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我国锅炉压力容器焊接技术的发展水平

我国锅炉压力容器焊接技术的发展水平 

珠海固得焊接自动化设备有限公司    陈裕川
 
      [摘要] 本文回顾了建国60年来我国锅炉压力容器焊接技术的发展历程,评价了已取得的技术进步,系统地论述了重要部件关键焊接技术的发展水平,指出了今后的发展趋势。
 
      [关键词] 锅炉;压力容器;焊接技术;发展水平
 
1       

       锅炉压力容器是电力、石油化工、煤炭等基础工业的重大装备,也是制药、医疗机械、食品、饮料加工不可缺少的重要设备。它直接关系到一个国家工业化发展的规模和速度,并与国计民生休戚相关,在经济建设中起到了举足轻重的作用。
 
        在我国,锅炉压力容器制造行业从无到有,从弱到强,已走过了60年的发展历程,目前已建成了黑龙江哈尔滨、上海、四川自贡、北京、湖北武汉等地的大型锅炉制造基地和一重、二重、兰石、大连重机、南化机、广重等压力容器制造基地。电站锅炉从常规的50MW、100MW、200MW高压锅炉发展到600MW亚临界和1000MW超临界锅炉。压力容器从低压、中压、高压发展到超高压。单台容器的总重已超过1000吨。总体上说,锅炉压力容器的设计和制造技术已达到当代国际先进水平。
 
        鉴于锅炉压力容器属于典型的全焊结构,焊接技术作为一项主导制造工艺在锅炉压力容器制造中起到了决定性的作用。可以毫不夸张地认为,锅炉压力容器制造行业是焊接工艺应用面最广,焊接新方法、新材料、新设备推广最快,焊接机械化和自动化程度最高,而且是对焊接接头质量要求最严格的应用领域。锅炉压力容器生产企业始终以不断提高焊接技术水平作为技术改造的主攻方向。最近20 年来,经过“六五”、“七五”、“八五”、“九五”国家重点技改计划,我国各大锅炉压力容器制造厂的焊接技术得到了快速发展,焊接装备全面改造和更新,广泛采用先进高效焊接工艺方法,使焊接技术的总体水平已接近和达到世界先进水平。
 
        为促进焊接技术的进步,回顾和客观地评述已取得的成就,并指出今后的发展方向看来是十分必要的。但本文因篇幅有限,仅就其中最关键的技术作如下论述。
 
2    厚壁锅筒和压力容器纵环缝的焊接技术

        大容量电站锅炉锅筒结构如(图1)所示,其最大壁厚已超过200mm。高压加氢反应器和核能容器的壁厚已接近300mm。不言而喻,焊接工作量相当大,必须采用各种高效焊接方法,按传统的制造工艺,纵缝采用三丝电渣焊一直应用至今,是目前焊接效率最高的熔焊方法。对于600MW亚临界超高压锅炉锅筒,由于壁厚不等,不能采用电渣焊而改用埋弧焊。某些国外锅炉制造厂大多采用多丝埋弧焊。在我国,如哈尔滨锅炉厂则采用窄间隙埋弧焊,可以达到更高的焊接效率。

 
        锅筒环缝传统的焊接方法是标准宽坡口单丝埋弧焊或双丝埋弧焊,尽管埋弧焊已属于高效焊接工艺方法,但因环缝数量较多,焊接周期较长,往往成为锅筒或高压容器焊接生产的瓶颈。为此,在上世纪80年代初开展了一系列的试验研究,并开发成功厚壁接头窄间隙埋弧焊新工艺,即在(图2)所示的窄间隙内连续多层多道完成厚壁接头的焊接。1984年,哈尔滨锅炉厂率先从瑞典ESAB公司引进一套EHD 窄间隙埋弧焊系统,包括4×4立柱横梁操作机、100T自动防窜滚轮架、自动跟踪窄间隙埋弧焊机头和LAF-1000 埋弧焊电源及自动控制系统,其外形示于(图3)。
        窄间隙埋弧焊与传统的宽坡口埋弧焊相比具有下列突出的优点:
 
        1)窄间隙埋弧焊的坡口截面积与常规宽坡口截面积相比,按接头的宽度约可减少30%~60%。填充焊丝和焊剂的消耗量相应减少35%以上。当接头壁厚大于50mm时,焊接效率可提高1.5~3倍。接头壁厚愈大,效率提高的倍数愈多。
 
        2)焊缝截面和焊道层次的减少使接头的焊接残余应力明显下降。同时也降低了厚壁焊缝中积累的氢含量,从而提高了低合金钢焊缝金属的抗冷裂能力。这样,可简化焊接工艺,适当降低预热温度和焊后热处理温度或缩短热处理保温时间,对于某些类型的低合金钢厚壁焊缝,甚至可取消氢处理或中间热处理。
 
