顧芝敏，嚴(yán)建俊，周小平，李亞光，王超倫

（1.江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇 江陰214444；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京210009）

鍋筒-對(duì)流管束自動(dòng)TIG焊接工藝設(shè)計(jì)

顧芝敏1，嚴(yán)建俊1，周小平1，李亞光1，王超倫2

（1.江蘇雙良鍋爐有限公司，江蘇 江陰214444；2.南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京210009）

根據(jù)水管鍋爐鍋筒-對(duì)流管束角焊縫自動(dòng)TIG焊存在的問題，對(duì)常規(guī)焊槍包括弧長跟蹤方式、定位脹芯及送絲裝置等進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)設(shè)計(jì)了一套多自由度、簡便靈活的焊槍移動(dòng)支撐工裝，解決鍋筒內(nèi)焊槍移動(dòng)、焊接問題；并進(jìn)行焊接設(shè)備性能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了水管鍋爐鍋筒-對(duì)流管束角焊縫的自動(dòng)TIG焊。

鍋筒-對(duì)流管束；自動(dòng)TIG焊；焊接工藝設(shè)計(jì)

0 前言

鍋筒、對(duì)流管是水管鍋爐非常重要的部件。以往鍋筒與對(duì)流管的角焊縫通常采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接，焊接工作量大，焊接質(zhì)量主要依賴于焊工的技能與體力，工人長時(shí)間在鍋筒狹小的空間內(nèi)持續(xù)焊接，容易疲勞，焊接效率低，焊接質(zhì)量難以充分保證，且焊接煙塵大，對(duì)工人的身心健康造成一定的影響。要解決這些問題，采用自動(dòng)TIG焊無疑是一條很好的途徑。在此根據(jù)公司實(shí)際產(chǎn)品的需求，通過設(shè)計(jì)自動(dòng)TIG焊焊接工藝、驗(yàn)證焊接設(shè)備性能、對(duì)比焊接效率，實(shí)現(xiàn)了水管鍋爐鍋筒與對(duì)流管角焊縫的自動(dòng)TIG焊。

1 自動(dòng)TIG焊優(yōu)點(diǎn)及實(shí)施難點(diǎn)

1.1 焊條電弧焊與自動(dòng)TIG焊對(duì)比

（1）自動(dòng)TIG焊焊接煙氣小；（2）焊縫成形美觀，焊后無需進(jìn)行打磨；（3）對(duì)工人的操作技能要求低，很大程度上消除了人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；（4）焊接效率高。

1.2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)TIG焊難點(diǎn)

（1）由于鍋筒直徑較?。―=800～1 200 mm），操作空間較小、工人施工不方便，要求焊槍及移動(dòng)工裝自由、靈活高；（2）鍋筒對(duì)流管接頭為馬鞍形接頭，要求設(shè)備必須能夠跟蹤焊接過程中的馬鞍形運(yùn)行軌跡；（3）管頭裝配情況復(fù)雜，存在傾斜、間隙偏大等情況；（4）同一臺(tái)產(chǎn)品需要多把焊槍同時(shí)施焊且不能互相干擾；（5）鍋筒與對(duì)流管接頭位置多變，從垂直固定、水平固定到仰焊位置，要焊槍及電源能實(shí)現(xiàn)全位置焊接。

2 鍋筒-對(duì)流管束自動(dòng)TIG焊接工藝設(shè)計(jì)[1-4]

根據(jù)鍋筒-對(duì)流管束自動(dòng)TIG焊焊接存在的難點(diǎn)，通過焊接電源及焊槍、支撐工裝、焊接工藝參數(shù)三方面進(jìn)行解決。

2.1 焊接電源及焊槍設(shè)計(jì)

2.1.1 焊接電源

采用X公司生產(chǎn)的逆變焊接電源，該款電源采用一體化設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)、主電源系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)三位一體，具有先進(jìn)性、數(shù)字化、易操作、智能化、通用性、可靠性等特點(diǎn)，專門為管/板焊接而進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

2.1.2 焊槍設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品管頭裝配情況，改變傳統(tǒng)焊槍弧長跟蹤方式，使焊接過程中焊炬弧長跟蹤與管頭呈一定夾角，弧長跟蹤采樣以管壁為基準(zhǔn)，解決鍋筒對(duì)流管裝配單邊間隙不均勻問題，減少焊接缺陷。

（2）根據(jù)管頭全位置焊接的特點(diǎn)，為確保焊炬中心與管頭中心重合，焊槍采用特制蝶形彈性定位器加氣動(dòng)夾緊定位方式，使焊槍能夠牢牢地固定在管板上，精確定位焊炬位置，無需人工干預(yù)，真正意義上淡化了焊工操作技能，解決實(shí)際裝配情況存在的傾斜問題。

（3）增加快速定位限位裝置，快速定位保護(hù)機(jī)頭。

（4）送絲裝置及焊絲與焊槍分離，減輕焊槍整體質(zhì)量。

通過采用專用的焊接電源及焊槍，解決了實(shí)際產(chǎn)品中管子裝配情況復(fù)雜、全位置焊接的特點(diǎn)，一個(gè)焊接工藝程序可分10個(gè)區(qū)間，以滿足工件不同位置的焊接要求。

2.2 專用支撐工裝

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)出一套多自由度、簡便靈活的移動(dòng)支撐工裝，如圖1所示。

（1）結(jié)構(gòu)形式：移動(dòng)工裝包括軸向移動(dòng)導(dǎo)軌、軸向滑動(dòng)裝置、水平旋轉(zhuǎn)裝置、周向旋轉(zhuǎn)裝置、垂直移動(dòng)導(dǎo)軌、焊槍快速安裝裝置、徑向移動(dòng)導(dǎo)軌、快速限位裝置。

