新型焊割技術(shù)在鍋爐行業(yè)的應(yīng)用

張 羽，姜永曄，徐 展

（杭州富爾頓熱能設(shè)備有限公司，杭州310018）

新型焊割技術(shù)在鍋爐行業(yè)的應(yīng)用

張 羽，姜永曄，徐 展

（杭州富爾頓熱能設(shè)備有限公司，杭州310018）

為了解決目前鍋爐焊接操作中存在效率較低、手法和技術(shù)較難掌握這一問(wèn)題，采用STT（surface tension transfer，表面張力熔滴過(guò)渡）焊機(jī)完成了產(chǎn)品的初步焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，STT焊機(jī)的焊接速度是TIG焊的數(shù)倍，且基本不產(chǎn)生熔渣和飛濺，焊接時(shí)和焊接后的清理容易、費(fèi)用低，對(duì)焊工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求較低，技法容易掌握。另外，為了提高鍋爐不銹鋼曲面上開孔的工作效率并保證表面質(zhì)量，采用精細(xì)等離子技術(shù)進(jìn)行了產(chǎn)品封頭的曲面開孔，在實(shí)際操作中解決了精確度控制和掛渣問(wèn)題，為后續(xù)焊接工序減少打磨時(shí)間提供了質(zhì)量保證。

焊接；精細(xì)等離子；不銹鋼切割；STT焊機(jī)；T型角焊縫

1 現(xiàn)有焊接工藝及新型STT技術(shù)介紹

1.1 現(xiàn)有焊接工藝

鍋爐的鍋殼和管板打底焊采用GTAW（gas tungsten arc welding）方法進(jìn)行焊接。焊縫坡口形式為單V形、40°坡口，純氬氣，電流控制在160～200 A，電壓控制在13～15 V，氣體流量為13～14 L/min。此種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是：電弧熱量集中，焊縫熱影響區(qū)窄，焊件變形小，焊縫成形美觀，質(zhì)量好。但缺點(diǎn)是：焊接速度慢，且對(duì)焊工要求高。為了解決這一問(wèn)題，采用STT（surface tension transfer，表面張力熔滴過(guò)渡）焊機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的初步焊接試驗(yàn)。STT技術(shù)利用高速可控性控制瞬時(shí)電弧電流的變化，在表面張力作用下達(dá)到熔滴平穩(wěn)過(guò)渡。其焊接速度是TIG焊的數(shù)倍，且基本不產(chǎn)生熔渣和飛濺，焊接時(shí)和焊接后清理容易、費(fèi)用低，對(duì)焊工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求較低，技法容易掌握。

1.2 STT焊機(jī)簡(jiǎn)介及應(yīng)用

STT焊接技術(shù)由美國(guó)林肯公司于1985年研究開發(fā)，其目的是為了開發(fā)一種使用CO2保護(hù)氣體而沒(méi)有飛濺的焊接方法。電源既不是恒流源也不是恒壓源，是基于交互式波形控制和高速逆變的技術(shù)，利用精密電流控制從而達(dá)到短路過(guò)渡的焊接[1]。STT焊接的優(yōu)點(diǎn)是：低飛濺量，低煙塵，低氣體成本，熱輸入量可控，可全位置焊接，焊接成形良好，適用于形狀比較復(fù)雜的接頭形式。STT比TIG焊接優(yōu)勢(shì)顯著，其焊接速度是TIG焊的4倍，可以輕易實(shí)現(xiàn)立向下焊接，對(duì)焊工要求低，對(duì)保護(hù)氣體成分不敏感，可使用100%CO2，可焊接不銹鋼、鎳基合金和低碳鋼[2]。

STT焊接過(guò)程始于基值電流階段，即短路前的電弧電流，這決定了大部分的熱輸入并保持電弧燃燒狀態(tài)；短路開始階段，檢測(cè)到電弧電壓短路信號(hào)后作出反應(yīng)，電流在熔滴與熔池實(shí)際接觸前下降，從而改進(jìn)了熔滴的潤(rùn)濕性，這是STT技術(shù)飛濺小的原因；壓縮電流階段電流增加使熔滴與焊接分離，STT技術(shù)在熔滴分離時(shí)精確計(jì)算出時(shí)間并在這之前降低電流，從而消除飛濺；接下來(lái)在低電流水平重新建立焊接電弧，電弧建立之后即刻采用高電流即峰值電流階段，電弧即刻變寬，產(chǎn)生高熱量來(lái)確保良好的焊接融合并建立適合的電弧長(zhǎng)度；最后，電流從峰值降低到基值，這也降低了對(duì)熔池的攪動(dòng)并減少熱輸入量。

