窄间隙埋弧焊成套设备配置方案研究

2011-12-09王福臣刘自力

一重技术 2011年3期

王福臣，刘自力

1.一重集团核电石化事业部工程师，辽宁大连 116113

2.一重集团冶金工程事业部助理工程师，辽宁大连 116600

2008年，中国一重制造的某出口加氢反应器由于整体容器体积大、吨位重，不利于长途运输，必须先分体运到目的地现场组焊成整体反应器后交付使用。因此必须配备一套自动化程度高、焊接质量好的窄间隙埋弧焊成套设备用于现场组焊施工。为降低制造成本，通过对窄间隙埋弧焊成套设备的组成及工作原理进行详细地分析、论证，合理选型配置，在保证焊接技术指标的基础上，节省了大量资金，圆满地完成现场组焊任务，取得了事半功倍的效果。

1 设备组成及工作原理

窄间隙埋弧焊成套设备主要由窄间隙埋弧焊机头、焊接电源、焊剂输送及回收系统、空气干燥系统、焊接程序控制器、自动跟踪控制装置、焊接操作机等组成。

1.1 窄间隙埋弧焊机头

窄间隙埋弧焊机头是窄间隙埋弧焊成套设备的重要组成部分，主要由跟踪十字滑板总成、双向焊丝校直机构、送丝电机及减速机、窄间隙焊枪总成、焊剂料斗、激光指示灯、机头照明装置等组成。

（1）跟踪十字滑板总成由机械部分的水平、垂直滑板及减速机，电气部分的水平、垂直滑板电动机组成。工作时十字滑板总成与自动跟踪控制装置联合使用，在焊接过程中可以自动保持焊丝的干伸长及焊丝在坡口内与侧壁距离的恒定，实现焊接高度和横向自动跟踪控制，能避免侧壁未熔合、咬边及夹渣等焊接缺陷的产生。由于国产十字滑板总成中直线轴承与直线导轨间的配合明显不如进口产品，会经常出现直线轴承不灵活或卡死，在高温作业的环境下故障率比国外产品高很多，而且国产窄间隙滑板驱动电机相差更大。在操控性上，国外窄间隙高度跟踪和横向跟踪控制调整操作简单，易于操作者掌握，而国产设备调整、操作复杂，操作及维修相对困难。因此，为了获得可靠的自动跟踪功能，确保焊接质量，应当首选进口十字滑板总成；

（2）焊丝双向校直机构是由国外发明，国内仿造的结构。由于国内各厂家为了降低成本，选料上大打折扣，在实际使用过程中，故障率很高，很难保证生产顺利进行。为实现高效、平稳的送丝过程及焊丝校直质量，使焊丝的伸出指向准确，保证精确的焊接位置并获得稳定的焊接电流，应当采用进口焊丝双向校直机构；

（3）送丝电机及减速机是窄间隙埋弧自动焊机的重要部件，其作用是确保实现平稳的送丝过程并获得稳定的焊接电流。国外直流电动机与减速机一体化配置的结构维护工作量极少，而国产窄间隙使用的电动机与减速机分开，无论在运行稳定性方面还是故障率方面都较之逊色很多。因此应当首选进口送丝电机；

（4）焊枪总成是实现焊丝导电、输送焊剂、自动跟踪机械检测、焊道换边焊接等功能的重要部件，好的焊枪总成可获得优良的焊道形状、光滑的焊道表面及焊道成型，可以使焊道与坡口侧壁充分熔合且过渡平滑，避免出现夹渣、咬边等焊接缺陷。国产焊枪与国外产品从选料上就有差别，长期工作在高温环境下时会发生变形，导致跟踪不灵活、执行送丝不畅、摆角不到位，最终影响焊接质量；而进口焊枪总成能够在350℃的环境下正常工作，执行送丝、摆角、跟踪等关键动作准确无误。进口焊枪总成应当是我们的首选；

（5）激光指示灯是安装在机头焊枪上，用于指示焊枪中心位置，方便操作者调整焊枪位置及摆角位置。照明装置用于焊道照明。这些焊接辅助设施完全可以选用国产产品。

1.2 焊接电源

焊接电源是为焊接过程提供稳定电能量的设备，焊接电源的好坏直接影响焊接质量。目前焊接设备市场上进口电源种类很多，尽管具有一定的通用性，但在结构、材料配置、电气性能和主要技术参数等方面却有很大差别。空载电压、焊接电压、输出电流、外特性形状、动特性和工艺参数的调节范围等是否能够充分满足焊接工作要求，尤其是电源工作稳定性及焊道成型性能等能否确保焊接过程的顺利进行并取得好的焊接质量应是考核重点。

1.3 焊剂输送及回收系统

焊剂输送及回收系统用于焊剂储存、输送、回收。焊剂在压缩空气的作用下沿着焊剂输送管自动输送到焊剂斗中。当焊剂输送罐里的焊剂下降到水平指示器位置时，控制系统将自动发出信号提醒操作者将焊剂储料桶中的焊剂放到焊剂输送罐里，确保焊剂的连续自动输送。通过旋风器（负压发生器）产生负压吸收剩余的焊剂，回收的焊剂通过吸管及管路经筛网过滤后回到焊剂料斗中，与焊剂斗中的新焊剂混合后重复使用。进口的焊剂输送及回收系统与国内同类产品在质量及使用性能上相差不多，选用国产的焊剂输送及回收系统就能满足需要。

1.4 空气干燥系统

空气干燥系统负责提供纯净、干燥的0.5～0.7 MPa压缩空气。用来完成焊剂储存、输送、回收及焊枪摆嘴换边等功能。只要空气干净、压力足就能满足焊接工作需要。因此推荐选用国产设备。

