基于锅壳式锅炉平管板的埋弧自动化焊接工装研究

张红玉，刘建斌，黄宏胜，刘守君，齐明贞

（1.山东华臻重工有限公司，山东 烟台 265500；2.中国兵器工业第202研究所，陕西 咸阳 712000；3.中北大学机械工程与自动化学院，山西 太原 030051；4.太康县职业中等专业学校，河南 周口 461400）

0 引 言

近年来，关于自动化的概述，已经发生了很大的变化。当初的所谓自动焊，实际上只是机械的焊接方法，中国机械工程学会焊接分会编《焊接词典》第3版[1]，这样定义自动焊：用自动焊接装置完成全部操作的焊接方法。美国标准[2,3]ANST/AWS3.0《焊接术语与定义》中描述自动焊（Automatic-Welding）与机械焊（Machine Welding）的区别，就是在于焊接过程中是否需要操作者不断对设备进行控制调节。尽管焊接过程中的一些主要动作，可以由机械实现，但不能以自动控制代替手工控制的操作只能属于机械焊，即使在工业发达的国家，也为实现所谓真正的自动化进行更深的科学研究[4,5]。左传付等人[6]论述了锅壳式锅炉平管板的低成本自动化焊接，郭平等人[7]对工业锅炉平管板和凸形管板结构进行了有限元分析，邢芳等人[8]研究了2.25Cr-1Mo钢的埋弧自动焊工艺，刘瑞祥等人[9]提出了储罐横向埋弧自动焊焊缝裂纹的防治措施，陆冬梓[10]研究了大型钢结构井架埋弧自动焊焊接工艺。

本文研究的“蛇形管”实现锅壳式锅炉平管板焊接自动化，也是机械焊接的一种，其特点是：利用焊机的送丝机构送进焊丝，大大提高熔敷率，实现了小空间，机械设备不可达处的自动化焊接。为锅炉、压力容器等制造行业提供了一项新技术。

1 锅炉平管板实现自动化焊接的难点

1）在锅炉制造行业中，椭球形封头与筒节的组对自动化焊接比较容易实现，但是最后一道组合环向对接内侧焊缝也很难实现。对于锅炉平管板封头与筒节的组对自动化焊接难度就比较大，其难度在于平管板的直边长度短，仅有100 mm左右，一端封头实施自动焊后，另一端最后一道内环焊缝几乎无法实施埋弧自动焊焊接，因为其机头及工装很难在管板直段狭窄空间发挥作用，如图1所示。

采用手工电弧焊，焊工在筒体内施工条件差，安全没有保障，而且劳动强度大，焊接质量也很难保证。

图1 工装改进前的埋弧自动焊结构示意图

2）小直径锅炉筒体，在人无法进入筒体操作的情况下，只能采用单面焊。单面焊要求全熔透，且背面有良好的焊缝成形，较为困难。焊接工作者采取过很多措施，也不乏有成功之作。一般看来纵缝焊接装置实现机械自动焊多于内环缝，特别是在工艺装备条件有限的工厂，如采用焊缝跟踪焊接装置，不仅机构复杂，造价昂贵，而且锅炉管板封头最后一道内环缝的焊接位置差的矛盾更显得突出。

3）锅炉平管板组对焊接时，一般加工过程是筒体之间内、外纵环缝焊接完成后再组装两端封头的环向对接焊缝。放置于滚轮架上的筒体在焊接内、外环缝时，纵缝的余高通过滚轮架产生的骤然抖动，使自动焊的焊缝成形变差，焊接质量下降，与此同时加工产生的筒体不圆度，也使焊接电弧不稳定而影响焊接质量。

2 改进工装后的埋弧自动焊焊接工艺

实现筒体全部焊接自动化是以焊接结构和技术要求及生产规模为依据。在满足焊接工艺和保证锅炉筒体的装配位置、尺寸精度的基础上，同时考虑到生产能力及改善劳动条件，降低生产成本，提高经济效益，提高焊接质量的目的。在有关技术人员及工人的配合下，通过对埋弧焊焊机的机头送丝装置和导电嘴的改装实现了焊接自动化，其结构，如图2所示。

图2 工装改进后的埋弧自动焊结构示意图

1）当筒体1对装完毕最后一道内环缝施焊时，先将“蛇形管”2穿过烟管管板孔（必须是管板的中心孔）找准焊缝位置，将“蛇形管”固定在埋弧焊机头送丝机构3上，然后将焊丝11通过“蛇形管”穿过焊接导电嘴4对准环向焊接接头的中心。再把绝缘护套8套在“蛇形管”的中间弯部位，防止“蛇形管”与烟管管板孔短路烧坏“蛇形管”和烟管管板孔，其原理方法既简单又方便。当滚轮架出现偏差，使环向转动的筒体产生轴向移动时，自动焊焊工可以调节埋弧焊机头上的微调旋钮，使导电嘴焊丝对准焊口的位置，保证熔池在焊接接头的中心位置。筒体的壁厚不同和直径大小引起的轴向偏移量、焊丝对中度也可以用埋弧焊机头上的手轮进行调节。

