窄間隙埋弧焊成套設備配置方案研究

王福臣，劉自力

1.一重集團核電石化事業部工程師，遼寧 大連 116113

2.一重集團冶金工程事業部助理工程師，遼寧 大連 116600

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

1 設備組成及工作原理

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

1.1 窄間隙埋弧焊機頭

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

（1）跟蹤十字滑板總成由機械部分的水平、垂直滑板及減速機，電氣部分的水平、垂直滑板電動機組成。工作時十字滑板總成與自動跟蹤控制裝置聯合使用，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與側壁距離的恒定，實現焊接高度和橫向自動跟蹤控制，能避免側壁未熔合、咬邊及夾渣等焊接缺陷的產生。由于國產十字滑板總成中直線軸承與直線導軌間的配合明顯不如進口產品，會經常出現直線軸承不靈活或卡死，在高溫作業的環境下故障率比國外產品高很多，而且國產窄間隙滑板驅動電機相差更大。在操控性上，國外窄間隙高度跟蹤和橫向跟蹤控制調整操作簡單，易于操作者掌握，而國產設備調整、操作復雜，操作及維修相對困難。因此，為了獲得可靠的自動跟蹤功能，確保焊接質量，應當首選進口十字滑板總成；

（2）焊絲雙向校直機構是由國外發明，國內仿造的結構。由于國內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，很難保證生產順利進行。為實現高效、平穩的送絲過程及焊絲校直質量，使焊絲的伸出指向準確，保證精確的焊接位置并獲得穩定的焊接電流，應當采用進口焊絲雙向校直機構；

（3）送絲電機及減速機是窄間隙埋弧自動焊機的重要部件，其作用是確保實現平穩的送絲過程并獲得穩定的焊接電流。國外直流電動機與減速機一體化配置的結構維護工作量極少，而國產窄間隙使用的電動機與減速機分開，無論在運行穩定性方面還是故障率方面都較之遜色很多。因此應當首選進口送絲電機；

（4）焊槍總成是實現焊絲導電、輸送焊劑、自動跟蹤機械檢測、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壁充分熔合且過渡平滑，避免出現夾渣、咬邊等焊接缺陷。國產焊槍與國外產品從選料上就有差別，長期工作在高溫環境下時會發生變形，導致跟蹤不靈活、執行送絲不暢、擺角不到位，最終影響焊接質量；而進口焊槍總成能夠在350℃的環境下正常工作，執行送絲、擺角、跟蹤等關鍵動作準確無誤。進口焊槍總成應當是我們的首選；

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

1.2 焊接電源

焊接電源是為焊接過程提供穩定電能量的設備，焊接電源的好壞直接影響焊接質量。目前焊接設備市場上進口電源種類很多，盡管具有一定的通用性，但在結構、材料配置、電氣性能和主要技術參數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、動特性和工藝參數的調節范圍等是否能夠充分滿足焊接工作要求，尤其是電源工作穩定性及焊道成型性能等能否確保焊接過程的順利進行并取得好的焊接質量應是考核重點。

1.3 焊劑輸送及回收系統

焊劑輸送及回收系統用于焊劑儲存、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。當焊劑輸送罐里的焊劑下降到水平指示器位置時，控制系統將自動發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，確保焊劑的連續自動輸送。通過旋風器（負壓發生器）產生負壓吸收剩余的焊劑，回收的焊劑通過吸管及管路經篩網過濾后回到焊劑料斗中，與焊劑斗中的新焊劑混合后重復使用。進口的焊劑輸送及回收系統與國內同類產品在質量及使用性能上相差不多，選用國產的焊劑輸送及回收系統就能滿足需要。

1.4 空氣干燥系統

空氣干燥系統負責提供純凈、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。因此推薦選用國產設備。

1.5 焊接程序控制器

焊接程序控制器具備焊接參數預置功能，在焊接前將多種焊接電流、電壓、焊接速度等參數提前輸入焊接程序控制器中，焊接時選擇其中一組進行焊接；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、引弧電流向預置電壓、電流變化，當焊接電壓和焊接電流達到設定值時，起弧成功，送絲系統自動轉為正常送絲，焊接過程開始；此外，焊接程序控制器還具備焊接參數顯示、自動控制焊接電壓、焊接電流，還可以進行手動在線調節等功能。市面上進口產品品牌很多，盡管各家焊接程序控制器在功能上基本相同，但選型關鍵還是在于焊接穩定性，此外還包括控制性能是否優異、結構是否緊湊、調節是否方便、故障率如何等等，焊接程序控制器的優劣直接影響焊接電壓、焊接電流的穩定，影響焊接質量。

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的重要電氣部件，通過跟蹤十字滑板的聯合工作完成整體自動跟蹤控制。跟蹤機構有機械式、光電式或機械與光電混合式等?；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械垂直傳導，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械旋轉傳導，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與側壁距離的恒定，避免側壁未熔合、咬邊及夾渣等焊接缺陷的產生。能夠實現手動/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，選用進口自動跟蹤系統對窄間隙成套設備非常必要。

1.7 龍門焊接操作機

龍門焊接操作機是窄間隙埋弧焊成套設備的輔助設備，窄間隙埋弧焊機頭、焊接電源、焊劑輸送系統及回收系統、空氣干燥系統、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上。焊接操作機具備橫梁升降、臺車行走和小車行走功能，其中小車行走應具備無級調速和速度顯示功能以滿足焊接試板的需要。應當選用具有停機自鎖功能的錐型三相異步交流電動機與橫梁機械自鎖功能配合防止橫梁自由下落，造成人身、設備事故。橫梁上升最大高度應滿足容器筒體直徑的要求，橫梁下降最低點應滿足焊接試板的需要，橫梁升降承載能力應在1 000 kg以上，兩根立柱中心距應大于9 m以滿足工件直徑的要求。電氣操作部分應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只是用于焊前調整工位及粗略定位，只要剛性穩定，焊接時抗振動性強，操作者在走臺上行走時不晃動即可，目前配備國產焊接操作機完全能夠滿足窄間隙埋弧焊機焊接的工作需要。

2 窄間隙埋弧焊主要技術參數

根據壓力容器產品的需要及設備的通用性要求，這套窄間隙埋弧焊成套設備必須滿足下列主要技術參數：

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；

直流焊接電源持續負載率100%，焊接電流在300～1 250 A之間連續可調，瞬時弧焊電流波動≤±50 A，弧焊電壓調整范圍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，適應焊劑溫度0～150℃；

必須滿足在工件最高溫度350℃的工作環境下正常工作；

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，相對濕度≤90%時（30℃）能正常工作。

3 最佳配置方案的確定

根據上述分析，窄間隙埋弧焊機頭、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備中直接影響焊接質量的主要部分，應當重點考慮。

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

4 結語

這套配置方案既確保了窄間隙成套設備穩定可靠的焊接性能，又節省了大量資金。經過一年的現場實際運行考驗，設備運行穩定、可靠，焊接成型及焊接質量優異，圓滿的完成了5臺加氫反應器9道主焊縫和5塊試板的焊接任務。對今后窄間隙埋弧焊成套設備的配套采購具有指導作用。