        3)在不降低焊接总效率的前提下, 可实现低热输入焊接工艺,并通过对焊道成形和尺寸的控制,可充分利用焊道的重复热作用,减少或消除部分焊缝和热影响区的粗晶组织,从而明显地提高焊接接头各区的冲击韧度和抗断裂能力。
 
        4)在两侧壁几乎平行的坡口内焊接时,母材对焊缝金属的稀释大为减少,并可基本保持恒值,这就提高了各道焊缝金属成分的均一性,并可利用焊丝-焊剂间的冶金反应获得高质量、高纯度的焊缝金属,由此可采用合金成分较低的焊丝完成力学性能合符要求的厚壁接头,进一步提高了它的经济性。
 
        多年的实际生产应用经验表明,厚壁焊缝窄间隙埋弧焊接法不失为一种高效、优质、低耗的先进焊接工艺方法,并在各大锅炉和压力容器制造厂得到推广应用。目前,在国内已得到稳定成功使用的窄间隙埋弧焊系统有20多套,并取得了可观的经济效益。
 
        为在厚壁锅筒和压力容器纵环缝成功地应用窄间隙埋弧焊,必须攻克以下技术难关。首先,必须研制出在窄缝内焊接时脱渣性良好的特种焊剂。经过大量的试验确认,国产SJ101、SJ102烧结型焊剂,无论从冶金特性, 还是脱渣性均能满足厚壁窄间隙埋弧焊的要求,这为全面推广这种先进工艺方法创造了有利的条件。第二,为在窄间隙内焊制无缺陷的高质量焊缝, 在多道连续焊接过程中,焊丝至坡口侧壁的间距和焊丝伸出长度必须严格保持一致。因此,焊接机头必须配备高精度的二维跟踪系统和焊嘴自动偏转机构,如图4所示。在筒体环缝焊接时,还应配备自动防偏移滚轮架,使工件在长时连续旋转过程中不产生轴向位移,保证焊嘴始终处于坡口中心位置。第三,必须提高坡口加工和接缝组装精度,保证接缝几何尺寸的一致性。过大的间隙偏差可能使焊丝-侧壁间距超出容许范围而导致焊接缺陷的形成。
 
        符合上述要求的窄间隙埋弧焊机头除了瑞典ESAB公司已定型生产外,国内哈尔滨焊接研究所也开发成功,并已投放市场多年,对推广窄间隙埋弧焊起到了积极的推动作用。
 
        为进一步提高厚壁接头窄间隙埋弧焊的效率,最近已研制成功双丝串列电弧窄间隙埋弧焊装置。图5示出了ESAB公司近期开发的全自动双丝窄间隙埋弧焊机头外形。
  
3   大直径厚壁接管的焊接技术

        在厚壁锅筒和高压容器的筒身和封头上,基于介质工作流程的需要,通常需焊接大量直径不同的接管,其中系大直径厚壁接管(d≥450mm)的焊接工作量最大。为了保证接管焊缝的强度,要求采用图6所示的全焊透接头。这种接管焊缝不仅填充金属量大, 而且焊缝轨迹呈马鞍形,焊接操作难度较大,不易实现焊接过程的自动化, 最原始的焊接工艺方法是采用焊条电弧焊或药芯焊丝电弧焊,焊接效率低, 且焊工的劳动条件差。因此,许多焊接工作者都在致力于探索切实可行的解决办法。
        总结以往几十年的经验,在实际生产中已得到成功应用的解决方案有以下几种:
 
3.1 大直径接管机械靠模埋弧焊专机
 
        这种专机的结构如图7所示,其特点是心轴撑紧于接管内孔,并与之同心,焊接机头和悬臂固定在心轴套筒上,由电机驱动作360°旋转。机械靠模使焊枪准确地沿坡口的马鞍形曲线移动,集电环装置可避免焊接电缆在焊机连续旋转时产生缠绕。这种接管焊机的缺点是焊接过程中,焊机操作工仍需随时监视焊枪的位置,并作适当的调整。
 
3.2   通用自动焊接中心解决方案
 
        如采用单节筒身上焊接接管的制造工艺方案,则可利用由立柱横梁操作机与焊接变位机组合使用的自动焊接中心焊接大直径接管,如图8所示。在这种情况下,装有二维跟踪系统的焊接机头可使焊枪跟踪接缝的马鞍形轨迹运动,变位机则使接管绕其中心轴线旋转,并将预设的程序作适度的倾斜,以使焊接熔池始终处于平焊位置,容许采用较高的热输入焊接,达到较高的焊接效率。
 
