楊 鵬

(太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，鍋爐也在更新?lián)Q代，而鍋爐的發(fā)展最主要的是鍋爐內部構件的完善。鍋筒在鍋爐的構件中占主導地位，其主要的作用是進行汽水分離、組成水循環(huán)回路并儲存水汽等。由于加熱、蒸發(fā)、過熱都是在鍋筒中進行的，這就決定了鍋筒必須能承受極大的壓力，因此對鍋筒的焊縫質量要求很高，并且隨著鍋爐壓力的不斷提升，對鍋筒焊接工藝的要求也越來越嚴苛。為此，本文設計了一種焊劑填充裝置，并在實際生產中進行了測試，為鍋筒縱縫焊接提供了保障。

1 鍋筒縱縫焊接的工藝要求

由于鍋筒縱縫長達3 m，且厚度均在20 mm以上，需要生產效率高、焊接質量高且穩(wěn)定的焊接方式，因此鍋筒縱縫廣泛采用埋弧焊雙面焊接。為了保持焊縫成形和防止燒穿，生產中常采用各種類型的焊劑墊和墊板[1]。鍋筒縱縫焊接示意圖如圖1所示，鍋筒擺放在滾輪架上，坡口朝下，將槽鋼內填滿焊劑放在坡口下方支撐并將焊劑填滿坡口內，從鍋筒內側開始焊接。

1-鍋筒；2-槽鋼；3-墊塊；4-滾輪架；5-焊劑

2 焊劑填充裝置的設計背景

鍋筒的直徑有多種規(guī)格，工作面的高度會隨著鍋筒直徑的變化而變化，并且每次焊劑的堆放高度不定，這就需要增減槽鋼下方的墊塊調節(jié)高度，以保證焊劑填滿坡口。但在生產過程中發(fā)現(xiàn)，調節(jié)槽鋼的高度時必須將鍋筒吊起，并且不是一次性就能調至合適高度，槽鋼過高會導致鍋筒無法穩(wěn)固放在滾輪架上，槽鋼過低會導致焊劑無法緊密填滿坡口，調節(jié)過程費時費力，并且容易使焊劑撒落，不但造成焊劑浪費，還加大了清理的工作量。因此，就需要設計一種可以自由、平穩(wěn)升降的焊劑填充裝置。

3 焊劑填充裝置的整體結構設計

3.1 焊劑填充裝置行程的確定

鍋筒的直徑在Φ1 500 mm～Φ2 000 mm范圍內，經作圖分析可知工作行程應在182 mm～216 mm，因此該裝置的升降行程確定在150 mm～230 mm即可覆蓋工作行程。

3.2 焊劑填充裝置結構的確定

焊劑填充裝置整體結構如圖2所示，根據坡口的開口寬度確定選用16#槽鋼作為焊劑槽，利用連桿機構保證焊劑槽能在有限的空間內平穩(wěn)地升降；由于連桿Ⅱ與焊劑槽的夾角θ越大越省力，因此利用限位角鋼限制連桿Ⅱ轉角，將連桿Ⅱ與焊劑槽的最小夾角θmin控制在30°。

焊劑槽和焊劑的總重量G=80 kg，根據受力分析可知，連桿轉動時所需的最大水平拉力Wmax=G/tanθmin=80×10/tan30°=1 385.6 N，對于操作人員來說過于沉重，因此利用絲杠螺旋傳動達到省力的目的。此處不使用更省力的千斤頂或者電動升降是因為在試驗中發(fā)現(xiàn)，千斤頂和電動升降容易將焊劑槽頂過，相對來說手搖升降擁有更直觀的感受，感覺到吃力就說明焊劑已經填充緊密了，并且工作行程只有80 mm，操作起來也是很方便快捷的。

4 焊劑填充裝置的使用過程

(1) 如圖1所示，將焊劑填充裝置替代槽鋼放置在滾輪架上，并堆滿焊劑。

(2) 如圖2所示，逆時針方向轉動手柄1，使絲杠5向右移動，直至焊劑槽11接觸限位角鋼16時，停止轉動手柄1，此時為行程最低點。

(3) 如圖1所示，將鍋筒放置在滾輪架上坡口朝下，焊劑填充裝置對準坡口。

(4) 按照第(2)步反向操作，直至手柄1無法轉動，此時焊劑槽已升至最高點，將焊劑緊密填滿坡口。

(5) 如圖1所示，從鍋筒內側完成焊接。

1-手柄；2-鎖緊螺母；3-絲杠座；4，13-內六角圓柱頭螺釘；5-絲杠；6-連桿Ⅰ；7-六角頭螺栓；8，10-螺母；9-連桿Ⅱ；11-焊劑槽；12-底座；14-彈簧墊圈；15-軸承組件；16-限位角鋼

