窄間隙埋弧焊成套設(shè)備配置方案研究

王福臣，劉自力

1.一重集團(tuán)核電石化事業(yè)部工程師，遼寧 大連 116113

2.一重集團(tuán)冶金工程事業(yè)部助理工程師，遼寧 大連 116600

2008年，中國一重制造的某出口加氫反應(yīng)器由于整體容器體積大、噸位重，不利于長途運(yùn)輸，必須先分體運(yùn)到目的地現(xiàn)場組焊成整體反應(yīng)器后交付使用。因此必須配備一套自動化程度高、焊接質(zhì)量好的窄間隙埋弧焊成套設(shè)備用于現(xiàn)場組焊施工。為降低制造成本，通過對窄間隙埋弧焊成套設(shè)備的組成及工作原理進(jìn)行詳細(xì)地分析、論證，合理選型配置，在保證焊接技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，節(jié)省了大量資金，圓滿地完成現(xiàn)場組焊任務(wù)，取得了事半功倍的效果。

1 設(shè)備組成及工作原理

窄間隙埋弧焊成套設(shè)備主要由窄間隙埋弧焊機(jī)頭、焊接電源、焊劑輸送及回收系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、焊接程序控制器、自動跟蹤控制裝置、焊接操作機(jī)等組成。

1.1 窄間隙埋弧焊機(jī)頭

窄間隙埋弧焊機(jī)頭是窄間隙埋弧焊成套設(shè)備的重要組成部分，主要由跟蹤十字滑板總成、雙向焊絲校直機(jī)構(gòu)、送絲電機(jī)及減速機(jī)、窄間隙焊槍總成、焊劑料斗、激光指示燈、機(jī)頭照明裝置等組成。

（1）跟蹤十字滑板總成由機(jī)械部分的水平、垂直滑板及減速機(jī)，電氣部分的水平、垂直滑板電動機(jī)組成。工作時十字滑板總成與自動跟蹤控制裝置聯(lián)合使用，在焊接過程中可以自動保持焊絲的干伸長及焊絲在坡口內(nèi)與側(cè)壁距離的恒定，實現(xiàn)焊接高度和橫向自動跟蹤控制，能避免側(cè)壁未熔合、咬邊及夾渣等焊接缺陷的產(chǎn)生。由于國產(chǎn)十字滑板總成中直線軸承與直線導(dǎo)軌間的配合明顯不如進(jìn)口產(chǎn)品，會經(jīng)常出現(xiàn)直線軸承不靈活或卡死，在高溫作業(yè)的環(huán)境下故障率比國外產(chǎn)品高很多，而且國產(chǎn)窄間隙滑板驅(qū)動電機(jī)相差更大。在操控性上，國外窄間隙高度跟蹤和橫向跟蹤控制調(diào)整操作簡單，易于操作者掌握，而國產(chǎn)設(shè)備調(diào)整、操作復(fù)雜，操作及維修相對困難。因此，為了獲得可靠的自動跟蹤功能，確保焊接質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)首選進(jìn)口十字滑板總成；

（2）焊絲雙向校直機(jī)構(gòu)是由國外發(fā)明，國內(nèi)仿造的結(jié)構(gòu)。由于國內(nèi)各廠家為了降低成本，選料上大打折扣，在實際使用過程中，故障率很高，很難保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。為實現(xiàn)高效、平穩(wěn)的送絲過程及焊絲校直質(zhì)量，使焊絲的伸出指向準(zhǔn)確，保證精確的焊接位置并獲得穩(wěn)定的焊接電流，應(yīng)當(dāng)采用進(jìn)口焊絲雙向校直機(jī)構(gòu)；

