雙絲窄間隙埋弧焊工藝在大型石化容器上的研究與應用

翁清云 張海林 晏君文 陳志林 李鵬飛

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

雙絲窄間隙埋弧焊是一種采用兩根沿焊接方向前后排列的焊絲，兩根焊絲端頭燃燒的兩個電弧共同形成一個熔池，以一層兩道的多層焊方式填充窄間隙對接坡口的埋弧焊方法，其生產效率顯著提高，產品質量也得到保證。重型石化壓力容器，產品噸位大、容器厚壁。在進行主焊縫焊接時，焊接工作量極大，人員需求多，制造周期較長，無法滿足產品交貨周期。因此有必要在該類焊接設備的配備上進行提升。

1 核心內容及主要技術性能指標

1.1 項目核心內容

項目核心內容包括雙絲窄間隙焊機機頭部分(包括跟蹤裝置、焊絲轉角、校直機構、十字托板等)、焊劑輸送部分和焊劑回收部分、雙絲電氣控制部分、自主設計遠程控制盒及雙絲窄間隙埋弧焊工藝開發(fā)部分。

1.2 主要技術性能指標

(1)焊接機頭焊槍部分：雙絲焊槍采用直槍加斜槍組合方式，窄間隙焊槍采用合金銅材料制造，噴涂耐高溫焊絕緣材料。焊嘴具有電動擺角、電氣微調等功能，具有焊槍間距無極可調、操作簡單方便、耐用可靠等特點。

(2)跟蹤系統(tǒng)：跟蹤部分采用不銹鋼材料制造，含有接觸式高精度電位器，具有雙向跟蹤功能，具有跟蹤精度高、換邊無沖擊、安全可靠等特點。

(3)跟蹤十字滑扳：本體采用鋼制材料制造，采用直線導軌導向、伺服電機驅動渦輪減速機、滾珠絲杠傳動、迷宮式防塵結構設計，具有結構緊湊、傳動精度高等特點。

(4)機頭調整：采用組合式機頭調整裝置，配置機頭旋轉、機頭擺角、焊槍間距調整等功能；具有調整方便、位置準確等特點。

(5)操作系統(tǒng)部分：選用先進的一體化操作方式。以PLC為控制核心，彩色人機界面操作，除了控制窄間隙機頭功能外，同時還控制操作機、滾輪架的動作功能?？刂葡渫ㄟ^機床專用活動臂連接在機身上，具有抗干擾能力強、操作維修簡單方便、可靠耐用等特點。

(6)焊接參數(shù)預置：具有預置焊接電流、電壓及焊接速度功能?？深A置存儲10組焊接電流、電壓及焊接速度值。

(7)焊接參數(shù)儲存：具有實時存儲記憶焊接電流、電壓功能?？赏ㄟ^USB接口將實時存儲的焊接數(shù)據(jù)進行拷貝、儲存、打印。

(8)焊劑輸送回收部分：采用大容量焊劑儲存輸送罐、正壓輸送焊劑、旋風回收器配合焊劑斗下料及負壓回收焊劑的方式，配合粉塵回收罐回收粉塵，具有焊劑儲存量大、輸送距離遠、回收效果好等特點。

(9)空氣干燥系統(tǒng)：采用了先進的空氣過濾干燥組件，外加保護殼體、進出壓縮空氣閥門接口，具有空氣干燥指標高、無需電能損耗、免維護、使用壽命長等特點。

2 設備主要技術參數(shù)

設備主要技術參數(shù)如下：

可焊坡口深度：350 mm

坡口角度：1°～30°(總角)

坡口寬度：12～35 mm

每層焊道數(shù)：一層兩道，首層單道

焊絲直徑：?2.4 mm～?4.0 mm

焊槍(導電嘴)擺角范圍：≤±3.5°

焊槍(導電嘴)偏角精度：≤±0.5°

橫向跟蹤精度：≤±0.2 mm

高度跟蹤精度：≤±0.5 mm

焊絲矯直精度：≤±1 mm

(焊絲伸出導電嘴30 mm處)

輸出電流范圍：200～1000 A

焊槍擺角范圍：±3.5°

機頭轉角角度：≥90°

額定輸入電壓：380 V±57 V(三相，50 Hz)

