煤粉燃燒器耐磨管的智能化堆焊制造

姜中毅

1 前言

煤粉燃燒器是影響水泥窯產量和熟料質量的重要設備，延長燃燒器的使用壽命、減少維修次數，對保證水泥廠正常生產有著重要意義。燃燒器耐磨件的磨損返修是導致燃燒器損壞的主要原因之一，本文著重敘述耐磨件耐磨堆焊的智能化工藝。

眾所周知，煤粉顆粒在燃燒器管道內部高速運動，無法避免撞擊和沖刷入口表面，時間一長就可能擊穿沖刷部位，使煤粉進入旋風管道，造成煤風與內外風道“串風”，無法進行火焰的調整并嚴重影響燃燒效率，因此大多數燃燒器都在煤粉入口處加厚或者采用耐磨噴涂或堆焊的方法，以保證燃燒器煤風進風部位風管的耐磨性，耐磨性的高低是決定燃燒器使用壽命的關鍵。

煤粉燃燒器是我公司的主要產品之一，以往的耐磨管堆焊工序都是外協制作完成后，回公司進行加工和組裝。從2017年年初開始，基于質量、進度、成本等因素考慮，我們制定了逐步實現堆焊自制的計劃。鑒于燃燒器的耐磨層堆焊都是在規則的焊接圓管表面進行，便于采用自動焊接方式，因此我們嘗試使用公司原有六軸焊接機器人進行堆焊操作，并在紅水河項目上試驗成功。

2 系統組成

如圖1所示，整套堆焊系統包括六軸焊接機器人、自制滾動焊接工裝、二氧化碳氣體保護焊機、伺服單軸焊接變位機、操控界面等幾個主要部分。裝卡焊槍的六軸焊接機器人是整套系統的核心，負責耐磨層的堆焊；滾動焊接工裝起著支撐工件和輔助旋轉的作用；伺服單軸焊接變位機負責為焊接工件的勻速轉動提供動力來源；操控界面負責實現人機編程操作；環保收塵裝置負責焊接煙塵的無害化處理。

耐磨層焊材選用LQ350 1.6型堆焊藥芯焊絲，此焊材工藝操作簡單，成本低，焊絲化學成分含有C、Si、Mn、Cr等。熔敷金屬為高鉻合金，金相組織為馬氏體加合金碳化物，碳化物具有極高的硬度，因而具有優良的耐磨損性能。

3 焊接過程

（1）焊接前對直縫焊管表面的油、銹等污物進行清理，降低工件表面因質量缺陷對焊接工藝造成的影響。

圖1 堆焊系統組成

（2）焊接時避免采用過大的電流，以防止出現氣孔，影響焊接質量。電流參數設定為：150～170A，電壓設定為：12V（不同廠家提供的焊絲，電流、電壓參數略有不同），機器人堆焊水平步進距離為每道焊縫5mm；焊接直徑φ200管道外壁，選擇轉速為3.0～3.5mm/s；焊接直徑φ310管道內壁，選擇轉速為2.5～3.0mm/s；焊絲干伸長為15mm；焊接方式采用下坡焊。按照圖紙要求堆焊層厚度為4mm，此設備單次焊接焊縫成型厚度為3mm，需堆焊兩層。

（3）由于堆焊過程是以設定的速度按特定軌跡從起點運動到終點，故采用CP連續軌跡方式。另一種為PTP點對點方式，即機器人以全速從起始點運動到終點，對兩點間軌跡未做規定，不適合本操作。

