鍋爐壓力容器焊接自動化技術(shù)和應(yīng)用

張劍敏

（東營市特種設(shè)備檢驗研究院 山東東營 257000）

鍋爐壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備，并且對安全性能有著嚴(yán)格要求，如鍋爐壓力容器的抗壓能力、導(dǎo)熱性能等。傳統(tǒng)人工焊接技術(shù)存在諸多缺陷，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需求，導(dǎo)致鍋爐壓力容器的安全系數(shù)大大降低。伴隨焊接自動化技術(shù)的推廣，鍋爐壓力容器焊接質(zhì)量與效率得到有效提高。焊接技術(shù)自動化發(fā)展是必然的趨勢，這也代表現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)水平有所提升，而鍋爐壓力容器的焊接質(zhì)量與生產(chǎn)能力問題得到充分解決，由此可見，先進的技術(shù)工藝往往是促進社會經(jīng)濟發(fā)展的重要舉措［1-3］。

1 鍋爐壓力容器與焊接自動化技術(shù)概述

1.1 鍋爐壓力容器

由于鍋爐壓力容器大多應(yīng)用在高危環(huán)境下，所以本身屬于特殊生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)階段以工業(yè)生產(chǎn)的使用居多，因此，對于質(zhì)量安全有著極高要求。生產(chǎn)制造過程中，必須嚴(yán)格檢查，做好每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控。另外，鍋爐壓力容器為多部分組成，所以生產(chǎn)離不開焊接工藝的支持，必須要采用適當(dāng)?shù)暮附蛹夹g(shù)，同時提高焊接水平，才能保證鍋爐壓力容器質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。若焊接過程中技術(shù)水平不足，不僅會影響設(shè)備本身的質(zhì)量，還會留下巨大的安全隱患，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)面臨威脅。通過事故分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐壓力容器爆炸與自身的焊接密封性不足有關(guān)，因此，在生產(chǎn)制造中，需要重視鍋爐壓力容器焊接。

1.2 焊接自動化技術(shù)

焊接是鍋爐壓力容器生產(chǎn)制造中不可或缺的環(huán)節(jié)，而焊接自動化技術(shù)代表焊接技術(shù)朝著自動控制方向發(fā)展，徹底擺脫了傳統(tǒng)人工焊接技術(shù)。作為現(xiàn)代化焊接技術(shù)工藝，其核心是將焊接操作與計算機技術(shù)進行有效結(jié)合，能夠充分了解鍋爐壓力容器焊接具體參數(shù)，通過提前預(yù)設(shè)完成自動化控制操作，也就是將數(shù)據(jù)信息輸入到計算機系統(tǒng)，由計算機設(shè)備實現(xiàn)自動化焊接。這一轉(zhuǎn)變無疑提高了焊接效率和質(zhì)量，也見證了焊接技術(shù)的巨大突破，并且從半自動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣踊僮鳎ê负笄謇砼c零件成型等程序，這要得益于自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。雖然是依靠機械設(shè)備完成焊接操作，但精準(zhǔn)度方面完全不需要擔(dān)心，因此，焊接自動化技術(shù)才會應(yīng)用在航天等精細設(shè)備制造過程中［4-5］。

2 鍋爐壓力容器焊接自動化技術(shù)的應(yīng)用意義

任何技術(shù)工藝都要吸取經(jīng)驗，不能故步自封，影響工業(yè)水平發(fā)展，尤其在很多產(chǎn)品對焊接質(zhì)量有更高要求的條件下，相關(guān)領(lǐng)域的研究者和生產(chǎn)者必須積極進取，對技術(shù)工藝與產(chǎn)品進行升級，因此，焊接自動化技術(shù)的應(yīng)用是為了更好地符合工業(yè)發(fā)展需求。除此之外，我國很多行業(yè)、領(lǐng)域正在走向國際市場，就是因為各項技術(shù)日漸完善，自動化程度有所提高，如鍋爐壓力容器焊接就利用自動化技術(shù)提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，這樣才能獲得更大的發(fā)展空間。另外，不能過度依賴國外進口技術(shù)、設(shè)備，應(yīng)積極吸取先進經(jīng)驗，總結(jié)生產(chǎn)技術(shù)，這是獲取持續(xù)性發(fā)展的重要舉措。