        焊接大直径马鞍形接管时,焊枪的运动轨迹是复杂多变的,它要求操作机和变位机共6轴的协调动作(如图9所示)。整个焊接过程由PLC程序控制。
 

3.3 自适应控制全自动接管焊接系统
 
        按锅筒和压力容器传统的制造工艺流程。大直径接管总是在筒体总装后再组焊,因此上述解决方案有很大的局限性,而必须采用直接安装在接管上的自动焊接系统。图10示出意大利Amsaldo公司于上世纪80年代后期推出的自适应控制全自动接管焊接系统外貌。其由垂直移动轴(Y)、径向运动轴(Z)、旋转轴和探头横向移动轴(W)组成,也可与变位机和滚轮架组合使用,使焊接熔池始终处于平焊位置,如图11所示。这种自动焊接系统的最大特点是,焊前只需预设接缝宽度,控制系统即自行编程,确定焊道数、焊接顺序和焊接速度。焊接过程中,探头实测接缝的宽度并与预设值比较,修正每层的焊道数和焊接参数,保证焊道的最佳成形和与坡口侧壁的良好熔合。
        这种接管焊接系统适用于接管直径范围为φ355~1355mm,接缝马鞍形斜率r/R≤1/2。Z轴和Y轴的定位精度为0.2mm。适用范围较广,可以满足极大多数常用规格接管的焊接要求,并实现焊接过程的全自动化,从根本上解决了大直径接管焊接自动化的难题。
 
        但必须指出,推广应用这种自适应控制全自动接管焊接系统的必要前提是筒身上的接管开孔坡口应采用机械加工方法(如镗孔)进行加工,以使接缝宽度和坡口面的尺寸偏差在机械化焊接容许的范围之内。
        1987年,哈尔滨锅炉厂曾向意大利Amsaldo公司订购了两套这类接管焊接系统,为该厂实现大直径接管焊接自动化奠定了基础。
        目前,国内已有多家焊接自动化设备专业生产公司可自行设计和制造大直径马鞍形接管自动焊专机,并在锅炉压力容器生产中得到了实际的应用,但某些机型的结构简单,焊接过程中操作工仍需不断监视和调整,有待进一步提高焊接自动化的程度。
 
4   锅炉集箱纵环缝的焊接技术
        锅炉集箱是电站锅炉重要的高温高压部件之一,其典型结构如图12所示。对于200MW及以下的电站锅炉,集箱筒体多半采用大直径厚壁无缝钢管。而对于300MW及以上的大容量电站锅炉,由于集箱筒体直径大幅度增加,直径大于600mm集箱筒体则采用钢板压制成形并以1条或2条纵缝组焊而成。集箱筒体纵缝通常采用单丝、多丝或窄间隙埋弧焊等高效焊接方法, 焊接工艺及设备与锅筒纵缝焊接基本相同。
        集箱筒体间以及与封头或端盖之间的环缝,因数量较多焊接工作量相当大。由于集箱筒体的内径大多在600 mm以下,且端盖的深度较浅,从筒体内部焊接十分困难。按传统的制造工艺规程,通常采用图13A所示锁口接头, 可从外部先以焊条电弧焊打底2~3层,再采用埋弧焊填充盖面。但这种接头形式的致命弱点是在锁口部位容易产生间隙腐蚀,且由于应力集中而导致集箱运行寿命的缩短。为确保电站锅炉的运行安全,将集箱环缝对接坡口改成图13B所示单面全焊透的形式,并以钨极氩弧焊封底,形成单面焊双面成形的焊道,再用焊条电弧焊加厚,最后用埋弧焊填充盖面。这种焊接工艺虽然确保了接头的质量,但焊接效率有所下降,势必要寻求一种效率较高的焊接工艺方法。
        经过详细的对比分析和大量的试验研究可以认定,对于壁厚80mm以下集箱对接环缝,采用坡口宽度仅12mm 的窄间隙熔化极脉冲电弧气体保护焊, 可以在提高焊接效率的同时,取得较高的经济效益。这种焊接工艺方法的工作原理示于图14。与窄间隙埋弧焊相比,可以节省更多的焊接材料,焊接效率提高1~2倍,接头的力学性能进一步改善。1974~1978年,哈尔滨锅炉厂曾成功地将窄间隙熔化极脉冲电弧气体保护焊用于碳钢和低合金耐热钢集箱环缝的焊接,取得了令人满意的效果。
 
