球罐極頂板人孔埋弧焊設備及焊接工藝研究

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上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

1 序言

近年來，傳統(tǒng)制造業(yè)大范圍向工業(yè)自動化、工業(yè)機器人方向升級改造，各行各業(yè)的自動化程度越來越高。作為上海市安裝集團的壓力容器制造基地，我公司焊接技術也迫切需要向工業(yè)機器人方向發(fā)展。壓力容器制造基地的主要品牌產(chǎn)品球罐雖然基本采用自動化制造，但是球罐極頂板的人孔接管因其大小、結構形式、布局位置不同，且焊接面為球形曲面，因此還需要采用焊條電弧焊進行焊接，國內(nèi)其他幾家球罐制造企業(yè)也存在相同的情況。隨著高技術焊接人員越來越少，人工成本越來越高，發(fā)展高效、節(jié)能的自動焊技術已成為企業(yè)發(fā)展的根本。而埋弧焊在工業(yè)生產(chǎn)中應用十分廣泛，它具有生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量可靠、勞動條件好等優(yōu)點。但由于埋弧焊熔池體積和重量大，因此比較適用于平焊、橫焊位置的焊接[1]。目前，我公司現(xiàn)有埋弧焊設備可用于直線型焊縫的焊接，通過焊接機頭的旋轉(zhuǎn)也可以實現(xiàn)環(huán)形焊縫的焊接。但球罐極頂板人孔的焊縫為曲面圓形焊縫，要想實現(xiàn)埋弧焊，需要對現(xiàn)有的焊接小車進行改造，對于僅適用于固定平焊、橫焊的焊接小車及控制系統(tǒng)進行調(diào)整，確保焊接軌跡能夠滿足球罐極頂板的曲面圓形焊縫要求，以實現(xiàn)自動化焊接。

2 設備優(yōu)化思路

球罐極頂板的一般結構如圖1所示。由圖1可知，埋弧焊設備優(yōu)化必須滿足能夠以接管的中心沿球面進行圓周運動；自動焊小車在球面上移動的角速度同焊接要求的速度必須一致；人孔接管的大小不等，自動焊小車的焊接手臂必須能夠進行調(diào)整，以滿足球罐極頂板的接管大小、結構形式、布局位置不同等要求。

圖1 球罐極頂板的一般結構

3 埋弧焊機的構成

原球罐極頂板的焊接采用的是焊條電弧焊，若采用埋弧焊，則焊接設備要進行徹底更換。因為球罐極頂板結構的特殊性，沒有現(xiàn)成的焊接設備能夠滿足要求，所以本次使用的埋弧焊機的是在常用埋弧焊機的基礎上進行了改造。常用的埋弧焊機有等速送絲和均勻調(diào)節(jié)送絲兩種，一般均由機頭、行走小車、控制箱及焊接電源組成。課題組選擇了電弧電壓均勻反饋調(diào)節(jié)式焊機，即用最普通的MZ-1000型焊機進行改造。采用埋弧焊機上的送絲機頭，加裝焊機電器控制機構，使其由直線運動改作圓周運動。電源、焊機確定后，最主要的問題就是對焊接機頭的機械部分進行改造。

3.1 自動焊接機頭

首先，原有埋弧焊小車傳動機構是直線運動，為了達到由直線運動變?yōu)閳A周運動，課題組在埋弧焊機上安裝了圓心機，將送絲機頭加上活動機構固定在圓心機連桿上，圓心機旁加裝埋弧焊機電器控制機構，使其在操作上更加方便、穩(wěn)定。圓心機是圓周運動，送絲機頭固定在圓心機上，這就實現(xiàn)了由直線運動變?yōu)閳A周運動。其次，還要解決轉(zhuǎn)速問題。因為原來埋弧焊機是直線運動，對不同直徑的線速度要求不同，所以對于圓心機的轉(zhuǎn)速要求也不同。課題組對圓心機的轉(zhuǎn)速與焊接時的速度進行了反復比較，在圓心機上又加裝一套8∶1變速機構，以此來滿足焊接時的速度要求。改進后埋弧焊機角速度的調(diào)節(jié)范圍為（0.5～2.5）°/s，焊絲固定架安裝在圓心機上，圓心機在旋轉(zhuǎn)過程中送絲也比較穩(wěn)定。圓心機結構如圖2所示。

圖2 圓心機結構

3.2 調(diào)節(jié)器

要實施球罐極板埋弧焊，除了使它由直線運動改作圓周運動外，還要考慮上下左右的焊接要求，為此，必須設計一個調(diào)節(jié)器來解決該問題。由于球罐人孔凸緣尺寸往往差異較大，而選擇的MZ-1000型焊機機身的上下左右調(diào)節(jié)范圍非常小，因此課題組在焊機支架上加裝了一個調(diào)節(jié)器，并將其固定在焊接機頭和圓心機的連桿上，調(diào)節(jié)范圍為φ850～φ1100mm，基本覆蓋了極頂板的人孔范圍（見圖3）。因為焊接機頭、圓心機、連桿直接連接，所以其在焊接時更方便，電弧也比較穩(wěn)定，可以保證焊接質(zhì)量。