1.5 焊接程序控制器

焊接程序控制器具备焊接参数预置功能，在焊接前将多种焊接电流、电压、焊接速度等参数提前输入焊接程序控制器中，焊接时选择其中一组进行焊接；焊接程序控制器还具备慢送丝起弧功能，在启焊时焊接电压为空载电压或焊接电流为零，送丝系统慢送丝至接触工件后起弧，引弧开始后空载电压、引弧电流向预置电压、电流变化，当焊接电压和焊接电流达到设定值时，起弧成功，送丝系统自动转为正常送丝，焊接过程开始；此外，焊接程序控制器还具备焊接参数显示、自动控制焊接电压、焊接电流，还可以进行手动在线调节等功能。市面上进口产品品牌很多，尽管各家焊接程序控制器在功能上基本相同，但选型关键还是在于焊接稳定性，此外还包括控制性能是否优异、结构是否紧凑、调节是否方便、故障率如何等等，焊接程序控制器的优劣直接影响焊接电压、焊接电流的稳定，影响焊接质量。

1.6 自动跟踪控制装置

自动跟踪控制装置是整个自动跟踪控制系统的重要电气部件，通过跟踪十字滑板的联合工作完成整体自动跟踪控制。跟踪机构有机械式、光电式或机械与光电混合式等。混合式自动跟踪控制装置的工作原理是在垂直方向通过跟踪轮的机械垂直传导，将光电管电信号传递给自动跟踪控制装置，完成焊枪垂直自动跟踪控制过程，水平方向通过跟踪爪的机械旋转传导，将光电管电信号传递给自动跟踪控制装置，完成焊枪水平自动跟踪控制过程。在焊接过程中可以自动保持焊丝的干伸长恒定及焊丝在坡口内与侧壁距离的恒定，避免侧壁未熔合、咬边及夹渣等焊接缺陷的产生。能够实现手动/自动跟踪控制切换。其横向跟踪精度≤±0.25 mm，垂直跟踪精度≤±0.5 mm。因此，选用进口自动跟踪系统对窄间隙成套设备非常必要。

1.7 龙门焊接操作机

龙门焊接操作机是窄间隙埋弧焊成套设备的辅助设备，窄间隙埋弧焊机头、焊接电源、焊剂输送系统及回收系统、空气干燥系统、焊接程序控制器、自动跟踪控制装置等部件全部安装在龙门焊接操作机上。焊接操作机具备横梁升降、台车行走和小车行走功能，其中小车行走应具备无级调速和速度显示功能以满足焊接试板的需要。应当选用具有停机自锁功能的锥型三相异步交流电动机与横梁机械自锁功能配合防止横梁自由下落，造成人身、设备事故。横梁上升最大高度应满足容器筒体直径的要求，横梁下降最低点应满足焊接试板的需要，横梁升降承载能力应在1 000 kg以上，两根立柱中心距应大于9 m以满足工件直径的要求。电气操作部分应具备上下两地控制以及具备一键急停功能。由于龙门焊接操作机只是用于焊前调整工位及粗略定位，只要刚性稳定，焊接时抗振动性强，操作者在走台上行走时不晃动即可，目前配备国产焊接操作机完全能够满足窄间隙埋弧焊机焊接的工作需要。

2 窄间隙埋弧焊主要技术参数

根据压力容器产品的需要及设备的通用性要求，这套窄间隙埋弧焊成套设备必须满足下列主要技术参数：

焊接坡口最大深度≤350 mm；

焊接坡口角度 1°～2°；

焊接坡口宽度18～22 mm；

焊接每层焊道数1层2道（首层单道）；

使用焊丝直径Ø3.0 mm、Ø4.0 mm；

送丝速度 60～180 m/h；

熔敷率 5～6 kg/h；

焊接两道焊缝时焊枪（导电嘴）偏角精度≤±0.5°；

横向自动跟踪精度≤±0.25 mm，跟踪行程350 mm；

垂直自动跟踪精度≤±0.5 mm范围，跟踪行程350 mm；

直流焊接电源持续负载率100%，焊接电流在300～1 250 A之间连续可调，瞬时弧焊电流波动≤±50 A，弧焊电压调整范围22～44 V，弧焊电压波动≤±2 V，空载电压≥54 V；

焊剂斗容量10 l以上，适应焊剂温度0～150℃；

必须满足在工件最高温度350℃的工作环境下正常工作；

焊丝盘可装载焊丝重量≥25 kg；

供电电源满足 3×380 V±10%AC，50Hz±1 和3×400 V±10%AC，50 Hz±1 的要求；

压缩空气在0.5～0.7 MPa范围内，相对湿度≤90%时（30℃）能正常工作。

3 最佳配置方案的确定

根据上述分析，窄间隙埋弧焊机头、焊接电源、焊接程序控制器、自动跟踪控制装置是窄间隙埋弧焊成套设备中直接影响焊接质量的主要部分，应当重点考虑。

2008年一套满足上述要求的进口窄间隙埋弧焊成套设备需要600多万人民币，整套采购两套需要1200多万人民币。而国产窄间隙埋弧焊成套设备一套只需130多万人民币，尽管国产窄间隙埋弧焊成套设备价格比较低，但是，到在国外进行施工作业时设备维修及备件采购运输成本的问题以及窄间隙埋弧焊成套设备的稳定性、故障率最为重要。因此，最终确定了对直接影响焊接质量的窄间隙埋弧焊机头、焊接电源、焊接程序控制器、自动跟踪控制装置等均采用进口产品（两套共需400多万），焊剂输送及回收系统、空气干燥系统、龙门焊接操作机等辅助设备采用国产（两套共90多万）的配置方案。两套窄间隙埋弧焊成套设备共用500万人民币，比全部进口成套窄间隙埋弧焊设备节省700万人民币。