5    锅炉集箱密排接管的焊接技术
        集箱筒体上焊有密排接管是其固有的特点,一台200MW电站锅炉集箱上接管的总数接近1万个,焊接任务量极其繁重。由于这些接管大多数是密排布置,接管的间距较小,焊接自动化的难度较大。长期以来,大多采用焊条电弧焊,但效率低下,且焊接质量不易保证。近期,许多锅炉制造厂改用实芯焊丝或药芯焊丝气体保护半自动焊,效率可提高0.5~1倍,焊材节约20%~30%,但仍摆脱不了手工操作,因气体保护焊焊枪重量大于焊条电弧焊焊钳,焊工的劳动强度反而增加,因此,推广这种半自动焊的阻力较大,且必须探索更先进和实用的解决办法。从近期的发展趋势来看,焊接机械手和焊接机器人是实现集箱密集接管焊接机械化和自动化的有效途径。
 
5.1   集箱接管焊接机械手。图15示出意大利Amsaldo公司研制成功的计算机控制的集箱接管焊接机械手系统全貌。焊接机械手的结构示于图16,可以连续自动焊接局部焊透和全焊透管接头形式,如图17所示。
 
       该机械手由旋转轴Φ、垂直运动轴Z和横向移动轴X组成,均由伺服电机驱动。通过气动胀紧机构将机械手在接管上定位和对中。焊接过程中,借助电弧参数的控制使焊枪自动跟踪接缝。PC机可对焊接参数A/V、送丝速度、摆动幅度和两侧停留时间进行程序控制。计算机软件可使焊枪完成d1/d2≤1/3的马鞍形曲线运动,并可实现最多达15层焊道的连续焊接而无需操作工干预。机械手包括RST1和RST2 两种型号,可焊的接管直径相应为28 ~100mm和80~400mm。管接头间距取决于接头形式,全焊透为45mm,局部焊透为35mm。焊接方法为实芯焊丝脉冲电弧混合气体保护焊。如改用自保护药芯焊丝电弧焊,则管接头间距可减小至25mm。图18示出采用这种焊接机械手焊接的管接头焊缝横剖面,表明焊缝质量良好。
 
5.2 集箱接管焊接机器人工作站。集箱密排接管采用焊接机器人自动焊接理应是最佳的解决方案,不少锅炉制造厂,如“武锅”、“上锅”和“哈锅”曾从国外引进了集箱接管焊接机器人,但使用效果不甚理想。这主要归因于早期的焊接机器人功能达不到集箱密排接管焊接的技术要求。最主要的是必须掌握以下两项关键技术,即焊枪在待焊接管起弧点的自动检测和精确定位及焊枪在焊接过程中自动跟踪接缝的轨迹;其次应当选定适于机器人焊接,并能确保焊缝质量的焊接工艺方法。
 
        图19示出近期研制成功的集箱接管焊接机器人工作站全貌。其由倒置安装的6轴机器人、悬臂横梁、轨道行走平车、翻转机、焊接电源和送丝机及中央控制器等组成,配备焊缝检测定位和接缝轨迹跟踪系统,确保焊枪在待焊接缝起始点准确定位,通过对电弧参数的控制自动跟踪接缝的轨迹。中央控制器可按预编程序协调控制工作站的所有模块。计算机软件则对机器人工作站各运动轴的动作进行程序控制和管理,并使其具有人机对话和故障诊断功能。该机器人工作站在20000 mm行程内重复定位精度为0.2mm,机器人各轴的重复定位精度为0.1mm;适用的接管外径为25~150mm,接管最大高度为1000mm,接管壁厚为3~15mm;最小轴向和周向管间距为50mm;焊接工艺方法为优化脉冲MIG/MAG焊;如改用自保护药芯焊丝电弧焊可将管间距减小至35mm。按上述技术特性数据, 这种机器人工作站可以满足大多数集箱接管焊接的技术要求。
 