（3）送絲電機(jī)及減速機(jī)是窄間隙埋弧自動焊機(jī)的重要部件，其作用是確保實現(xiàn)平穩(wěn)的送絲過程并獲得穩(wěn)定的焊接電流。國外直流電動機(jī)與減速機(jī)一體化配置的結(jié)構(gòu)維護(hù)工作量極少，而國產(chǎn)窄間隙使用的電動機(jī)與減速機(jī)分開，無論在運(yùn)行穩(wěn)定性方面還是故障率方面都較之遜色很多。因此應(yīng)當(dāng)首選進(jìn)口送絲電機(jī)；

（4）焊槍總成是實現(xiàn)焊絲導(dǎo)電、輸送焊劑、自動跟蹤機(jī)械檢測、焊道換邊焊接等功能的重要部件，好的焊槍總成可獲得優(yōu)良的焊道形狀、光滑的焊道表面及焊道成型，可以使焊道與坡口側(cè)壁充分熔合且過渡平滑，避免出現(xiàn)夾渣、咬邊等焊接缺陷。國產(chǎn)焊槍與國外產(chǎn)品從選料上就有差別，長期工作在高溫環(huán)境下時會發(fā)生變形，導(dǎo)致跟蹤不靈活、執(zhí)行送絲不暢、擺角不到位，最終影響焊接質(zhì)量；而進(jìn)口焊槍總成能夠在350℃的環(huán)境下正常工作，執(zhí)行送絲、擺角、跟蹤等關(guān)鍵動作準(zhǔn)確無誤。進(jìn)口焊槍總成應(yīng)當(dāng)是我們的首選；

（5）激光指示燈是安裝在機(jī)頭焊槍上，用于指示焊槍中心位置，方便操作者調(diào)整焊槍位置及擺角位置。照明裝置用于焊道照明。這些焊接輔助設(shè)施完全可以選用國產(chǎn)產(chǎn)品。

1.2 焊接電源

焊接電源是為焊接過程提供穩(wěn)定電能量的設(shè)備，焊接電源的好壞直接影響焊接質(zhì)量。目前焊接設(shè)備市場上進(jìn)口電源種類很多，盡管具有一定的通用性，但在結(jié)構(gòu)、材料配置、電氣性能和主要技術(shù)參數(shù)等方面卻有很大差別。空載電壓、焊接電壓、輸出電流、外特性形狀、動特性和工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍等是否能夠充分滿足焊接工作要求，尤其是電源工作穩(wěn)定性及焊道成型性能等能否確保焊接過程的順利進(jìn)行并取得好的焊接質(zhì)量應(yīng)是考核重點。

1.3 焊劑輸送及回收系統(tǒng)

焊劑輸送及回收系統(tǒng)用于焊劑儲存、輸送、回收。焊劑在壓縮空氣的作用下沿著焊劑輸送管自動輸送到焊劑斗中。當(dāng)焊劑輸送罐里的焊劑下降到水平指示器位置時，控制系統(tǒng)將自動發(fā)出信號提醒操作者將焊劑儲料桶中的焊劑放到焊劑輸送罐里，確保焊劑的連續(xù)自動輸送。通過旋風(fēng)器（負(fù)壓發(fā)生器）產(chǎn)生負(fù)壓吸收剩余的焊劑，回收的焊劑通過吸管及管路經(jīng)篩網(wǎng)過濾后回到焊劑料斗中，與焊劑斗中的新焊劑混合后重復(fù)使用。進(jìn)口的焊劑輸送及回收系統(tǒng)與國內(nèi)同類產(chǎn)品在質(zhì)量及使用性能上相差不多，選用國產(chǎn)的焊劑輸送及回收系統(tǒng)就能滿足需要。

1.4 空氣干燥系統(tǒng)

空氣干燥系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供純凈、干燥的0.5～0.7 MPa壓縮空氣。用來完成焊劑儲存、輸送、回收及焊槍擺嘴換邊等功能。只要空氣干凈、壓力足就能滿足焊接工作需要。因此推薦選用國產(chǎn)設(shè)備。