3 鍋爐壓力容器焊接中常見的質(zhì)量問題

在傳統(tǒng)的鍋爐壓力容器焊接過程中，由于技術(shù)方面存在較大的滯后性，因此焊接容易引發(fā)缺陷，例如，在焊接方法不當(dāng)?shù)臈l件下，就會造成鍋爐壓力容器外部咬邊缺陷。此外，焊接過程中無法避免產(chǎn)生熔渣，傳統(tǒng)人工焊接無法有效清理，熔渣長期存在于焊縫中，導(dǎo)致焊接位置出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象，這也是較大的質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致焊接嚴(yán)密性與強度受損，因此，應(yīng)用焊接自動化技術(shù)勢在必行。

4 鍋爐壓力容器焊接自動化技術(shù)的應(yīng)用

4.1 膜式壁焊機

伴隨著科技迅速發(fā)展，我國在鍋爐壓力容器焊接技術(shù)方面得到重大突破，膜式壁焊機就是典型的現(xiàn)代自動化焊接技術(shù)，并且得到全面推廣和應(yīng)用。目前，該技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，并且在設(shè)備性能水平上已經(jīng)達到同類進口設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，這也代表鍋爐壓力容器焊接效率質(zhì)量將會得到顯著提高。在膜式壁焊接機的推動下，逐漸形成了氣體保護焊接與埋弧焊接兩種工藝，大大提高了設(shè)備的生產(chǎn)能力。另外，膜式壁焊槍的靈活性更高，焊接效果也要比傳統(tǒng)工藝優(yōu)異。目前來看，膜式壁焊機的潛力較大，尤其在自動化水平方面，可以通過加強研究，徹底擺脫人工操作，縮小與國外工藝技術(shù)的差距。在使用過程中，主要包含管子和扁鋼焊接兩種模式，同時，根據(jù)焊槍數(shù)量、焊接流程排列，以此來保證符合焊接需求。該技術(shù)完全能夠處理好鍋爐壓力容器，但是與國外的焊接技術(shù)仍有差異，雖然設(shè)備差距不大，但個別操作環(huán)節(jié)需要依靠人工操作，因此，未來必須圍繞自動化程度進行研發(fā)，優(yōu)化完善操作管理步驟。

4.2 直管接長焊機

由于鍋爐壓力容器對于質(zhì)量有著較高要求，因此，在焊接過程中必須保證安全?，F(xiàn)階段，直管接長焊機成為普遍的自動化焊接技術(shù)，能夠滿足鍋爐壓力容器的各項要求。例如，鍋爐壓力容器運行過程中往往會產(chǎn)生熱量，如果熱量超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就會引發(fā)火災(zāi)，因此，要及時采取散熱處理，對火災(zāi)等事故展開預(yù)防。以往通常會選擇安裝散熱設(shè)備對溫度進行有效控制，但是在直管接長焊機得到全面普及后，不需要額外安裝散熱設(shè)備，即可在焊接過程中對鍋爐壓力容器進行散熱。另外，該焊接技術(shù)主要通過PLC 自動化控制系統(tǒng)進行運用，高效完成預(yù)處理自動化生產(chǎn)，同時，焊接過程精準(zhǔn)度大大提高，借助PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)反復(fù)性操作。我國在鍋爐壓力容器焊接技術(shù)的研發(fā)工作中經(jīng)歷很多重要階段，從最早期的TIG 冷絲到當(dāng)前的TIG 熱絲，在焊接技術(shù)上得到顯著突破，并且已經(jīng)開始廣泛采用國產(chǎn)設(shè)備，說明我國的產(chǎn)品核心競爭力正在提高，焊接技術(shù)日漸成熟。在實際焊接過程中，通過PLC系統(tǒng)，充分穩(wěn)定了焊接質(zhì)量，因此，直管接長焊機屬于較為理想的自動化焊接技術(shù)。