6   锅炉受热面部件的焊接技术
        锅炉受热面部件包括省煤器、过热器和再热器,其典型结构形式示于图20。这些部件的制造工艺大致相同, 即先将直管采用各种焊接方法接长到规定的长度,然后在系统弯管机上弯成蛇形管,最后组装成管屏,由于上述受热面部件焊接和弯管的工作量极大,大多数锅炉制造厂都采用如图20 所示的蛇形管焊接生产线进行制造。
        对于某些特殊弯管部件,必须采用先弯后焊的制造工艺。在这种情况下,可以采用全位置手工氩弧焊和自动氩弧焊完成管件的对接。
        目前在直管接长中应用的焊接工艺方法主要有:摩擦焊、闪光电阻对焊、中频感应加热压力焊、自动TIG 焊、等离子弧焊、自动MIG/MAG焊和热丝TIG焊等。前三种压力焊方法主要用于中、高压电站锅炉蛇形管部件的生产,对于超高压和超临界大型电站锅炉,相应的制造规程要求对受热面部件管子对接接头作100%X射线检测, 因此必须采用上列各种熔焊方法。焊管机的结构基本上采取管子旋转机头固定不动的形式,如图21所示。
        锅炉受热面部件都是采用直径φ60mm以下的小直径管制成,管子的壁厚按工作压力和钢种,在2.5~13mm范围内变动。管壁5mm以下的为薄壁管, 管壁6mm以上则为厚壁管。各种熔焊方法的适用范围基本上可按管壁厚度加以划分。
6.1 自动TIG焊。TIG焊按填丝方式分自熔TIG焊和填丝TIG焊;按所用的焊接电流种类可分直流TIG焊和直流脉冲TIG焊,其共同特点是在低电流下电弧十分稳定,焊缝成形美观,容易实现单面焊双面成形封底焊道,特别适用于小直径薄壁管的焊接。
        小直径薄壁管对接焊的主要问题是熔池的热量不易散失,冷却速度慢, 容易造成过热而导致出现焊瘤,甚至焊穿。因此必须采取相应的工艺措施, 加快冷却速度,防止过热。当管子壁厚大于3mm连续多层焊时,应按图22 所示在管子的下半圆加设水冷铜块。另一方面设计合理的坡口形式和尺寸, 尽量减少焊缝的层数和熔敷金属量。在生产中实际使用的坡口形式和尺寸如图23所示。
        对于壁厚小于3mm的小直径管对接接头,自动TIG焊时不必加水冷铜块,但为保证焊缝成形良好,弧坑部位不致下塌,采用了直流低频脉冲TIG 焊,焊接质量十分稳定。
        自动TIG焊的另一个重要优点是可以用于碳钢、低合金钢、铬钼耐热钢和高铬镍奥氏体耐热钢等任何锅炉用钢,焊缝合格率通常在98%以上。在我国各锅炉制造厂的锅炉受热面部件生产中,自动TIG焊已成为普遍采用的焊接工艺方法。自动TIG焊的缺点是焊接效率较低,不适宜用于壁厚5mm以上的小直径厚壁管。
6.2 自动等离子弧焊。等离子弧焊与传统的TIG焊相比,电弧温度高且能量集中,等离子弧的穿透能力强,并具有锁孔效应,即焊接熔池被等离子弧穿透形成小孔后,随着焊枪的前移,小孔很快被熔池金属填满,而形成双面成形的焊道。这归因于等离子弧焊焊缝酒杯状独特的形状,如图24所示。
        利用等离子弧焊这一特点焊接小直径管可以比TIG焊成倍提高焊接效率, 并可焊制出质量优良、成形美观的焊缝,见图25。
        小直径管对接缝等离子弧焊时,因电弧能量比较集中,不像TIG焊那样容易产生过热,但在环缝接头收口部位,如不采取适当工艺措施,仍可能产生熔池下陷,甚至形成焊瘤,因此在收弧阶段应按预设的程序衰减离子气流和焊接电源。
        哈尔滨锅炉厂曾将这种先进的焊接工艺成功地用于φ42mm×5mm,12- Cr1MoV和φ42mm×3.5mm,12Cr1Mo-WVTiB低合金钢管蛇形管部件的批量生产,取得了令人满意的效果。
        上海锅炉厂亦曾将等离子弧焊工艺用于弯管部件对接接头的全位置焊, 为保证在立焊和仰焊位置焊缝的良好成形,采用了直流低频脉冲焊接电源, 并对焊接工艺参数分段进行程序控制,焊接效率比全位置自动TIG焊高1~2倍。
6.3 自动热丝TIG焊。为克服TIG焊效率较低的弱点,早在上世纪80年代就开发成功热丝TIG焊工艺方法,即将填充焊丝在进入焊接熔池之前,采用独立的电源加热到红热状态(见图26), 大大加快了焊丝的熔化速度,其熔敷率相当于相同焊丝直径在相同焊接电流下MIG焊的熔敷率。因此,这种焊接工艺方法既有TIG焊的特点,又具有MIG焊的高效率,十分适用于小直径厚壁管的对接焊。
       1987年,“哈锅”和“东锅”从加拿大C.E公司引进了直管对接自动TIG 焊设备共3台,并于次年投入膜式水冷壁直管接长焊接生产,在提高焊接效率的同时,焊接质量十分稳定。
        最近,“上锅”和“哈锅”又相继从法国Polysouole公司引进技术更先进、自动化程度更高的直管接长自动热丝TIG焊设备。图27示出这种设备的外形。其由焊接机床本体、左右双夹紧机构、旋转驱动系统、焊接机头、600PC型晶体管逆变焊接电源和计算机程控系统组成。焊接机头装有3套送丝机构,可快速切换所需焊丝种类,节省更换焊丝的辅助时间,见图27。焊接机头还装有焊枪摆动机构和AVC自动控制器,适用于厚壁管对接接头连续多层焊,焊接程序可利用笔记本电脑和专用的软件进行编程,使用方便,焊工经短期培训后即可掌握,图28示出这种自动热丝TIG焊管设备的全貌。
        该自动热丝TIG焊设备适用的管径范围为32~76mm,管壁厚度3~13mm,直管接长总长86m。该设备在“上锅”和“哈锅”稳定用于直管接长焊接生产多年,积累了成熟的经验,并证明热丝TIG焊是厚壁管对接高效、优质的焊接方法,值得进一步推广应用。同时也向国内专用焊接设备制造厂提出新产品开发方向。
 