1.5 焊接程序控制器

焊接程序控制器具備焊接參數(shù)預(yù)置功能，在焊接前將多種焊接電流、電壓、焊接速度等參數(shù)提前輸入焊接程序控制器中，焊接時選擇其中一組進(jìn)行焊接；焊接程序控制器還具備慢送絲起弧功能，在啟焊時焊接電壓為空載電壓或焊接電流為零，送絲系統(tǒng)慢送絲至接觸工件后起弧，引弧開始后空載電壓、引弧電流向預(yù)置電壓、電流變化，當(dāng)焊接電壓和焊接電流達(dá)到設(shè)定值時，起弧成功，送絲系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為正常送絲，焊接過程開始；此外，焊接程序控制器還具備焊接參數(shù)顯示、自動控制焊接電壓、焊接電流，還可以進(jìn)行手動在線調(diào)節(jié)等功能。市面上進(jìn)口產(chǎn)品品牌很多，盡管各家焊接程序控制器在功能上基本相同，但選型關(guān)鍵還是在于焊接穩(wěn)定性，此外還包括控制性能是否優(yōu)異、結(jié)構(gòu)是否緊湊、調(diào)節(jié)是否方便、故障率如何等等，焊接程序控制器的優(yōu)劣直接影響焊接電壓、焊接電流的穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量。

1.6 自動跟蹤控制裝置

自動跟蹤控制裝置是整個自動跟蹤控制系統(tǒng)的重要電氣部件，通過跟蹤十字滑板的聯(lián)合工作完成整體自動跟蹤控制。跟蹤機(jī)構(gòu)有機(jī)械式、光電式或機(jī)械與光電混合式等?；旌鲜阶詣痈櫩刂蒲b置的工作原理是在垂直方向通過跟蹤輪的機(jī)械垂直傳導(dǎo)，將光電管電信號傳遞給自動跟蹤控制裝置，完成焊槍垂直自動跟蹤控制過程，水平方向通過跟蹤爪的機(jī)械旋轉(zhuǎn)傳導(dǎo)，將光電管電信號傳遞給自動跟蹤控制裝置，完成焊槍水平自動跟蹤控制過程。在焊接過程中可以自動保持焊絲的干伸長恒定及焊絲在坡口內(nèi)與側(cè)壁距離的恒定，避免側(cè)壁未熔合、咬邊及夾渣等焊接缺陷的產(chǎn)生。能夠?qū)崿F(xiàn)手動/自動跟蹤控制切換。其橫向跟蹤精度≤±0.25 mm，垂直跟蹤精度≤±0.5 mm。因此，選用進(jìn)口自動跟蹤系統(tǒng)對窄間隙成套設(shè)備非常必要。

1.7 龍門焊接操作機(jī)

龍門焊接操作機(jī)是窄間隙埋弧焊成套設(shè)備的輔助設(shè)備，窄間隙埋弧焊機(jī)頭、焊接電源、焊劑輸送系統(tǒng)及回收系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、焊接程序控制器、自動跟蹤控制裝置等部件全部安裝在龍門焊接操作機(jī)上。焊接操作機(jī)具備橫梁升降、臺車行走和小車行走功能，其中小車行走應(yīng)具備無級調(diào)速和速度顯示功能以滿足焊接試板的需要。應(yīng)當(dāng)選用具有停機(jī)自鎖功能的錐型三相異步交流電動機(jī)與橫梁機(jī)械自鎖功能配合防止橫梁自由下落，造成人身、設(shè)備事故。橫梁上升最大高度應(yīng)滿足容器筒體直徑的要求，橫梁下降最低點應(yīng)滿足焊接試板的需要，橫梁升降承載能力應(yīng)在1 000 kg以上，兩根立柱中心距應(yīng)大于9 m以滿足工件直徑的要求。電氣操作部分應(yīng)具備上下兩地控制以及具備一鍵急停功能。由于龍門焊接操作機(jī)只是用于焊前調(diào)整工位及粗略定位，只要剛性穩(wěn)定，焊接時抗振動性強(qiáng)，操作者在走臺上行走時不晃動即可，目前配備國產(chǎn)焊接操作機(jī)完全能夠滿足窄間隙埋弧焊機(jī)焊接的工作需要。

