鋼鐵廠自備電站鍋爐智能化焊接現狀及發展趨勢

李明元

（1.中國電建集團河北工程有限公司；2.河北省大型電站機爐安裝技術創新中心，河北 石家莊 050021）

歷經多年的發展，我國的鍋爐制造及安裝技術也在不斷成熟，從上世紀五十年代的6MW機組，發展到八十年代的300MW機組，九十年代、電站鍋爐的單機容量已經超過了600MW，鍋爐的蒸汽參數也從亞臨界提高到了超臨界。21世紀，電站鍋爐的單機容量突破了1000MW，蒸汽參數也提高至超臨界。最近三十年，我國電站鍋爐的制造技術突飛猛進，焊接技術在電站鍋爐的制造中應用非常廣泛，除了環焊縫、長直焊縫可以采用智能化焊接，大部分焊接結構仍然需要手工電弧焊。新時期下，自動化和智能化焊接成為我國加工制造行業的重點研究課題，在鋼鐵廠自備電站鍋爐制造和安裝過程中，手工焊接存在許多弊端，比如鍋爐集箱的管座，排列非常密集，操作空間狹小，而且焊接之前需要預熱到300℃左右，以預防裂紋的出現，手工焊接勞動強度過高，而且無法保證焊接質量。正因如此，研究智能化焊接技術才具有深遠的理論價值和現實意義。

1 鋼鐵廠自備電站鍋爐的智能化焊接現狀分析

一臺鍋爐的重量有萬余t，它是一個體積龐大、結構復雜的系統裝置。根據運行功能，可以將電站鍋爐的核心承壓部件分為汽包/汽水分離器、集箱、蛇形管、膜式壁四種類型。每種部件的結構形式不同，制造過程中采用的焊接技術也存在很大差異。

1.1 集箱零部件的焊接

在鋼鐵廠自備電站鍋爐的運行過程中，集箱的主要作用是匯集并分配汽水，它是非常重要的承壓部件。集箱筒身的焊接工序有環縫對接、受熱面管座焊接、大管座焊接以及附件焊接，集箱的筒身是由成品鋼管制作而成，環縫焊接方面，多數制造廠家采用的是氬弧焊打底＋埋弧焊的焊接技術，也有廠家實現了窄間隙熱絲TIG焊，主要用于高等級材料制成的集箱，可顯著提高焊接質量。大管座的焊接，很多廠家都在啊研發自動焊裝置與工藝，但現階段并未成功，仍然采用手工焊接。小管座的焊接，有的廠家采用藥芯焊絲氣保焊，還有的廠家應用氬弧焊＋細絲埋弧焊。

1.2 蛇形管部件

對于鋼鐵廠自備電站鍋爐而言，蛇形管部件同樣重要，它屬于鍋爐的受熱面管系，形狀十分復雜，由小口徑管拼接而成，特點是材料類型和焊口數量較多，制造難度大。管子對接是蛇形管部件的主要焊接工序，大多數制造廠家在直管對接中都選擇機械熱絲TIG焊進行焊接，也有一部分廠家為了提高焊接效率，采用的是機械TIG＋MIG焊。在彎管對接中，由于焊接位置的局限，通常只能采用手工氬弧焊＋焊條電弧焊技術。盡管目前已經研發了全位置的TIG焊設備，但從實際應用來看，效果并不理想。

1.3 膜式壁部件

該部件的主要作用是吸收爐膛火焰的熱量，對管內介質進行加熱，降低煙氣的溫度，能夠很好的保護爐墻，膜式壁部件主要設置在爐膛周圍的受熱面，由光管與扁鋼兩部分組成，還包括一部分部件。膜式壁光管＋扁鋼角焊縫的工作量極大，但現階段機械焊接廣泛普及，通過機械氣保焊、機械埋弧焊等焊接技術可以順利完成焊接工作。機械氣保焊包括兩種類型：一種是龍門焊，為4頭或6頭，主要用在非直管屏的焊接中，從正面焊接。另一種是MPM焊，具有多頭的上焊槍與下焊槍，通常用來焊接直管屏，可以同時從上下兩側進行焊接，焊槍可以達到20頭以上。機械埋弧焊只有4頭或者8頭，僅能用于管屏上側的焊接。

在鋼鐵廠自備電站鍋爐的一部分爐型中，膜式壁部件的銷釘焊接還可以采用銷釘螺柱焊焊接工藝，銷釘的數量較多，目前還沒有實現全自動化焊接，只能通過人工焊接的方式逐個焊接，需要花費大量時間和人力。膜式壁其他部件的焊接技術主要是半自動熔化極氣體保護焊或者手工焊條電弧焊。

總體而言，鋼鐵廠自備電站鍋爐焊接的自動化、智能化程度并不高，大部分焊接工作仍然需要依賴人工操作，無法實現機械焊接。能夠機械焊接的部件也無法完全實現智能化焊接，作業過程中仍然需要人工監控。為了節約成本，鋼鐵廠采購的焊接設備比較簡單，功能相對單一，很大程度上制約了智能化焊接的發展。

2 鋼鐵廠自備電站鍋爐智能化焊接的發展

近幾年，傳統工業生產行業競爭較為激烈，全球經濟陷入低迷，鋼鐵生產企業想在激烈的市場競爭中脫穎而出，必須要不斷升級制造設備，提高自動化與智能化水平，控制和降低鍋爐的焊接成本。