6.4 自动脉冲电弧MIG/MAG焊。电站锅炉受热面部件蛇形管的壁厚随着锅炉工作参数的提高而增大。在300MW 以上大容量亚临界和超临界电站锅炉中,壁厚大于8mm的厚壁管占有相当大的比重,焊接工作量骤增,必须采用能适应小直径管焊接工艺特点的高效焊接法。
        早在上世纪80年代初期,为加快大容量电站锅炉国产化的速度,哈锅和上锅从美国C.E公司引进了600MW、300MW电站锅炉设计和制造技术。该公司在锅炉受热面部件的小直径厚壁管生产中主要采用了自动脉冲电弧MIG /MAG焊工艺方法。根据技术引进合同, 哈锅和上锅在厚壁管的生产中采用了这种先进高效的焊接方法,并从C.E 公司订购了直管接长自动脉冲电弧MIG /MAG焊设备。经过必要的焊接工艺试验后投入了试生产,但焊缝的合格率总是达不到工厂规定的最低合格率95%。焊接缺陷主要是根部焊道起弧点的未焊透。为查明这种未焊透形成的原因,对引弧过程的电流波形进行了检测和分析,结果发现原引进的自动脉冲电弧MIG/MAG焊设备所配的PA -3型焊接电源在引弧过程中的电参数很不稳定。引弧瞬间焊接电流上升到额定值的时间长达0.163s,从电弧引燃到稳定燃烧,并形成射流过渡的时间长达4s。因此很容易由于电弧起始热量不足而形成未焊透。试验证明,PA -3型焊接电源的动态特性不能满足小直径厚壁管特殊的焊接要求。为解决这一技术难题,哈锅于1987年与日本大阪变压器公司联合研制了直管接长MIG/MAG焊机专用的晶体管脉冲焊接电源,并将提高引弧瞬间焊接电流的上升速率作为主要考核指标。经过反复的试验,最终将引弧电流上升速率缩短到了20ms,比原配PA-3晶闸管焊接电源快了8倍多。大量的直管对接焊试验证明,采用改进型晶体管脉冲焊接电源可完全消除根部焊道起弧点的未焊透。批量试生产的焊缝质量检验结果表明,合格率达98%,符合焊接生产线对焊缝质量稳定性的要求。改进型晶体管脉冲焊接电源定名为TRA -350型,并作为大阪变压器厂的定型产品推向市场。
        TRA-350型晶体管焊接电源还配置了填补弧坑的控制模块。通过调节填补弧坑时的电弧电压和焊接电流控制焊缝成形,稳定了小直径管对接环缝收口的质量。
        除了上述焊接电源输出特性以外, 接头的坡口形式和尺寸、组装质量对引弧的稳定性和起始点的质量都有一定的影响。曾试验了图29所示3种形式的坡口,其中第1种和第2种坡口形式, 引弧过程稳定,焊道成形良好,且容易达到全焊透;第3种坡口形式因不易保证组装质量,根部焊道起始点焊接质量不稳定。最好将管端内孔加工修正,消除接缝错边。此外还应控制接缝组装间隙不大于0.5mm。
       自动脉冲电弧MIG/MAG焊经过上述焊接电源和焊接工艺的改进后,已稳定地用于从碳钢到铬镍奥氏体钢各种小直径厚壁管的接长对接,对按质、按期完成大容量电站锅炉生产任务,作出了积极的贡献,开创了MIG/MAG焊在高温高压部件上生产性应用的新局面。尤其是全数字控制MIG/MAG焊设备技术相当成熟的今天,MIG/MAG焊在该重要工程领域内必将发挥更大的作用。
6.5   固定管对接全位置焊。某些锅炉受热面部件,由于受结构形状的限制必须采用先弯后焊的制造工艺。在燃气-蒸汽联合循环锅炉中,为提高受热面部件的热效率,采用了鳍片管作为受热元件。在这种情况下,必须先组装鳍片管管系,再逐排组焊弯头,如图30所示。上述部件的管子对接焊时, 管件都不能自身转动而必须采用全位置焊,在工程上统称为固定管对接全位置焊。
        目前,在锅炉受热面部件生产中, 固定管对接接头的全位置焊最常用的方法是手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊。由于小直径管对接接头的焊接操作难度较大,技术要求复杂,手工氩弧焊不仅效率低,质量也不是很稳定。培养一名胜任这项工作的焊工往往需要3年以上的培训期,因此采用全位置自动氩弧焊,无论从技术上,还是从经济上考虑,都是一种势在必行的选择。如“哈锅”为完成第1台600 MW大容量电站锅炉的试制任务,曾从美国MAGNATECH公司引进了一台400系管子对接全位置自动氩弧焊机, 主要用于质量要求高、操作难度大的过热器铬镍奥氏体钢管对接接头的全位置焊,取得了令人满意的效果。继后又从瑞典ESAB公司订购了A21 PRC 33-90型固定管全位置自动氩弧焊机, 焊接机头的外形示于图31,焊枪装有横摆机构和AVC控制器,焊接电源可精确分段程序,控制主要焊接工艺参数,可焊接的最大管壁厚度达13mm。
        在生产燃气-蒸汽联合循环锅炉中, 哈锅又从法国Polysoude公司一次订购6 台MU IV型管-管对接全位置自动氩弧焊机。这种开启式焊管机头结构紧凑、轻巧、操作方便,其外形示于图32。配PS-254型晶体管逆变焊接电源,可最多分10段程序,控制各主要焊接工艺参数,典型的参数程控曲线如图33所示。此外还可在面板屏幕上数显实时显示焊接电流,电弧电压和焊炬的旋转角度,并可储存60个预置程序,按需调用。PS-254型焊接电源的外形和控制面板的布置示于图34。
       上述这种全位置自动焊管机在“哈锅”联合循环锅炉的生产中曾发挥了不可替代的作用,同时说明,对于焊接质量要求高、操作难度大的焊接工程更有必要实施焊接过程的全面自动化。
 