2 窄間隙埋弧焊主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)壓力容器產(chǎn)品的需要及設(shè)備的通用性要求，這套窄間隙埋弧焊成套設(shè)備必須滿足下列主要技術(shù)參數(shù)：

焊接坡口最大深度≤350 mm；

焊接坡口角度 1°～2°；

焊接坡口寬度18～22 mm；

焊接每層焊道數(shù)1層2道（首層單道）；

使用焊絲直徑?3.0 mm、?4.0 mm；

送絲速度 60～180 m/h；

熔敷率 5～6 kg/h；

焊接兩道焊縫時焊槍（導(dǎo)電嘴）偏角精度≤±0.5°；

橫向自動跟蹤精度≤±0.25 mm，跟蹤行程350 mm；

垂直自動跟蹤精度≤±0.5 mm范圍，跟蹤行程350 mm；

直流焊接電源持續(xù)負(fù)載率100%，焊接電流在300～1 250 A之間連續(xù)可調(diào)，瞬時弧焊電流波動≤±50 A，弧焊電壓調(diào)整范圍22～44 V，弧焊電壓波動≤±2 V，空載電壓≥54 V；

焊劑斗容量10 l以上，適應(yīng)焊劑溫度0～150℃；

必須滿足在工件最高溫度350℃的工作環(huán)境下正常工作；

焊絲盤可裝載焊絲重量≥25 kg；

供電電源滿足 3×380 V±10%AC，50Hz±1 和3×400 V±10%AC，50 Hz±1 的要求；

壓縮空氣在0.5～0.7 MPa范圍內(nèi)，相對濕度≤90%時（30℃）能正常工作。

3 最佳配置方案的確定

根據(jù)上述分析，窄間隙埋弧焊機(jī)頭、焊接電源、焊接程序控制器、自動跟蹤控制裝置是窄間隙埋弧焊成套設(shè)備中直接影響焊接質(zhì)量的主要部分，應(yīng)當(dāng)重點考慮。

2008年一套滿足上述要求的進(jìn)口窄間隙埋弧焊成套設(shè)備需要600多萬人民幣，整套采購兩套需要1200多萬人民幣。而國產(chǎn)窄間隙埋弧焊成套設(shè)備一套只需130多萬人民幣，盡管國產(chǎn)窄間隙埋弧焊成套設(shè)備價格比較低，但是，到在國外進(jìn)行施工作業(yè)時設(shè)備維修及備件采購運(yùn)輸成本的問題以及窄間隙埋弧焊成套設(shè)備的穩(wěn)定性、故障率最為重要。因此，最終確定了對直接影響焊接質(zhì)量的窄間隙埋弧焊機(jī)頭、焊接電源、焊接程序控制器、自動跟蹤控制裝置等均采用進(jìn)口產(chǎn)品（兩套共需400多萬），焊劑輸送及回收系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、龍門焊接操作機(jī)等輔助設(shè)備采用國產(chǎn)（兩套共90多萬）的配置方案。兩套窄間隙埋弧焊成套設(shè)備共用500萬人民幣，比全部進(jìn)口成套窄間隙埋弧焊設(shè)備節(jié)省700萬人民幣。

4 結(jié)語

這套配置方案既確保了窄間隙成套設(shè)備穩(wěn)定可靠的焊接性能，又節(jié)省了大量資金。經(jīng)過一年的現(xiàn)場實際運(yùn)行考驗，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，焊接成型及焊接質(zhì)量優(yōu)異，圓滿的完成了5臺加氫反應(yīng)器9道主焊縫和5塊試板的焊接任務(wù)。對今后窄間隙埋弧焊成套設(shè)備的配套采購具有指導(dǎo)作用。