2）当筒体重心不在两轮中间附近，而使两侧轮承载不一致，这样转动时，筒体向较重的一侧窜动而出现偏移；或中间筒节纵焊缝余高通过滚轮架产生抖动。关注定位指针和焊缝红烧的轨迹，及时调节埋弧焊机头上的微调旋钮，避免大量偏移而引起焊缝跑偏。

3）在环缝埋弧自动焊中，焊丝与工件的转动平面垂直中心线的相对位移，将对焊缝成形产生较大影响。由于筒体环缝焊接时，熔化的焊剂和金属熔池，必将随着工件转动倾向于离开电弧流动，所以焊丝应有与筒体转向相反的偏移量。一般情况下，环缝埋弧焊焊丝偏移量的大小取决于焊件的直径、焊接速度、焊接电流和电弧电压；直径越小，焊接速度越快，电流电压越大，焊丝的偏移量越大；反之亦然。通过实践得知，环缝埋弧焊焊丝偏移量可在40~70 mm之间选择。为防止偏移量过大或过小现象，焊接的焊接速度，按焊接工艺参数正常选择，从而限制了筒体来自各个方向的不利因素，起到了跟踪作用，获得了良好的焊接质量。

4）焊接的引弧对焊接质量是至关重要的。一旦引弧不当必将造成严重的咬边、烧穿或导电嘴与工件打弧短路而中断焊接，同时由于其他设备还在正常运行而不能及时停止，而在引弧处出现带有焊丝的焊瘤，对于它的修整，由于工作条件差，补焊较为困难。使用改进过的自动焊，焊接内环缝最后一道平管板环焊缝装置，我们采用划擦引弧法，具体步骤为：先转动工件—焊丝慢速送进—擦划工件—找正焊丝位置及指针位置—焊剂送进—起动电源引燃电弧—正常送丝焊接。

5）由于控制箱、送丝盘设置在筒体外，焊接指针在筒体内，所以筒体内、外焊工操作时要配合严谨，同时在焊接安全方面，增加了绝缘垫以保证焊工的人身安全。

3 拓 展

只要组成工件一端环缝的部件（平管板封头、椭球形封头、球形封头等）中心开有能穿过“蛇形管”的孔，就以利用“蛇形管”完成环向对接接头的内侧自动化焊接。该工装不仅能用于锅壳式锅炉平管板的自动化焊接，而且可以用于三回程锅壳式燃油/燃气锅炉回燃室内环缝的自动化焊接，以及和该结构（图1）相类似的压力容器的自动化焊接。

4 结束语

通过对锅炉平管板最后一道内环缝埋弧自动焊焊接工装的改造，解决了锅炉筒体在有限经济和技术条件下及一定的生产规模范围内一个焊接工艺难题。既经济合算，又能保证焊接质量，实现了低成本、高效率、自动化焊接的目的。总之，无论任何工艺因素改变，只要在特定条件下相互匹配，在实际生产中加以修正，锅炉平管板筒体实现全部埋弧自动焊就能达到满意效果。

[1] 吴成材.焊接词典[M].第3版.北京：机械工业出版社，2008.

[2] 美国国家标准学会ANSI AWS D1.1/1.1M-2006钢结构焊接规范[M].北京：北方资讯服务中心出版社，2001.

[3] AWS A3.0:2001 Standard Welding Terms and Definitions[M].USA：Document provided by IHS Licensee，2003.

[4] 杨松.锅炉压力容器焊接技术培训教材[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5] 王文瀚.焊接技术手册[M].郑州：河南科学技术出版社，2004.

[6] 左传付，王志宏.锅壳式锅炉平管板的低成本焊接自动化[J].金属加工(热加工)，2009（10）：39-40.

[7] 郭平，俞树荣，王宏建.工业锅炉平管板和凸形管板结构的有限元分析比较[J].工业锅炉，2008（1）：11-14.

[8] 邢芳，刘斌，王亮，等.2.25Cr-1Mo钢的埋弧自动焊工艺研究[J].炼油与化工，2010（1）：31-33,59.

[9] 刘瑞祥，张德文，程铁军，等.储罐横向埋弧自动焊焊缝裂纹的防治措施[J].石油工程建设，2010（4）：44-46.

[10] 陆冬梓.大型钢结构井架埋弧自动焊焊接工艺探讨[J].科技风，2011，9（上）：39-40.