圖1 鍋筒自動(dòng)TIG焊支撐工裝Fig.1 Automatic TIG welding of boiler barrel support jig

（2）工裝自由度：可實(shí)現(xiàn)焊槍的軸向移動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)、周向旋轉(zhuǎn)、垂直移動(dòng)、徑向移動(dòng)，焊槍自由度高，滿足焊槍全位置定位、焊接要求。

（3）安裝簡便性：易在鍋筒內(nèi)部安裝固定，操作、移動(dòng)便捷，可布置至少4把焊槍，焊槍電纜不纏繞不干涉，工裝主體采用鋁合金型材，質(zhì)量輕強(qiáng)度好，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度低。

（4）使用鍋筒范圍φ800～1 200 mm，調(diào)節(jié)范圍大，滿足水管鍋爐所有鍋筒-對(duì)流管束焊接需求。

2.3 焊接工藝參數(shù)

在鍋筒試件進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)節(jié)及試驗(yàn)，不同位置進(jìn)行分區(qū)采用不同的焊接參數(shù)，解決馬鞍形接頭焊接困難的問題；采用的鎢極直徑為φ3.2 mm，焊絲直徑φ1.0 mm，一次成形，焊接效率高，其主要焊接工藝參數(shù)如表1所示。

3 產(chǎn)品焊接及檢驗(yàn)

前期為了驗(yàn)證設(shè)備的使用性能，模擬公司產(chǎn)品實(shí)際具體形式進(jìn)行焊接（現(xiàn)已在產(chǎn)品上進(jìn)行推廣），并進(jìn)行外觀、水壓、金相實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備的使用能力。

3.1 焊縫表面成形及宏觀金相

焊縫表面成形美觀，無未熔合、咬邊、飛濺等缺陷，焊腳尺寸約5 mm；宏觀金相觀察無氣孔、夾渣等缺陷，焊縫熔深約1.5 mm。

3.2 水壓試驗(yàn)情況

水壓試驗(yàn)的具體操作及其他要求按GBT 16507.1～8-2013《水管鍋爐》、TSG G0001-2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定進(jìn)行，水壓試驗(yàn)壓力為1.0 MPa，保壓時(shí)間20 min，水壓試驗(yàn)合格。

3.3 焊接效率

針對(duì)鍋筒對(duì)流管常用管子尺寸φ51 mm×3 mm進(jìn)行焊接效率測試，結(jié)果如下：

（1）采用鎢極直徑為φ3.2，焊絲直徑φ1.0，焊腳為5 mm，焊接時(shí)間約135 s；針對(duì)不同直徑規(guī)格，管頭焊接時(shí)間稍有差異。焊槍移動(dòng)及焊前調(diào)整時(shí)間約35 s，隨焊工操作熟練度提高，時(shí)間越短。

（2）一個(gè)工作日（8 h）正常焊接管頭數(shù)量大于80個(gè)，包括焊前準(zhǔn)備工作、焊接時(shí)間等。

（3）相比于傳統(tǒng)焊條電弧焊，焊后無需進(jìn)行打磨，減少焊后打磨時(shí)間，減少焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

表1 主要焊接工藝參數(shù)Tab.1 Main welding process parameter

圖2 焊縫表面成形及熔深Fig.2 Welding surface appearance and penetration

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)常規(guī)焊槍包括弧長跟蹤方式、定位脹芯及送絲裝置等進(jìn)行改進(jìn)，適應(yīng)現(xiàn)產(chǎn)品焊接需求。

（2）設(shè)計(jì)了一套多自由度、簡便靈活的焊槍移動(dòng)支撐工裝，解決鍋筒內(nèi)焊槍移動(dòng)問題。

（3）通過自動(dòng)TIG焊設(shè)備性能驗(yàn)證，檢驗(yàn)接頭性能，使鍋筒-對(duì)流管自動(dòng)TIG焊新工藝首次在公司產(chǎn)品應(yīng)用成功，打破了鍋筒-對(duì)流管束采用焊條電弧焊等傳統(tǒng)工藝，標(biāo)志著公司自動(dòng)化焊接踏上一個(gè)新的臺(tái)階。

（4）鍋筒自動(dòng)TIG焊具有操作簡單、焊工勞動(dòng)強(qiáng)度低、焊工易于掌握等特點(diǎn)；相對(duì)于傳統(tǒng)焊條電弧焊，焊縫成型美觀，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，改善工人操作環(huán)境。

[1]陳裕川.焊接工藝設(shè)計(jì)與實(shí)例分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程TSG G0001-2012[S].北京：新華出版社，2012.

[4]水管鍋爐GB/T 16507.6-2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

Design of automatic TIG welding technology for boiler barrel-convection tube bank

GU Zhimin1，YAN Jianjun1，ZHOU Xiaoping1，LI Yaguang1，WANG Chaolun2
（1.Jiangsu Shuangliang Boiler Co.，Ltd.，Nanjing 214444，China；2.Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

For the problems in automatic TIG welding of fillet welds on the water tube boiler barrel-convection bank，the conventional welding gun including arc length tracking mode，positioning bulge core and wire feed device are improved.Moreover，a set of multidegree of freedom，easy and flexible welding gun mobile support tooling is designed to solve movement and welding problems of welding gun.The performance of welding equipment is also verified and the automatic TIG welding is realized for fillet welds on the boiler barrel-convection tube bank.

boiler barrel-convection tube bank；automatic TIG welding；welding process design

TG444+.74

：A

：1001-2303（2015）10-0124-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.27

2015-06-08；

：2015-07-01

顧芝敏（1985—），女，江蘇江陰人，工程師，學(xué)士，主要從事鍋爐壓力容器制造、安裝工作。