跟蹤十字溜板行程：300 mm×500 mm

焊槍垂直調整范圍：-30°～120°

工件最高溫度：≤350℃

小焊絲盤可裝載焊絲重量：30 kg

3 項目特點及難點

3.1 操作控制系統(tǒng)設計

采用PLC控制、HMI參數(shù)輸入，在焊接過程中對焊接電壓、焊接電流、焊接速度、橫向跟蹤、高度跟蹤等參數(shù)在預置范圍內進行自動控制。PEK焊接控制器可預制10套焊接參數(shù)，供不同焊接需要。操作控制箱由焊接控制器、伺服驅動器、PLC/HMI和操作按鈕等組成。為確保操作便利，將操作控制箱通過旋轉支承臂安裝在連接操作機上。設備工作參數(shù)可以通過操作控制箱的HMI進行修改并存儲。窄間隙埋弧焊機、操作架的所有控制均可在控制箱上操作、顯示，以便操作者對焊接過程進行監(jiān)控。為提高其抗干擾能力及可靠性，控制系統(tǒng)的主要輸入、輸出接口均采用光電隔離。

3.2 焊劑輸送與回收系統(tǒng)

焊劑輸送、回收系統(tǒng)由焊劑儲存輸送罐、粉塵回收罐、焊劑斗、旋風回收器及輸送管路等組成。利用壓縮空氣將儲存罐里的焊劑通過輸送管路自動輸送到焊接機頭上的焊劑斗里，焊劑斗里的焊劑通過焊劑下料管自動流到焊接熔池處。

焊劑儲存輸送罐安裝有焊劑漏斗、空氣調壓過濾器、壓力安全閥、加熱保溫裝置及料位檢測裝置等。加熱保溫裝置確保焊劑出來后，溫度能夠達到工藝參數(shù)要求范圍內。在焊劑不足時發(fā)出報警信號，提醒操作人員增補焊劑。通過壓縮空氣將焊劑罐的焊劑輸送到機頭焊劑斗。

焊劑斗安裝有焊劑篩、出料氣動、手動旋轉氣缸，在焊劑斗的前方開設透明觀察窗口。從焊劑儲存罐里來的焊劑暫時存放在焊劑斗里。使用時通過開啟出料口焊劑斗，里面的焊劑流到機頭的下料管。當焊劑斗的焊劑不足時焊劑罐會自動補充。

焊劑回收旋風器由焊劑負壓回收器、旋風分離器、焊劑回收吸管等幾部分組成，采用鋼制材料與工業(yè)塑料混合制造。干燥后壓縮空氣通過旋風器產生負壓將剩余焊劑回收到焊劑斗里，與焊劑斗中的焊劑混合后重新使用。焊劑粉塵回收罐由罐體、回收盒、空氣過濾器、料位檢測等組成，安裝有物料傳感器，當粉塵超過傳感器設定的位置時自動報警，提醒操作者清理粉塵。

由于地區(qū)空氣濕度較強，焊劑的輸送回收系統(tǒng)需增加一套空氣干燥器，由自動排水器、油水分離器、空氣干燥器及壓力調節(jié)器組成。

3.3 焊接機頭

雙絲窄間隙焊接設備機頭由跟蹤十字滑板、送絲機構、跟蹤機構(高度和橫向)、雙擺角焊槍、焊槍擺角機構、焊絲雙向校直機構等組成，見圖1。

1—照明燈 2—焊絲雙向校真機構 3—送絲電機 4—焊絲盤5—焊劑斗 6—焊槍連接調整機構 7—跟蹤十字滑板8—焊道激光燈 9—雙向跟蹤機構 10—擺動嘴11—焊接直槍 12—焊接斜槍 13—焊劑回收裝置圖1 雙絲窄間隙焊接設備機頭結構簡圖Figure 1 Structure diagram of head of double wire narrow gap welding equipment

焊槍雙向跟蹤機構由跟蹤盒體、跟蹤連接體、跟蹤爪、跟蹤輪體等組成。采用高精度電位器作為傳感元件，自動跟蹤時自動調整焊槍在焊道的中心位置。高度跟蹤可以任意設定跟蹤零點，并通過人機界面調整跟蹤高度，以調整焊絲的桿身長度，降低設備操作難度。

雙絲窄間隙焊槍采用直槍加斜槍組合方式，焊嘴具備電動擺角、電氣微調等功能，與以往的氣動調整相比，通過電氣控制步進電機轉動來實現(xiàn)焊嘴擺動，具有定位準確、穩(wěn)定可靠的特點。

送絲電機采用A6 VEC送絲電機，安裝在機頭專用送絲電機架上，完成焊絲平穩(wěn)、均勻輸送。高度跟蹤采用接觸式跟蹤方式，代替原來的機械跟蹤光電傳感器，傳感元件采用高精度位移傳感器，具有抗干擾能力強、跟蹤精度高、跟蹤零點任意設定、焊接過程中發(fā)現(xiàn)問題能迅速調整等特點。