4.3 馬鞍形焊機

針對鍋爐壓力容器焊接要求，可以采用馬鞍型焊機進行處理，這也是應(yīng)用較為廣泛的焊接技術(shù)，但是從具體的焊接效果來看，仍然有待完善，包括焊縫成型質(zhì)量與整體焊接質(zhì)量。為了能夠完善此自動化焊接技術(shù)，通過構(gòu)建完善的數(shù)學(xué)模型，輸入相應(yīng)的參數(shù)，對運動軌跡展開精準(zhǔn)計算，從而保證焊槍的運動軌跡足夠準(zhǔn)確，嚴(yán)格按照程序預(yù)設(shè)實現(xiàn)焊接操作。在焊接過程中，需要注意控制好鍋爐壓力容器的水平位置，這也是強化焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。目前來看，優(yōu)化過后的馬鞍型焊機使用效果良好，大幅度提升了焊接效率與質(zhì)量。由于馬鞍形焊機分為不同種類，在使用過程中，要結(jié)合實際需求確定型號。例如，升降、運動相對靈活的設(shè)備，焊接前輸入準(zhǔn)確參數(shù)，在焊接過程中可隨意調(diào)整，包括自動、手動修改焊槍位置水平［6-8］。

4.4 集箱環(huán)縫TIG自動封底焊接工作站

在現(xiàn)代科技的加持下，鍋爐壓力容器焊接技術(shù)也在提高，現(xiàn)階段焊接技術(shù)自動化特征明顯，例如，集箱環(huán)縫TIG自動封底焊接工作站就是相對現(xiàn)代化的焊接技術(shù)，該工作站在焊接中能夠起到重要作用，并且有著諸多優(yōu)勢，如減少電焊環(huán)節(jié)、焊口組裝對位可直接采取冷絲TIG 焊接技術(shù)等，就能將兩側(cè)完美連接。在焊槍固定操作的條件下，工件會持續(xù)性轉(zhuǎn)動以此來滿足焊接需求，保證焊接過程的完整性，并且安裝了浮動式動力頭，讓工件時刻保持平穩(wěn)的狀態(tài)。通過實際應(yīng)用來看，自動化水平較高，加上采用了PLC 控制系統(tǒng)，能夠大幅度提高焊接效率與質(zhì)量。工作站主要由多個部分組成，其中包含滾輪架、TIG焊槍運動系統(tǒng)及浮動式動力頭。滾輪架的作用是調(diào)節(jié)、穩(wěn)定工件，大多采用4臺滾輪架，2 臺放在中間位置并且具備升降功能，另外2臺置于兩側(cè)，滾輪架與工件的接觸面主要采用聚乙脂，這也是較為柔軟的材料，可以吸收焊接過程中的工件跳動。浮動卡盤式動力頭調(diào)速范圍大、精準(zhǔn)度高，有利于改善工件偏載或走向跳動等問題，對提高焊接質(zhì)量有著重要作用。TIG 焊槍運動機構(gòu)為焊槍跟蹤機構(gòu)、窄間隙焊槍、控制系統(tǒng)多個部分，可以通過規(guī)范參數(shù)與程序進行控制，充分滿足了鍋爐壓力容器對于焊接工藝的需求，自動化程度相對較高。

4.5 窄間隙埋弧焊機

窄間隙埋弧焊接機具有較強的人性化特征，由PLC、AC、觸摸屏組成控制系統(tǒng)，大大降低了操作難度，焊接過程中的精準(zhǔn)性也能得到有效把控。該焊接技術(shù)中分為激光跟蹤、智能控制系統(tǒng)及窄間焊槍等部分。激光跟蹤是窄間隙埋弧焊機的核心，也是對傳統(tǒng)窄間隙埋弧焊機的有效優(yōu)化，能夠保障焊槍始終處在正確的位置下，并對整個操作流程進行跟蹤。窄間隙埋弧焊機應(yīng)用了多種機械式位移傳感器，利用激光攝像頭進行圖像判別，提高了焊接效率和質(zhì)量。但是受到激光頭性能方面的影響，要注意與工件之間的距離，盡量控制在20mm的范圍之內(nèi)，跟蹤深度應(yīng)保持在100mm，該技術(shù)支持焊槍自動尋找焊縫，因此，操作時可以自動到達焊接位置。另外，還具備擺動、可靠導(dǎo)電兩項重要功能，從而應(yīng)對不同的焊接要求，控制系統(tǒng)以PLC 為主，加入屏幕觸控的操作形式，支持人機對話提高操作流暢度，設(shè)置好規(guī)范參數(shù)即可進行全自動、半自動及手動焊接操作。