7   膜式水冷壁管屏的焊接技术
        膜式水冷壁是大容量高效锅炉不可缺少的重要部件,通常采用鳍片管或光管加扁钢组焊而成,见图35。随着锅炉容量的增大,膜式水冷壁管屏的外形尺寸不断加大,最大长度可达24m。一台600MW锅炉膜式水冷壁管屏焊缝的总长达400km。因此,膜式水冷壁部件的焊接工作量占有相当大的比重,并要求采用高效焊接法。近年来,由于鳍片管价格持续上涨,且规格、品种满足不了设计要求,使之光管加扁钢组焊成为膜式水冷壁管屏必然的选择,导致焊接工作量倍增。
        早期,在膜式水冷壁管屏的焊接生产中,应用最普遍的是多头高速自动埋弧焊,最高焊接速度可达120m/h, 实际生产中焊接速度多选用70~90m/h。“哈锅”从加拿大C.E公司引进的膜式水冷壁管屏6头自动埋弧焊机,可同时焊接6条膜式水冷壁管屏拼接缝,具有较高的焊接效率。
        采用高速自动埋弧焊不仅要求装备相应的自动化焊接设备,而且应使用性能满足要求的高速焊剂。经过试验验证,国产SJ 501烧结焊剂可以满足膜式水冷壁管屏高速埋弧焊的要求, 为膜式水冷壁大批量生产提供了物资保证。
        膜式水冷壁管屏自动埋弧焊的缺点是只能在平焊位置进行焊接,而膜式水冷壁管屏要求气密性必须采用双面焊。这样单面焊后,需将焊件校正, 翻身后再焊第二面,从而大大延长了生产辅助时间,往往成为阻碍按期完成生产任务的瓶颈。
        为进一步提高效率,缩短生产周期,日本三菱率先开发成功膜式水冷壁管屏焊接新工艺——双面脉冲电弧自动MAG焊和焊接装备,可同时从正反两面焊接管屏光管与扁钢的拼接缝, 焊后焊件平直无需校正,生产效率明显提高。其与埋弧焊相比,省略了焊剂消耗,节约了生产成本。
        为尽快在膜式水冷壁生产中应用这项高效新工艺,“哈锅”和“东锅”早在1988年便从日本三菱引进了膜式水冷壁双面脉冲电弧自动MAG焊装备, 并于次年投入生产使用,图36示出这种焊接装备的全貌。12极膜式水冷壁管屏自动MAG焊装备结构和焊枪的布置分别示于图37和图38。
       目前,该管屏自动MAG焊装备与相应的配套设备和输送辊道等组合而形成图39所示的膜式水冷壁管屏焊接生产线,不仅进一步提高了生产效率, 扩大了生产能力,而且保证了管屏焊接质量的稳定性。为规模生产锅炉膜式水冷壁提供了先进的加工手段和工艺装备。
        该膜式水冷壁管屏拼焊生产线适用的管子直径范围为φ25.4~76.2mm,管子壁厚3.5~9.0mm,管子最大长度25m, 扁钢宽度12.4~110mm,扁钢厚度5~9mm, 管屏最大宽度1500mm,可焊钢材为碳钢和低合金钢。
        上述膜式水冷壁管屏自动MAG焊装备的最大特点是2组焊枪分别在平焊和仰焊位置同时从管屏正反面进行焊接。为保证仰焊焊缝成形良好,必须采用脉冲电弧MAG焊工艺方法和富Ar (80% 以上)+CO2混合气体,以使熔滴以脉冲喷射的方式过渡。即使在仰焊位置,焊接过程亦十分稳定。因此配套的焊接电源是日本大阪变压器公司出产的晶体管脉冲MIG/MAG焊电源, 具有良好输出特性,脉冲电流和基本电流可分别单独调节。脉冲电流幅值、宽度和脉冲频率按预设的焊丝牌号、直径、焊丝伸出长度和送丝速度自动优化,确保焊接电弧处于无飞溅的最佳状态。
        为全面推广这种先进的新工艺,国内已有多家专用焊接设备生产企业能自行设计和制造膜式水冷壁管屏双面脉冲电弧自动MAG焊装备。迄今已有多条国产膜式水冷壁管屏拼焊生产线成功地投入生产使用。
 