焊槍槍體主要由焊槍本體、連接組件等組成，表面噴涂耐高溫陶瓷絕緣材料，具有導電及抗電磁性能好、耐高溫絕緣等特點。

3.4 焊接電源及其控制系統(tǒng)

采用PEK焊接控制器，為實現(xiàn)不同焊接工藝要求，搭配兩臺TAF1251交流焊接電源、1臺LAF1251直流焊接電源。在整個電流和電壓的設定范圍內，具有焊接性能好、電弧穩(wěn)定、起弧及二次起弧性能好的特性。

3.5 設備遠程控制盒

遠程控制盒元器件選型上須滿足現(xiàn)場金屬粉塵較多、溫度高等要求，為每個控制按鈕配備防塵帽。

4 應用情況

以2.25Cr-1Mo-0.25V鋼容器產品為例，雙絲窄間隙自動焊接的應用如下：

4.1 焊接坡口的選擇和設計

為提高生產效率，窄間隙坡口越窄越好。但考慮質量控制因素，坡口太窄會導致焊縫成形差、易產生夾渣及咬邊缺陷等問題，甚至導致焊接過程無法正常進行；而坡口設計太寬時，側壁熔合會比較困難，同時不利于提高生產效率。

在進行雙絲窄間隙埋弧焊坡口設計時，結合單絲埋弧焊焊接坡口和雙絲埋弧焊的特性，選擇外側小角度的U形坡口。以300 mm板厚為例，設計坡口如圖2所示，母材厚度δ=300 mm，坡口根部R=10 mm，鈍邊P=8 mm，間隙b=0 mm。經試驗，該坡口進行雙絲埋弧焊焊接時，焊道脫渣性較好，焊縫成形狀況優(yōu)良。

圖2 雙絲窄間隙埋弧焊坡口Figure 2 Groove of double wire narrow gapsubmerged arc welding

4.2 焊接試板試驗

為驗證雙絲窄間隙埋弧焊設備性能，進行以下試驗：厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼窄間隙坡口前直后交(DC-AC)工藝試驗；厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼窄間隙坡口雙交(AC-AC)工藝試驗。

模擬試驗后，制作筒體模擬件并進行焊接試驗。通過150 mm、300 mm厚度試板多組焊接試驗，找出最佳焊接參數(shù)，可應用于厚度≤400 mm的容器項目生產。模擬筒體的雙絲焊接應先進行打底焊接，為避免產生熱裂紋，使用參數(shù)較低。打底后進行坡口填充。填充層到表面層焊接規(guī)范參數(shù)基本一致，焊道厚度均勻，焊縫性能良好。試板和模擬筒體的雙絲埋弧焊焊接均進行RT、UT檢測，均滿足質量要求。

4.3 確定焊接規(guī)范參數(shù)

對厚度300 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼進行窄間隙坡口前直后交(DC-AC)焊接工藝評定及試驗，其焊接規(guī)范參數(shù)見表2。

對220 mm厚度2.25Cr-1Mo鋼進行窄間隙坡口前直后交(DC-AC)焊接工藝評定及試驗，其焊接規(guī)范參數(shù)見表3。

焊后按照相關工藝要求進行熱處理和無損檢測，結果表明評定件均取得良好的焊接效果。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接規(guī)范參數(shù)Table 1 Welding specification parameters of 2.25Cr-1Mo-0.25V steel

表2 2.25Cr-1Mo鋼焊接規(guī)范參數(shù)Table 2 Welding specification parameters of 2.25Cr-1Mo steel

表3 2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接試板主要力學性能Table 3 Main mechanical properties of2.25Cr-1Mo-0.25V steel welded test plate

4.4 雙絲埋弧焊焊接接頭主要力學性能

評定試板焊接完成后，按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定標準》對試板進行力學性能檢驗，厚度300 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼焊接試板及厚度220 mm的2.25Cr-1Mo鋼焊接試板的主要力學性能分別見表3和表4。

5 結語

通過雙絲窄間隙埋弧焊在大型石化容器上的應用，探索出焊接電流、焊接速度、絲壁間距對雙絲窄間隙埋弧焊焊縫成形影響的規(guī)律，隨著雙絲窄間隙在大型石化容器產品的不斷應用，提高了深坡口窄間隙焊縫的焊接效率。在保證焊接質量的前提下不斷提升環(huán)焊縫的焊接效率，推進了壓力容器產品生產制造進度。實踐證明，焊接效率比普通弧焊高2～3倍，比單絲窄間隙埋弧焊提高60%～100%。

表4 2.25Cr-1Mo鋼焊接試板主要力學性能Table 4 Main mechanical properties of2.25Cr-1Mo steel welded test plate