鍋爐壓力容器焊接自動化技術和應用

張劍敏

（東營市特種設備檢驗研究院 山東東營 257000）

鍋爐壓力容器是工業生產中不可或缺的設備，并且對安全性能有著嚴格要求，如鍋爐壓力容器的抗壓能力、導熱性能等。傳統人工焊接技術存在諸多缺陷，無法滿足現代工業生產需求，導致鍋爐壓力容器的安全系數大大降低。伴隨焊接自動化技術的推廣，鍋爐壓力容器焊接質量與效率得到有效提高。焊接技術自動化發展是必然的趨勢，這也代表現代社會科學技術水平有所提升，而鍋爐壓力容器的焊接質量與生產能力問題得到充分解決，由此可見，先進的技術工藝往往是促進社會經濟發展的重要舉措［1-3］。

1 鍋爐壓力容器與焊接自動化技術概述

1.1 鍋爐壓力容器

由于鍋爐壓力容器大多應用在高危環境下，所以本身屬于特殊生產設備，現階段以工業生產的使用居多，因此，對于質量安全有著極高要求。生產制造過程中，必須嚴格檢查，做好每個環節的質量把控。另外，鍋爐壓力容器為多部分組成，所以生產離不開焊接工藝的支持，必須要采用適當的焊接技術，同時提高焊接水平，才能保證鍋爐壓力容器質量符合標準要求。若焊接過程中技術水平不足，不僅會影響設備本身的質量，還會留下巨大的安全隱患，導致工業生產面臨威脅。通過事故分析，發現鍋爐壓力容器爆炸與自身的焊接密封性不足有關，因此，在生產制造中，需要重視鍋爐壓力容器焊接。

1.2 焊接自動化技術

焊接是鍋爐壓力容器生產制造中不可或缺的環節，而焊接自動化技術代表焊接技術朝著自動控制方向發展，徹底擺脫了傳統人工焊接技術。作為現代化焊接技術工藝，其核心是將焊接操作與計算機技術進行有效結合，能夠充分了解鍋爐壓力容器焊接具體參數，通過提前預設完成自動化控制操作，也就是將數據信息輸入到計算機系統，由計算機設備實現自動化焊接。這一轉變無疑提高了焊接效率和質量，也見證了焊接技術的巨大突破，并且從半自動逐漸轉變為全自動化操作，包括焊后清理與零件成型等程序，這要得益于自動化控制系統的應用。雖然是依靠機械設備完成焊接操作，但精準度方面完全不需要擔心，因此，焊接自動化技術才會應用在航天等精細設備制造過程中［4-5］。

2 鍋爐壓力容器焊接自動化技術的應用意義

任何技術工藝都要吸取經驗，不能故步自封，影響工業水平發展，尤其在很多產品對焊接質量有更高要求的條件下，相關領域的研究者和生產者必須積極進取，對技術工藝與產品進行升級，因此，焊接自動化技術的應用是為了更好地符合工業發展需求。除此之外，我國很多行業、領域正在走向國際市場，就是因為各項技術日漸完善，自動化程度有所提高，如鍋爐壓力容器焊接就利用自動化技術提高生產效率與質量，這樣才能獲得更大的發展空間。另外，不能過度依賴國外進口技術、設備，應積極吸取先進經驗，總結生產技術，這是獲取持續性發展的重要舉措。

3 鍋爐壓力容器焊接中常見的質量問題

在傳統的鍋爐壓力容器焊接過程中，由于技術方面存在較大的滯后性，因此焊接容易引發缺陷，例如，在焊接方法不當的條件下，就會造成鍋爐壓力容器外部咬邊缺陷。此外，焊接過程中無法避免產生熔渣，傳統人工焊接無法有效清理，熔渣長期存在于焊縫中，導致焊接位置出現夾渣現象，這也是較大的質量缺陷，導致焊接嚴密性與強度受損，因此，應用焊接自動化技術勢在必行。