圖3 調(diào)節(jié)器

3.3 連接盤

在實際操作時，人孔接管較厚，盡管埋弧焊的生產(chǎn)效率高，一般不開坡口時單面一次熔深可達20mm，但人孔接管厚度在30mm以上，因此一般是開雙面X形坡口。為了達到正反面焊接的目的，另外制作一個連接人孔法蘭的連接盤（見圖4），使其能滿足反面焊接的要求，圓心機用壓板加以固定。

圖4 連接盤

改造完成后的焊機，能夠在極頂板的正反面進行固定焊接，運動軌跡完全滿足極頂板的凹凸面焊接需要，可伸縮調(diào)節(jié)器完全滿足不同直徑、不同位置的人孔焊接，設備經(jīng)測試能夠滿足球罐極頂板人孔焊縫的焊接技術要求。改造后的焊機如圖5所示，焊機的技術參數(shù)見表1。

圖5 自主設計改造的球罐極頂埋弧焊機

表1 極頂埋弧焊機的技術參數(shù)

4 焊前準備

4.1 母材及焊接材料

本次焊接工藝試驗的母材采用厚度為48mm的Q345R鋼板。焊絲為CHW-S3R、φ4.0mm；焊劑牌號為CHF101R。

4.2 坡口形式

焊接接頭的坡口形狀和尺寸如圖6所示，采用X形坡口，鈍邊厚度為5mm。

圖6 坡口形式

4.3 焊接參數(shù)

本次焊接采用雙面焊接的方式，先焊大坡口一側，再焊小坡口一側。焊接小坡口一側前用碳弧氣刨加砂輪打磨的方式對根部進行清理。焊道分布如圖7所示，焊接參數(shù)見表2。

圖7 焊道分布

表2 48mm厚Q345R鋼板材埋弧焊焊接參數(shù)

5 焊接工藝評定試驗

根據(jù)規(guī)定，人孔焊接由焊條電弧焊變?yōu)槁窕『福舾淖兒附臃椒ǎ瑒t必須重新進行焊接工藝評定，焊接評定主要包括：預焊接參數(shù)、外觀檢測、無損檢測、力學性能試驗（拉伸、彎曲、沖擊）。預焊接參數(shù)參見表2。

5.1 無損檢測

施焊完成后，對焊縫進行外觀檢查，檢查合格后，按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》要求對焊縫進行射線檢測，檢測結果Ⅱ級合格。

5.2 力學性能試驗

對焊縫進行室溫橫向拉伸、彎曲、沖擊試驗等力學性能檢測，結果見表3～表5。由表3～表5可知，試驗結果均合格。

表3 拉伸試驗結果

表4 彎曲試驗結果

表5 沖擊試驗結果

5.3 評定結論

按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》規(guī)定，確認焊接試件、檢測試樣、測定性能試驗結果正確，評定結果合格。

6 質(zhì)量控制

1）焊前用砂輪機將坡口兩側50mm范圍內(nèi)的油、污、銹、毛刺等清理干凈。

2）焊劑應按說明書要求進行烘焙。對于回收的焊劑，應過篩清除渣殼、碎粉及其他雜物，再與新焊劑按比例混合均勻后使用。

3）碳弧氣刨清理后，用砂輪機清除掉氧化皮，確認無未熔合、夾渣等缺陷后方能進行另一側的焊接。

4）組織焊工進行操作技能培訓，考慮埋弧焊焊接中出現(xiàn)的特殊情況，對焊接參數(shù)進行人工干預和調(diào)節(jié)，以克服焊接過程中不可避免的一些干擾因素。如因送絲速度不穩(wěn)定導致電弧長度的變化、工件不平或機頭抖動造成的焊絲伸出長度的變化，以及因線路電壓不穩(wěn)引起的焊接電源外特性的變化等，從而保證球罐自動焊的焊接質(zhì)量。

7 現(xiàn)場焊接施工

根據(jù)焊接工藝評定，編制焊接作業(yè)指導書。在一臺材質(zhì)為Q345R、厚度為48mm、規(guī)格為400m3的氧氣球罐制造中，首次采用了埋弧焊技術對極頂板與人孔凸緣進行焊接（見圖8）。

針對極頂板與人孔凸緣焊接中焊接工作量大、焊接質(zhì)量要求高的特點，以及容易出現(xiàn)的球板開孔尺寸、坡口角度和鈍邊間隙超差等情況，施焊前按工藝評定制定詳細的實施方案，以加強實施過程的工藝控制，防止各類偏差的產(chǎn)生。球罐極頂板與人孔凸緣焊接后，焊縫成形美觀，經(jīng)射線檢測焊縫合格率達到100%。

圖8 現(xiàn)場焊接

8 結束語

現(xiàn)場焊接證明，經(jīng)過改造后的埋弧焊機可實現(xiàn)球罐極頂板與人孔焊縫的自動化焊接。通過焊接工藝評定試驗，該設備所焊焊縫的力學性能滿足壓力容器焊接規(guī)程的要求，可在實際生產(chǎn)中廣泛使用。該設備能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過程的自動化，焊縫成形光滑、美觀，且具有良好的綜合力學性能。球罐人孔凸緣與極頂板采用埋弧焊技術，改變了以往采用焊條電弧焊焊接的落后現(xiàn)狀，解決了企業(yè)高技術焊接人才缺乏的難題，進一步提高了焊接效率，加快了施工進度，改善了工作環(huán)境，降低了勞動強度，具有非常明顯的優(yōu)勢。