編制程序：第一步：機器人手臂所處原始位置設起點一；第二步：焊接手臂從起點一快速到達離焊接工件表面起始點高30mm處；第三步：焊接手臂緩慢到達離焊接工件表面起始點高15mm處，起弧并開始焊接，同時變位機啟動，工件旋轉；第四步：焊接手臂按照每圈步進5mm速度焊接80圈，共計400mm；第五步：手臂抬起，停止焊接；第六步：焊接手臂達到起點二；第七步：焊接手臂從起點二快速到達離焊接表面高30mm處；第八步：焊接手臂緩慢到達離焊接工件表面距離15mm處，起弧并開始焊接；第九步：焊接手臂按照每圈步進5mm速度返回焊接80圈（與第四步水平焊接方向相反），共計400mm，返回起始點；第十步：手臂抬起。第十一步：手臂返回起點一。如圖2所示，編程完畢后先模擬整個動作過程，確認程序無誤后開始正常焊接，堆焊成型過程如圖3所示。

（4）堆焊完成400mm后，保持焊接手臂不動，整體將變位機和圓管沿軸向平移400mm，從編程第一步開始重復焊接操作。以2m長焊接圓管每次焊接400mm為例計算，共需平移工件和變位機四次，實現2m長焊接圓管的整體耐磨堆焊。

同理，直徑φ310圓管內壁的耐磨層堆焊與上述外圓堆焊步驟類似。

圖2 堆焊動作過程模擬

圖3 堆焊成型過程

4 注意事項

（1）由于工件的管壁為8mm，長時間焊接過程中容易使工件加熱變紅產生變形，影響成型效果，整個過程需要通水冷卻，以降低工件溫度。

（2）焊接溫度高，弧坑和焊絲鐵水冷卻時間長，在工件旋轉過程中容易造成鐵水下流，工件焊接表面形成許多焊瘤。經過多次實驗，我們采取圖2的操作方式，使焊槍離工件最高點水平距離15mm處開始起弧焊接，隨著工件的旋轉，焊接鐵水到達工件最高點時正好成型完成，焊縫質量好且美觀（見圖3）。

圖4 各主要參數調整對焊縫質量的影響

（3）該焊絲堆焊時表面會出現細裂紋，這是釋放應力的結果，不影響工件耐磨性，可以正常使用。

（4）各主要參數調整對焊縫質量影響具體如圖4所示。

5 堆焊質量

（1）堆焊成品如圖5所示，堆焊層設計厚度4mm，實際值允許4mm≤δ≤6mm，實測值為6mm，圓周變形量誤差控制在2mm以內，軸面長度誤差范圍：-1mm≤δ≤1mm，符合圖紙要求。

（2）堆焊層理論宏觀硬度為56～62HRC，焊接完成實測為56～58HRC，偏差范圍控制在5%左右，符合圖紙要求。

6 經濟效益

圖5 堆焊成品局部圖

焊接機器人是焊接自動化的革命性進步，其突破了焊接鋼性自動化的傳統方式，開拓了一種柔性自動化新方式。焊接機器人的主要優點：穩定和焊接質量高，可保證焊接產品的均一性；焊接生產效率高，一天可24h連續生產，可在有害環境下長期工作；改善了工人勞動條件，降低了操作難度，可實現小批量產品焊接自動化。以廣西紅水河項目為例，一套完整的耐磨圓管堆焊原外協費用為10 000元，工期需要7d，改為機械手臂堆焊后，制作成本為6 000元，節約4 000元，工期為5d，以全年生產24臺燃燒器計算，年節約成本近10萬元，且具有可復制性。

7 改進方向

從整個焊接過程來看，長圓管每焊接400mm，需整體平移工件和變位機一次后，再循環重復焊接操作，直至焊接完成，這一步驟影響了效率的提升，為此下一步我們將進一步對程序、工裝進行設計研究，增加自動測距控制單元，爭取實現一次堆焊成型的目標。

8 結語

生產工藝的智能化設計和應用，是降低制造成本、保證產品質量、提高生產效率的有效手段，也是未來工業發展的必然趨勢。六軸焊接機器人在燃燒器耐磨件耐磨堆焊過程中的成功應用，為今后我公司逐步實現焊接的柔性生產提供了技術基礎，為產品智能化制造積累了經驗。■