4 鍋爐壓力容器焊接自動化技術的應用

4.1 膜式壁焊機

伴隨著科技迅速發展，我國在鍋爐壓力容器焊接技術方面得到重大突破，膜式壁焊機就是典型的現代自動化焊接技術，并且得到全面推廣和應用。目前，該技術已經日漸成熟，并且在設備性能水平上已經達到同類進口設備標準，這也代表鍋爐壓力容器焊接效率質量將會得到顯著提高。在膜式壁焊接機的推動下，逐漸形成了氣體保護焊接與埋弧焊接兩種工藝，大大提高了設備的生產能力。另外，膜式壁焊槍的靈活性更高，焊接效果也要比傳統工藝優異。目前來看，膜式壁焊機的潛力較大，尤其在自動化水平方面，可以通過加強研究，徹底擺脫人工操作，縮小與國外工藝技術的差距。在使用過程中，主要包含管子和扁鋼焊接兩種模式，同時，根據焊槍數量、焊接流程排列，以此來保證符合焊接需求。該技術完全能夠處理好鍋爐壓力容器，但是與國外的焊接技術仍有差異，雖然設備差距不大，但個別操作環節需要依靠人工操作，因此，未來必須圍繞自動化程度進行研發，優化完善操作管理步驟。

4.2 直管接長焊機

由于鍋爐壓力容器對于質量有著較高要求，因此，在焊接過程中必須保證安全。現階段，直管接長焊機成為普遍的自動化焊接技術，能夠滿足鍋爐壓力容器的各項要求。例如，鍋爐壓力容器運行過程中往往會產生熱量，如果熱量超過相關標準，就會引發火災，因此，要及時采取散熱處理，對火災等事故展開預防。以往通常會選擇安裝散熱設備對溫度進行有效控制，但是在直管接長焊機得到全面普及后，不需要額外安裝散熱設備，即可在焊接過程中對鍋爐壓力容器進行散熱。另外，該焊接技術主要通過PLC 自動化控制系統進行運用，高效完成預處理自動化生產，同時，焊接過程精準度大大提高，借助PLC控制系統，實現反復性操作。我國在鍋爐壓力容器焊接技術的研發工作中經歷很多重要階段，從最早期的TIG 冷絲到當前的TIG 熱絲，在焊接技術上得到顯著突破，并且已經開始廣泛采用國產設備，說明我國的產品核心競爭力正在提高，焊接技術日漸成熟。在實際焊接過程中，通過PLC系統，充分穩定了焊接質量，因此，直管接長焊機屬于較為理想的自動化焊接技術。

4.3 馬鞍形焊機

針對鍋爐壓力容器焊接要求，可以采用馬鞍型焊機進行處理，這也是應用較為廣泛的焊接技術，但是從具體的焊接效果來看，仍然有待完善，包括焊縫成型質量與整體焊接質量。為了能夠完善此自動化焊接技術，通過構建完善的數學模型，輸入相應的參數，對運動軌跡展開精準計算，從而保證焊槍的運動軌跡足夠準確，嚴格按照程序預設實現焊接操作。在焊接過程中，需要注意控制好鍋爐壓力容器的水平位置，這也是強化焊接質量的關鍵。目前來看，優化過后的馬鞍型焊機使用效果良好，大幅度提升了焊接效率與質量。由于馬鞍形焊機分為不同種類，在使用過程中，要結合實際需求確定型號。例如，升降、運動相對靈活的設備，焊接前輸入準確參數，在焊接過程中可隨意調整，包括自動、手動修改焊槍位置水平［6-8］。

4.4 集箱環縫TIG自動封底焊接工作站

在現代科技的加持下，鍋爐壓力容器焊接技術也在提高，現階段焊接技術自動化特征明顯，例如，集箱環縫TIG自動封底焊接工作站就是相對現代化的焊接技術，該工作站在焊接中能夠起到重要作用，并且有著諸多優勢，如減少電焊環節、焊口組裝對位可直接采取冷絲TIG 焊接技術等，就能將兩側完美連接。在焊槍固定操作的條件下，工件會持續性轉動以此來滿足焊接需求，保證焊接過程的完整性，并且安裝了浮動式動力頭，讓工件時刻保持平穩的狀態。通過實際應用來看，自動化水平較高，加上采用了PLC 控制系統，能夠大幅度提高焊接效率與質量。工作站主要由多個部分組成，其中包含滾輪架、TIG焊槍運動系統及浮動式動力頭。滾輪架的作用是調節、穩定工件，大多采用4臺滾輪架，2 臺放在中間位置并且具備升降功能，另外2臺置于兩側，滾輪架與工件的接觸面主要采用聚乙脂，這也是較為柔軟的材料，可以吸收焊接過程中的工件跳動。浮動卡盤式動力頭調速范圍大、精準度高，有利于改善工件偏載或走向跳動等問題，對提高焊接質量有著重要作用。TIG 焊槍運動機構為焊槍跟蹤機構、窄間隙焊槍、控制系統多個部分，可以通過規范參數與程序進行控制，充分滿足了鍋爐壓力容器對于焊接工藝的需求，自動化程度相對較高。