STT焊機(jī)在管道和汽車行業(yè)薄板焊接中得到廣泛地應(yīng)用。管道管口的根焊質(zhì)量直接決定了管道的整體焊縫，STT焊接技術(shù)解決了傳統(tǒng)CO2氣體保護(hù)焊接焊縫成形差和飛濺嚴(yán)重的問(wèn)題，為管道特別是輸氣管道的焊接提供了解決方案[3-5]。西氣東輸工程中STT焊接解決了根焊手工焊的技術(shù)難題，焊接效率高，焊接接頭力學(xué)性能良好，工作環(huán)境得到改善[6-7]。 由于STT焊接結(jié)合了CO2焊接的成本低、效率高和TIG焊縫成形好的優(yōu)點(diǎn)，在汽車行業(yè)薄板焊接上取得了良好效果[8-10]。

2 STT焊接技術(shù)參數(shù)的選取及焊接效果

2.1 STT焊接參數(shù)

2.1.1 基值電流

基值電流可控制焊縫形狀、影響焊縫總體熱量輸入。基值電流太大會(huì)造成滴狀過(guò)渡和形成大的熔滴，這樣會(huì)使飛濺增大，甚至在后續(xù)的焊接過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)燒穿的情況；基值電流太小會(huì)引起焊絲抖動(dòng)，也會(huì)使焊縫金屬的潤(rùn)濕性變差，根部余高超高，并伴有未熔合的情況，在鍋爐打底焊中一般選45～55 A。

2.1.2 峰值電流

峰值電流可控制電弧長(zhǎng)度和保證較佳的熔化效果。峰值電流過(guò)大會(huì)引起電弧瞬間變寬，同時(shí)增加電弧長(zhǎng)度，形成滴狀過(guò)渡，焊縫中間會(huì)存在凹陷，在后續(xù)焊接過(guò)程中，如果處理不好會(huì)出現(xiàn)層間未熔合；峰值電流太小會(huì)引起電弧不穩(wěn)和焊絲抖動(dòng)，焊縫與坡口之間的夾角。會(huì)形成一定的死角，在進(jìn)行填充和蓋面焊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生坡口未熔合。實(shí)際焊接時(shí)，對(duì)峰值電流的設(shè)置應(yīng)考慮到飛濺和熔池?cái)噭?dòng)，使其最小化。在鍋爐打底焊中一般選400～420 A。

2.1.3 間隙

STT技術(shù)對(duì)薄板接焊時(shí)一般不需要開坡口，但該焊接方法對(duì)間隙較為敏感。在鍋爐打底焊中一般選間隙為2.5～3.5 mm。

2.1.4 氣體流量

氣體流量能把電弧區(qū)周圍的空氣排開，保護(hù)好電極、熔化的液態(tài)金屬以及處于高溫下的近縫區(qū)金屬。氣體流量太大時(shí)，對(duì)熔池吹力大，冷卻作用加強(qiáng)，容易產(chǎn)生氣流紊亂，產(chǎn)生氣孔；相反，氣體流量過(guò)小時(shí)，挺度不夠，保護(hù)不良，也容易產(chǎn)生氣孔。在鍋爐打底焊中一般選12～14 L/min。

2.1.5 氣體選擇

不銹鋼焊接一般使用三元?dú)猓鍤狻⒑狻⒍趸迹惶间摵附邮褂枚趸迹惶间撁}沖焊接需要使用二元混合氣（氬氣、二氧化碳）。

2.1.6 焊接速度

焊接速度對(duì)熔深和熔寬均有明顯的影響，焊接速度增加時(shí)，從焊縫的熱輸入和熱傳導(dǎo)角度來(lái)看，焊縫的熔深和熔寬都會(huì)減小。

2.1.7 熱起弧

設(shè)置熱起弧控制可以提高起弧的成功率，在焊縫起始點(diǎn)增加20%～50%的電流，保證足夠的熱輸入，以補(bǔ)償因工件溫度較低而散失的熱量[10]。

2.2 STT焊機(jī)施焊效果及注意事項(xiàng)

使用STT林肯焊機(jī)對(duì)鍋爐的鍋殼和管板T型角焊縫進(jìn)行打底焊接。為了與原有焊接方法進(jìn)行對(duì)比，采用相同的焊接工藝參數(shù)，即單V形，40°坡口。采用向下坡打底，充分利用STT焊接在立向下焊接中的優(yōu)勢(shì)。STT焊機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：焊接過(guò)程中幾乎沒(méi)有飛濺，工作環(huán)境得到了較大改善；對(duì)焊工要求不高，非熟練工也可進(jìn)行焊接；焊接速度較原氬弧焊提高2倍以上；焊縫接頭良好；焊縫背面成形平整、無(wú)突出（如圖1所示）；根焊焊面基本呈平面狀態(tài)，大大減少了打磨工作量；焊接穩(wěn)定性好。一般情況下，操作過(guò)程中應(yīng)將TRIM（電壓修剪值）設(shè)置為1.00。因?yàn)門RIM影響電弧長(zhǎng)度，設(shè)為0.50時(shí)，電弧長(zhǎng)度過(guò)短；設(shè)置為1.50時(shí)，電弧長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。

