削速度不可過高，以防燒壞刀刃；進給量不宜過大，以防鉆頭磨損加劇或使孔鉆偏，在切入和切出時進給量應適當調小。因此，現有切割方法鉆孔速度緩慢，生產力低下。

3.2 精細等離子切割

“精細等離子”20多年前進入切割市場，給激光切割帶來了挑戰。精細等離子切割通過極大地縮小噴嘴孔尺寸而產生極度壓縮弧，獲得高能量密度，從而與激光產品競爭。精細等離子系統已經成為金屬切割工業中與激光相競爭的先進的等離子產品[11]。等離子切割速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時，速度可達氣割的5～6倍，切割面光潔，熱變形小，幾乎沒有熱影響區。目前，隨著大功率等離子切割技術的成熟，切割厚度可達150 mm[12]。同時，等離子弧穩定性的提高，使其達到相當高的切割精度。

割炬是產生等離子弧并進行切割的關鍵部位，較小電流的割矩多采用風冷結構，可切割厚度為100 mm以下的不銹鋼、鋁、鑄鐵和銅合金，切割效果良好。現代割炬具有更強的穿孔能力，所產生的高密度電弧可以極大地改善切割質量，實現小割縫、切口平整以及變形小的效果[11]。

數控等離子切割技術在改善加工精度、節約材料、提高勞動生產率等方面顯示出巨大的優勢，受到了國內外廣泛的關注。數控等離子切割割炬與工件之間的高度控制至關重要，國內一般采用模擬電路進行控制[13-14]。現代CNC控制系統具備自適應控制技術、專家系統技術和故障自診斷技術。使得數控系統可以檢測已有信息的影響并自動地連續調整參數，提供優化的切割參數并使加工系統始終處于最優和最經濟的工作狀態，為數控設備提供了二次檢測、故障診斷和維護決策信息的集成系統[11，15]。

4 影響精細等離子切割精度的因素及切割效果

4.1 影響精細等離子切割精度的因素

試驗用精細等離子切割機具有無限回轉坡口切割功能，廣泛適用于相貫線、型鋼的切割。回轉頭和精度補充可以解決鍋爐封頭曲面開垂直水平面孔的難題。

帶有無限回轉頭的切割工具延伸了z軸導軌跨度，提高了配件的穩定性和剛性。借助這個輔助軸，切割頭相對理想位置的機械誤差就可以得到補償。回轉頭配備交流電機驅動系統，割炬可回轉的固定在夾具軸承中，使得割炬可自由旋轉而且等離子割炬線纜總成無需旋轉。

保障切割精度和一致性的主要因素：

（1）歐姆接觸與自動校槍系統。歐姆接觸測量割槍保護帽和平板之間的電氣接觸。優點是可以在割炬接觸平板的一瞬間做出反饋，這樣就不必把割炬推向平板，消除了測量過程中推力造成的誤差。自動校槍系統是提高運動機械部件精度的輔助方法，有效改善坡口切割質量并在撞搶后和更換割炬時，能快速校準槍頭。該系統主要用于自動補償坡口切割頭在切割過程中逐步產生的機械誤差。補償機制是對x/y/z運動軸做適當的校正疊加。

（2）自適應坡口校正，校正圖表。因等離子弧并非完美的圓柱形，割炬傾斜到給定角度時，切割后得到的角度總是與最初設定不一致。等離子弧的技術偏差可用軟件來修正，該修正需要大量的現場切割經驗作為基礎，從而構建龐大的切割參數補償數據庫。

（3）恒定切割高度控制。恒定切割高度是用3個點來測量平面，估算表面位置并以恒定高度進行切割。當板材未放置在水平狀態下，切割機將自動檢測等待切割區域的板材到達水平狀態，并將傾斜角度測量值傳送給CNC，CNC在指揮回轉頭進行實際切割之前，會事先針對傾斜角度做出補償，然后才開始切割，因此具備鋼板傾斜的矯正功能。

4.2 切割效果

保證氣體純度可解決掛渣問題。將H35混合氣體純度從999更換到9999后，不銹鋼封頭掛渣效果有非常大的改善，切割效果如圖2所示。切割位置準確且尺寸符合偏差要求，切割表面光滑度良好，基本不存在嚴重掛渣問題。切割效率提高了15倍，大大降低了工作強度，滿足大批量生產的需求。

圖2 精細等離子切割效果

5 結 語

STT林肯焊機在鍋爐T型角焊縫打底焊中取得了良好的焊接效果，充分體現了STT焊接技術的優勢。STT焊接時基本不產生焊渣和飛濺，焊渣容易清理，費用低，其焊接速度是TIG焊的數倍。精細等離子切割在鍋爐不銹鋼封頭開孔中取得了良好的切割效果，極大地提高了工作效率，控制了掛渣、定位，尺寸精確度高，并為后續焊接工藝提供了保證，焊割新工藝在鍋爐產品制造的實際應用中取得了良好效果。

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Analysis of New Cutting and Welding Technology Application in Boiler Industry

ZHANG Yu,JIANG Yongye,XU Zhan
（Hangzhou Fulton Thermal Energy Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310018,China）

In order to solve some problems in boiler welding operation,such as low efficiency,welding method,and welding technology is more difficult to master,the preliminary welding test was carried out by using STT(surface tension transfer)welder.The test result indicated that the welding speed of STT welder is several times of TIG welder,basically do not produce slag and splash,and the cleaning in welding and after welding is easy,low cost,low requirements for welding technology and experience,easy to grasp.In addition,in order to increase drilling efficiency on boiler stainless steel surface and guarantee surface quality,it adopted fine plasma cutting technology to drill on welded joint surface,this method solved accuracy control and adhering slag,which provided quality assurance for reducing polishing time in follow-up welding process.

welding;fine plasma;stainless steel cutting;STT welder;T-joint fillet weld

TG444.74

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.007

張 羽 （1985—），女，工程師，碩士，主要從事質量體系和國內外鍋爐產品的認證工作。

2016－02－03

李紅麗