5 焊劑填充裝置的關鍵結構設計

5.1 絲杠螺紋尺寸的確定

5.1.1 絲杠軸向載荷計算

絲杠作為螺旋傳動機構的重要部分，采用傳動平穩(wěn)可靠的梯形螺紋，且其需要承受較大的軸向載荷F。當焊劑槽升起將焊劑緊密填入鍋筒坡口時，鍋筒實際是由滾輪架的兩個滾輪和焊劑填充裝置共同支撐的，并且由于鍋筒直徑很大，可以近似地認為三個支撐點平均受力，也就是說焊劑填充裝置相當于承受著鍋筒1/3的重量，鍋筒重量按照9.3 t計算，那么焊劑填充裝置承受的最大重力Gmax=(80+9 300/3)×10=31 800 N，此時的軸向載荷F=Gmax/tanθ=31 800/tan37°=42 200 N(θ為焊劑槽緊貼鍋筒坡口時連桿與焊劑槽的夾角，經作圖分析可知取θ=37°)。

5.1.2 絲杠螺紋尺寸計算

過大的軸向載荷將會產生很大的摩擦力，在旋轉過程中就會加劇螺紋磨損，因此以耐磨性計算絲杠螺紋中徑[2]：

其中：F為軸向載荷，F(xiàn)=42 200 N；ψ為系數(shù)，取ψ=2.5；pp為螺紋副許用壓強，取pp=13 MPa。根據GB/T5796.3—1986[3]，選取螺紋中徑d2=29 mm、螺紋大徑d=32 mm、小徑d3=25 mm、螺距P=6 mm的梯形螺紋；根據GB/T5796—1986，選中等精度，螺旋副標記為Tr32×6-7H/7e。

5.2 連桿機構鉸接點的設計

該裝置連桿機構的基型就是鉸鏈四桿機構，不過由于長度過大，中間加了一組連桿起輔助支承的作用，這樣做雖然加大了焊劑槽的整體剛性，但是對各鉸接點之間的相對尺寸精度要求更高了。因此，鉸接螺栓在槽鋼上的定位采用如圖3所示形式，如若直接將鉸接螺栓焊接到槽鋼上不但難以定位，而且由于焊接變形，很難保證鉸接螺栓與焊接槽的相對垂直，所以先在槽鋼上開定位孔，再將鉸接螺栓插入從內側焊接，即可保證鉸接螺栓的定位精度和穩(wěn)定性。

6 鍋筒縱縫焊接試驗

6.1 試驗產品

試驗產品是材質為BHW35、長度為3 m、壁厚為100 mm的鍋筒筒節(jié)6個，直徑分別為Φ1 500 mm、Φ1 600 mm、Φ2 000 mm，每種直徑各兩個。

1-槽鋼；2-鉸接螺栓

6.2 試驗方案

先使用原來的槽鋼作為焊劑墊，按照焊接工藝規(guī)程進行焊接，記錄調整焊劑墊所用的時間；再用焊劑填充裝置替代槽鋼，依舊按照焊接工藝規(guī)程進行焊接，記錄調整時間并進行對比。由于是在生產過程中進行試驗，且鍋筒的焊接工時較長，不可能一次性完成試驗，因此對各試驗產品進行標記，之后根據標記查看質檢報告，對焊接質量進行對比。

6.3 試驗結果

鍋筒縱縫焊接試驗結果如表1所示，焊接質量的評定標準如下：優(yōu)等品，既無嚴重缺陷也無一般缺陷；一等品，無嚴重缺陷，有1處一般缺陷。顯然兩種方式對焊接質量影響不大，但調整的時長相差甚多，使用槽鋼調節(jié)時間極不穩(wěn)定，焊劑填充裝置的優(yōu)勢則極為明顯。同時，通過觀察發(fā)現(xiàn)，使用焊劑填充裝置的焊劑拋撒要比使用槽鋼少很多。

表1 鍋筒縱縫焊接試驗結果

7 結論

本文設計了鍋筒縱縫焊接焊劑填充裝置，通過試驗得出以下結論：

(1) 焊劑填充裝置調節(jié)迅速、操作簡單，可以節(jié)省大量的焊前準備時間，提高了生產效率。

(2) 焊劑填充裝置能滿足焊劑緊密填滿坡口的焊接工藝要求，焊接質量優(yōu)秀。

(3) 焊劑填充裝置由于升降平穩(wěn)，焊劑拋撒極少，因此既能節(jié)省成本，又能減輕清掃的工作強度。

(4) 焊劑填充裝置設計的成功，改變了原有焊劑墊形式單一固化的結構，為焊劑墊的設計提供了新的思路。