圖1 STT焊接的焊縫

3 現(xiàn)有切割方法及精細(xì)等離子切割對(duì)比

3.1 現(xiàn)有切割方法

所研究的熱水鍋爐封頭為304不銹鋼，呈曲面，直徑700 mm，高230 mm，厚8 mm。需要開垂直于水平面的孔，孔中心位于以封頭中心為原點(diǎn)、直徑600 mm的圓周上，開孔的工作量相當(dāng)大。受曲面的限制，無(wú)法使用傳統(tǒng)的切割方法，如火焰切割和非精細(xì)等離子切割，只能采用鉆床開孔，使用麻花鉆，且要求鉆頭磨出分屑槽、修磨橫刃以減小軸向力。在切割過(guò)程中，首先應(yīng)注意將鉆頭裝正，以保持鉆頭鋒利，且用鈍后應(yīng)及時(shí)修磨；其次，切削速度不可過(guò)高，以防燒壞刀刃；進(jìn)給量不宜過(guò)大，以防鉆頭磨損加劇或使孔鉆偏，在切入和切出時(shí)進(jìn)給量應(yīng)適當(dāng)調(diào)小。因此，現(xiàn)有切割方法鉆孔速度緩慢，生產(chǎn)力低下。

3.2 精細(xì)等離子切割

“精細(xì)等離子”20多年前進(jìn)入切割市場(chǎng)，給激光切割帶來(lái)了挑戰(zhàn)。精細(xì)等離子切割通過(guò)極大地縮小噴嘴孔尺寸而產(chǎn)生極度壓縮弧，獲得高能量密度，從而與激光產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。精細(xì)等離子系統(tǒng)已經(jīng)成為金屬切割工業(yè)中與激光相競(jìng)爭(zhēng)的先進(jìn)的等離子產(chǎn)品[11]。等離子切割速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)氣割的5～6倍，切割面光潔，熱變形小，幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)。目前，隨著大功率等離子切割技術(shù)的成熟，切割厚度可達(dá)150 mm[12]。同時(shí)，等離子弧穩(wěn)定性的提高，使其達(dá)到相當(dāng)高的切割精度。

割炬是產(chǎn)生等離子弧并進(jìn)行切割的關(guān)鍵部位，較小電流的割矩多采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，可切割厚度為100 mm以下的不銹鋼、鋁、鑄鐵和銅合金，切割效果良好。現(xiàn)代割炬具有更強(qiáng)的穿孔能力，所產(chǎn)生的高密度電弧可以極大地改善切割質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)小割縫、切口平整以及變形小的效果[11]。

數(shù)控等離子切割技術(shù)在改善加工精度、節(jié)約材料、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，受到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。數(shù)控等離子切割割炬與工件之間的高度控制至關(guān)重要，國(guó)內(nèi)一般采用模擬電路進(jìn)行控制[13-14]。現(xiàn)代CNC控制系統(tǒng)具備自適應(yīng)控制技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)和故障自診斷技術(shù)。使得數(shù)控系統(tǒng)可以檢測(cè)已有信息的影響并自動(dòng)地連續(xù)調(diào)整參數(shù)，提供優(yōu)化的切割參數(shù)并使加工系統(tǒng)始終處于最優(yōu)和最經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)，為數(shù)控設(shè)備提供了二次檢測(cè)、故障診斷和維護(hù)決策信息的集成系統(tǒng)[11，15]。

4 影響精細(xì)等離子切割精度的因素及切割效果

4.1 影響精細(xì)等離子切割精度的因素

試驗(yàn)用精細(xì)等離子切割機(jī)具有無(wú)限回轉(zhuǎn)坡口切割功能，廣泛適用于相貫線、型鋼的切割。回轉(zhuǎn)頭和精度補(bǔ)充可以解決鍋爐封頭曲面開垂直水平面孔的難題。