4.6 集箱短管接頭自動埋弧焊機

在鍋爐壓力容器焊接工作中，集箱短管接頭自動埋弧焊機應(yīng)用相對廣泛，這也是較為現(xiàn)代化的焊接技術(shù)。初期階段，集箱短管接頭數(shù)量較多，所以大多采取手工焊接，并且整體焊接質(zhì)量無法得到保障，后續(xù)從國外引進集箱短管接頭角自動焊機，但設(shè)備造價相對昂貴，同時存在部分缺陷。但是，隨著近些年焊接技術(shù)的快速發(fā)展，集箱短管接頭自動埋弧焊機得到優(yōu)化，無論經(jīng)濟性還是功能性都得到顯著提高，不僅滿足了市場需求，還能強化鍋爐壓力容器焊接效率與質(zhì)量。在實際應(yīng)用過程中操作便捷，工作量大時，安裝擺放若干接頭同時焊接，以此來加快鍋爐壓力容器的焊接速度。

4.7 管道預(yù)制焊接工作站

管道預(yù)制焊接工作站在多個領(lǐng)域中有所應(yīng)用，如石化、建筑、造船等，包括鍋爐壓力容器設(shè)備焊接，尤其是數(shù)量多、體積大的設(shè)備設(shè)施，都可以采用管道預(yù)制焊接工作站，并且支持手動與半自動焊接。該焊接技術(shù)在控制方面，具有較大的發(fā)展空間，通過提高自動化程度即可增強焊接效率，例如，應(yīng)用PLC 控制系統(tǒng)，借助數(shù)字化編程邏輯控制器，完善焊接流程、參數(shù)規(guī)范，快速實現(xiàn)各類焊接工作。此外，管道預(yù)制焊接工作站采用了中空開啟式夾緊回轉(zhuǎn)裝置，以確保工件調(diào)入裝置后夾緊定位，為優(yōu)質(zhì)高效的焊接操作打下良好基礎(chǔ)。

4.8 筒體縱縫環(huán)縫焊接機

工業(yè)生產(chǎn)中所使用的都是大體積鍋爐，主要由圓形筒身和兩端封頭組成，這也導(dǎo)致每個筒節(jié)不只存在一條焊縫。通過筒體縱縫環(huán)縫焊接機的應(yīng)用，能夠快速進行焊縫對接，并且具有操作簡單、成本低等優(yōu)勢。在焊接過程中，會通過琴鍵式夾緊機構(gòu)進行固定，若鍋爐壓力容器的筒節(jié)為薄壁，也可不采取固定措施，直接在焊接機上進行組裝、焊接操作。環(huán)縫主要通過滾輪架、焊接機完成對接，可以將筒體放在滾輪架上，并運用自動對中功能均勻旋轉(zhuǎn)，焊接方法大多會采用離子弧焊、埋弧焊等技術(shù)［9-10］。

5 結(jié)語

鍋爐壓力容器主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、公共事業(yè)等領(lǐng)域，并且定位為特種設(shè)備，在安全上有著嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)與特殊要求，為了保證使用安全，必須對設(shè)計、制造、安裝及使用環(huán)節(jié)進行監(jiān)督管理。由于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對鍋爐壓力容器的綜合性能要求有所提高，因此，不得不改變以往的焊接方法，這也促進了焊接自動化技術(shù)的研發(fā)進程，通過焊接經(jīng)驗的總結(jié)積累，打造出自動化程度越來越高的焊接工藝。焊接自動化技術(shù)分為多種不同類型，有利于提高鍋爐壓力容器的安全性，增強此類設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用價值，未來還需要深入研究，不斷優(yōu)化完善焊接自動化技術(shù)，同時，在各行業(yè)、領(lǐng)域進一步推廣。