8    热交换器管子/管板接头焊接技术
        在电站锅炉、汽轮机辅机、化工设备和核能装置的管式热交换器制造中,管子/管板接头的焊接是一项重要的关键技术。这种接头不仅数量多,而且质量要求高。许多大型热交换器因长度和结构等因素,无法立式装焊, 而必须卧式组装,这样管子/管板接头需作全位置焊接,加大了操作难度。某些核能装置的热交换器,为确保接头的致密性,要求管子/管板之间以全焊透的对接接头形式连接(见图40)。这就要求采用所谓内孔焊技术,焊接工艺更为复杂。
        在热交换器的生产中,管子/管板接头最常用的焊接方法是手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊。对于管径大于30mm的管子/管板接头亦可采用细丝MAG焊。对于质量要求高的管子/管板接头基本上都采用焊枪自动旋转的钨极氩弧焊。这种焊接机头的典型结构形式如图41所示。
       目前,在世界上,瑞典ESAB公司、美国Arc Machines公司、德国Orlimatic公司和法国Polysoude公司已批量定型生产管子/管板接头自动旋转TIG焊机。我国各大锅炉和化工容器制造厂曾分别从上述公司引进这类自动焊机20多台套,并已成功地用于热交换器生产。上海电站辅机厂从美国Foxweld公司引进了整套热交换器制造工艺与设备,使该厂成为我国第1家采用坐标式自动管子/管板焊机床专业化生产热交换器的企业。该机床具有机械对中定心、焊接过程程序控制、操作灵活方便等优点。最近,意大利Maus公司推出了MA -1800 Tuvbo型集胀管,端面加工和焊接为一体的数控加工中心(见图42)。其焊头自动定位,大大提高了管子/管板接头加工和焊接自动化程度。
       管子/管板接头与固定管-管对接相似,焊接过程中,焊接机头需连续改变焊接位置,即实施全位置焊接,相配的焊接电源和控制系统应精确分段程序控制主要焊接工艺参数。对于管子/管板对接接头,必须采用图43所示特制的内孔焊枪。因此,管子/管板接头自动焊机也是一种精密的焊接设备, 采用了当代最先进的机械设计和数字控制技术,以保证焊头行走精度、焊接工艺参数的稳定性和整机运行的可靠性。
    
9    结束语
        综上所述,我国锅炉、压力容器焊接技术经过60年的发展历程,目前总体上已经达到国际先进水平,某些关键焊接技术已居世界领先地位。我国五大电站锅炉制造厂焊接自动化的程度已经接近或者达到80%。我国不仅攻克了1000MW大容量超临界电站锅炉技术难关,而且采用先进的双丝窄间隙埋弧焊技术焊制成总重近650t 的加氢反应器,焊接质量完全符合相应国际标准的要求。可以说,我国已具备制造特大型压力容器的能力。
        但我们应该看到,上述锅炉、压力容器焊接技术的进步在很大程度上受益于技术引进,焊接自动化设备极大多数是从国外订购的。为进一步增强我国锅炉、压力容器的制造能力,应十分注重知识创新和技术创新,积极开展先进焊接自动化设备的国产化工作。
        同时应清醒地认识到,我国锅炉与压力容器制造行业,与世界工业发达国家相比,无论在产能、生产效率、技术装备的先进性还是产品的质量控制与管理,技术标准和信息化技术的应用方面都存在较大的差距,仍需坚持不懈的努力,全面推广先进制造技术,加速企业的现代化,增强国际竞争力。
 
参考文献
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