2.1 立足于現有條件開發智能化焊接設備

現階段，集箱管座、銷釘的焊接仍然以手工焊接為主。如果用設備替代人工，無疑是對這一焊接工序進行了重大改革，不僅提高了制造效率和質量，還能大幅度降低人工成本。然而，使用智能設備來代替人工并不是短時間內就能實現的，從人工焊接到智能化焊接的轉變，需要一定的過渡，可將自動化和機械化焊接作為過渡方案。在自動化發展的過程中，最大的阻礙便是集箱大管座的布道，實際操作中可以參考汽包大管座馬鞍埋弧焊的經驗，焊接時先進行人工布道，然后再采用機械焊。在集箱小管座焊接方面，一部分廠家已經驗證了機器人焊接的可行性，但前提是要提高坡口的加工精度，并不能夠滿足鍋爐的安裝和焊接需求。銷釘焊接的自動化程度較低，需要通過人工的方式持焊槍焊接，然后安裝銷釘以及磁圈。由此可見，提高銷釘焊機的自動化水平也是智能化焊接的重要研究方向。

2.2 重視對機械焊設備的智能化改造

現階段，龍門焊、MPM焊在膜式壁管屏的焊接中已經廣泛普及，但實踐操作中，仍然需要人工的方式來操控焊槍，整體而言，自動化水平較低。應用MPM焊時，仍然需要人工監測并調整焊縫的位置及相關參數。龍門焊和MPM焊雖然屬于機械焊，但都需要人工操作，因此，只有對這些焊接設備進行智能化改造，才能提高設備的制造性能，在設計方面，可以采用視覺識別和機械焊兩種技術相互結合的方式，讓焊槍能夠自動搜索、定位焊縫的位置，最終實現自動化焊接。

2.3 推廣焊接模擬與仿真技術

現階段，計算機技術已經非常成熟，通過計算機軟件編程，完全可以普及焊接過程系統模擬以及仿真技術，該技術是實現智能化焊接的基礎，通過焊接建模，在鍋爐新結構的焊接中能夠完成應力、變形等數據的計算，從而預測不同焊接條件的新材料組織的轉變。

2.4 重視對焊接系統智能化集成的研究

焊接電源、焊接模擬仿真技術、焊接機器人是構建部位焊接智能化集成的前提，理論上而言，未來的智能化焊接并不需要人工操作，而是將焊接工程師作為對話對象，借助遠程焊接控制技術以及焊接過程中的自動監控、診斷等技術實現人工與機械設備的分離，這也是提高鋼鐵廠自備電站鍋爐智能化一個方案，此方法實施不僅需要開發商的努力，同時還需要鋼鐵企業與安裝單位的積極配合。

3 鋼鐵廠自備電站鍋爐集箱管座的焊接系統設計

3.1 設計要求

作為鋼鐵廠自備電站鍋爐的重要組成部件，集箱的功能是匯集所有工作介質，并且把工作介質從集箱分配至各個管道內，實現對工作介質的均勻分配和加熱作用。根據鍋爐系統的類別，可以把鍋爐匯集管束的集箱分為省煤器集箱、水冷壁集箱、過熱器集箱、再熱器集箱幾種類型，集箱的筒身上安裝了大量和受熱面相焊接的管接頭，管接頭的材質可以是低合金鋼，也可以是高合金耐熱鋼。管接頭的外徑通常為30mm～108mm，壁厚3mm～50mm。管接頭的特點是規格復雜、材質類型多樣、數量巨大，成排密集的分布在集箱筒身上，管接頭之間間隔的距離非常小，手工操作的空間十分狹窄，工作強度高，工作效率低。小管接頭的機械化、自動化焊接水平較低，現階段主要用手工電弧焊＋藥芯焊絲氣體保護焊或者焊條電弧焊的方式進行焊接，工作量大，人工付出的勞動強度非常高，而且焊接質量與合格率較低。正因如此，設計鋼鐵廠自備電站鍋爐集箱小管座的自動化焊接系統，提高焊接效率和質量顯得格外重要，系統的設計要求如表1所示。

表1 鍋爐集箱小管座自動化焊接系統的設計要求

3.2 機械人焊接編程系統

PowerMILL、FeatureCAM、DentMILL、PartMaker、ArtCAM是英國Delcam公司研發的高端軟件，在制造領域有著廣泛應用。在PowerMILL平臺的基礎上，該公司推出了PowerMILL Robot Interface工業機器人編程軟件，實現了對焊接機器人的離線編程。PowerMILL Robot Interface支持大部分主流Robot設備，還可以根據廠家的需求制定個性化的Robot設備。PowerMILL Robot Interface的優勢主要體現在五個方面：

（1）編程效率高，易學易用，操作簡單，控制性能極佳，可使用標準化的刀具庫管理系統和模板變成，更容易實現制造車間的標準化管理。

（2）具備機器人裝卸、搬運、焊接、激光、水刀切割、火焰切割、發泡取件、注塑取件、銑削復雜零件等功能。

（3）機器人可直接讀取、采用離線編程程序。

（4）能夠模擬真實的工作環境。

（5）Delcam離線編程讓技術人員更容易控制機器人，離線仿真技術可以減少現場的驗證等待時間，降低出錯率和風險性，消除生產安全隱患。

4 結語

綜上所述，盡管目前鋼鐵廠自備電站鍋爐的焊接主要以人工、半機械操作為主，但隨著弧焊機器人、機械化焊接專機設備的完善，智能化焊接將在工業制造安裝領域占據主導地位。