4.5 窄間隙埋弧焊機

窄間隙埋弧焊接機具有較強的人性化特征，由PLC、AC、觸摸屏組成控制系統，大大降低了操作難度，焊接過程中的精準性也能得到有效把控。該焊接技術中分為激光跟蹤、智能控制系統及窄間焊槍等部分。激光跟蹤是窄間隙埋弧焊機的核心，也是對傳統窄間隙埋弧焊機的有效優化，能夠保障焊槍始終處在正確的位置下，并對整個操作流程進行跟蹤。窄間隙埋弧焊機應用了多種機械式位移傳感器，利用激光攝像頭進行圖像判別，提高了焊接效率和質量。但是受到激光頭性能方面的影響，要注意與工件之間的距離，盡量控制在20mm的范圍之內，跟蹤深度應保持在100mm，該技術支持焊槍自動尋找焊縫，因此，操作時可以自動到達焊接位置。另外，還具備擺動、可靠導電兩項重要功能，從而應對不同的焊接要求，控制系統以PLC 為主，加入屏幕觸控的操作形式，支持人機對話提高操作流暢度，設置好規范參數即可進行全自動、半自動及手動焊接操作。

4.6 集箱短管接頭自動埋弧焊機

在鍋爐壓力容器焊接工作中，集箱短管接頭自動埋弧焊機應用相對廣泛，這也是較為現代化的焊接技術。初期階段，集箱短管接頭數量較多，所以大多采取手工焊接，并且整體焊接質量無法得到保障，后續從國外引進集箱短管接頭角自動焊機，但設備造價相對昂貴，同時存在部分缺陷。但是，隨著近些年焊接技術的快速發展，集箱短管接頭自動埋弧焊機得到優化，無論經濟性還是功能性都得到顯著提高，不僅滿足了市場需求，還能強化鍋爐壓力容器焊接效率與質量。在實際應用過程中操作便捷，工作量大時，安裝擺放若干接頭同時焊接，以此來加快鍋爐壓力容器的焊接速度。

4.7 管道預制焊接工作站

管道預制焊接工作站在多個領域中有所應用，如石化、建筑、造船等，包括鍋爐壓力容器設備焊接，尤其是數量多、體積大的設備設施，都可以采用管道預制焊接工作站，并且支持手動與半自動焊接。該焊接技術在控制方面，具有較大的發展空間，通過提高自動化程度即可增強焊接效率，例如，應用PLC 控制系統，借助數字化編程邏輯控制器，完善焊接流程、參數規范，快速實現各類焊接工作。此外，管道預制焊接工作站采用了中空開啟式夾緊回轉裝置，以確保工件調入裝置后夾緊定位，為優質高效的焊接操作打下良好基礎。

4.8 筒體縱縫環縫焊接機

工業生產中所使用的都是大體積鍋爐，主要由圓形筒身和兩端封頭組成，這也導致每個筒節不只存在一條焊縫。通過筒體縱縫環縫焊接機的應用，能夠快速進行焊縫對接，并且具有操作簡單、成本低等優勢。在焊接過程中，會通過琴鍵式夾緊機構進行固定，若鍋爐壓力容器的筒節為薄壁，也可不采取固定措施，直接在焊接機上進行組裝、焊接操作。環縫主要通過滾輪架、焊接機完成對接，可以將筒體放在滾輪架上，并運用自動對中功能均勻旋轉，焊接方法大多會采用離子弧焊、埋弧焊等技術［9-10］。

5 結語

鍋爐壓力容器主要應用在工業生產、公共事業等領域，并且定位為特種設備，在安全上有著嚴格標準與特殊要求，為了保證使用安全，必須對設計、制造、安裝及使用環節進行監督管理。由于現代工業生產對鍋爐壓力容器的綜合性能要求有所提高，因此，不得不改變以往的焊接方法，這也促進了焊接自動化技術的研發進程，通過焊接經驗的總結積累，打造出自動化程度越來越高的焊接工藝。焊接自動化技術分為多種不同類型，有利于提高鍋爐壓力容器的安全性，增強此類設備在工業生產領域中的應用價值，未來還需要深入研究，不斷優化完善焊接自動化技術，同時，在各行業、領域進一步推廣。