帶有無(wú)限回轉(zhuǎn)頭的切割工具延伸了z軸導(dǎo)軌跨度，提高了配件的穩(wěn)定性和剛性。借助這個(gè)輔助軸，切割頭相對(duì)理想位置的機(jī)械誤差就可以得到補(bǔ)償。回轉(zhuǎn)頭配備交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，割炬可回轉(zhuǎn)的固定在夾具軸承中，使得割炬可自由旋轉(zhuǎn)而且等離子割炬線纜總成無(wú)需旋轉(zhuǎn)。

保障切割精度和一致性的主要因素：

（1）歐姆接觸與自動(dòng)校槍系統(tǒng)。歐姆接觸測(cè)量割槍保護(hù)帽和平板之間的電氣接觸。優(yōu)點(diǎn)是可以在割炬接觸平板的一瞬間做出反饋，這樣就不必把割炬推向平板，消除了測(cè)量過(guò)程中推力造成的誤差。自動(dòng)校槍系統(tǒng)是提高運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件精度的輔助方法，有效改善坡口切割質(zhì)量并在撞搶后和更換割炬時(shí)，能快速校準(zhǔn)槍頭。該系統(tǒng)主要用于自動(dòng)補(bǔ)償坡口切割頭在切割過(guò)程中逐步產(chǎn)生的機(jī)械誤差。補(bǔ)償機(jī)制是對(duì)x/y/z運(yùn)動(dòng)軸做適當(dāng)?shù)男ＵB加。

（2）自適應(yīng)坡口校正，校正圖表。因等離子弧并非完美的圓柱形，割炬傾斜到給定角度時(shí)，切割后得到的角度總是與最初設(shè)定不一致。等離子弧的技術(shù)偏差可用軟件來(lái)修正，該修正需要大量的現(xiàn)場(chǎng)切割經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，從而構(gòu)建龐大的切割參數(shù)補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）恒定切割高度控制。恒定切割高度是用3個(gè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量平面，估算表面位置并以恒定高度進(jìn)行切割。當(dāng)板材未放置在水平狀態(tài)下，切割機(jī)將自動(dòng)檢測(cè)等待切割區(qū)域的板材到達(dá)水平狀態(tài)，并將傾斜角度測(cè)量值傳送給CNC，CNC在指揮回轉(zhuǎn)頭進(jìn)行實(shí)際切割之前，會(huì)事先針對(duì)傾斜角度做出補(bǔ)償，然后才開始切割，因此具備鋼板傾斜的矯正功能。

4.2 切割效果

保證氣體純度可解決掛渣問(wèn)題。將H35混合氣體純度從999更換到9999后，不銹鋼封頭掛渣效果有非常大的改善，切割效果如圖2所示。切割位置準(zhǔn)確且尺寸符合偏差要求，切割表面光滑度良好，基本不存在嚴(yán)重掛渣問(wèn)題。切割效率提高了15倍，大大降低了工作強(qiáng)度，滿足大批量生產(chǎn)的需求。

圖2 精細(xì)等離子切割效果

5 結(jié) 語(yǔ)

STT林肯焊機(jī)在鍋爐T型角焊縫打底焊中取得了良好的焊接效果，充分體現(xiàn)了STT焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。STT焊接時(shí)基本不產(chǎn)生焊渣和飛濺，焊渣容易清理，費(fèi)用低，其焊接速度是TIG焊的數(shù)倍。精細(xì)等離子切割在鍋爐不銹鋼封頭開孔中取得了良好的切割效果，極大地提高了工作效率，控制了掛渣、定位，尺寸精確度高，并為后續(xù)焊接工藝提供了保證，焊割新工藝在鍋爐產(chǎn)品制造的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

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Analysis of New Cutting and Welding Technology Application in Boiler Industry

ZHANG Yu,JIANG Yongye,XU Zhan
（Hangzhou Fulton Thermal Energy Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310018,China）

In order to solve some problems in boiler welding operation,such as low efficiency,welding method,and welding technology is more difficult to master,the preliminary welding test was carried out by using STT(surface tension transfer)welder.The test result indicated that the welding speed of STT welder is several times of TIG welder,basically do not produce slag and splash,and the cleaning in welding and after welding is easy,low cost,low requirements for welding technology and experience,easy to grasp.In addition,in order to increase drilling efficiency on boiler stainless steel surface and guarantee surface quality,it adopted fine plasma cutting technology to drill on welded joint surface,this method solved accuracy control and adhering slag,which provided quality assurance for reducing polishing time in follow-up welding process.

welding;fine plasma;stainless steel cutting;STT welder;T-joint fillet weld

TG444.74

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.007

張 羽 （1985—），女，工程師，碩士，主要從事質(zhì)量體系和國(guó)內(nèi)外鍋爐產(chǎn)品的認(rèn)證工作。

2016－02－03

李紅麗