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上海市安裝工程集團(tuán)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(jī)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(tuán)的壓力容器制造基地，我公司焊接技術(shù)也迫切需要向工業(yè)機(jī)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)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(shù)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(yīng)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(shè)備可用于直線型焊縫的焊接，通過焊接機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shè)備優(yōu)化思路

球罐極頂板的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，埋弧焊設(shè)備優(yōu)化必須滿足能夠以接管的中心沿球面進(jìn)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(jìn)行調(diào)整，以滿足球罐極頂板的接管大小、結(jié)構(gòu)形式、布局位置不同等要求。

圖1 球罐極頂板的一般結(jié)構(gòu)

3 埋弧焊機(jī)的構(gòu)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(shè)備要進(jìn)行徹底更換。因為球罐極頂板結(jié)構(gòu)的特殊性，沒有現(xiàn)成的焊接設(shè)備能夠滿足要求，所以本次使用的埋弧焊機(jī)的是在常用埋弧焊機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造。常用的埋弧焊機(jī)有等速送絲和均勻調(diào)節(jié)送絲兩種，一般均由機(jī)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(jī)，即用最普通的MZ-1000型焊機(jī)進(jìn)行改造。采用埋弧焊機(jī)上的送絲機(jī)頭，加裝焊機(jī)電器控制機(jī)構(gòu)，使其由直線運動改作圓周運動。電源、焊機(jī)確定后，最主要的問題就是對焊接機(jī)頭的機(jī)械部分進(jìn)行改造。

3.1 自動焊接機(jī)頭

首先，原有埋弧焊小車傳動機(jī)構(gòu)是直線運動，為了達(dá)到由直線運動變?yōu)閳A周運動，課題組在埋弧焊機(jī)上安裝了圓心機(jī)，將送絲機(jī)頭加上活動機(jī)構(gòu)固定在圓心機(jī)連桿上，圓心機(jī)旁加裝埋弧焊機(jī)電器控制機(jī)構(gòu)，使其在操作上更加方便、穩(wěn)定。圓心機(jī)是圓周運動，送絲機(jī)頭固定在圓心機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速要求也不同。課題組對圓心機(jī)的轉(zhuǎn)速與焊接時的速度進(jìn)行了反復(fù)比較，在圓心機(jī)上又加裝一套8∶1變速機(jī)構(gòu)，以此來滿足焊接時的速度要求。改進(jìn)后埋弧焊機(jī)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(jī)上，圓心機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中送絲也比較穩(wěn)定。圓心機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圓心機(jī)結(jié)構(gòu)

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(shè)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(jī)機(jī)身的上下左右調(diào)節(jié)范圍非常小，因此課題組在焊機(jī)支架上加裝了一個調(diào)節(jié)器，并將其固定在焊接機(jī)頭和圓心機(jī)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(jī)頭、圓心機(jī)、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(dá)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(dá)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(jī)用壓板加以固定。

圖4 連接盤

改造完成后的焊機(jī)，能夠在極頂板的正反面進(jìn)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(shè)備經(jīng)測試能夠滿足球罐極頂板人孔焊縫的焊接技術(shù)要求。改造后的焊機(jī)如圖5所示，焊機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

圖5 自主設(shè)計改造的球罐極頂埋弧焊機(jī)

表1 極頂埋弧焊機(jī)的技術(shù)參數(shù)

4 焊前準(zhǔn)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(cè)，再焊小坡口一側(cè)。焊接小坡口一側(cè)前用碳弧氣刨加砂輪打磨的方式對根部進(jìn)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『?，若改變焊接方法，則必須重新進(jìn)行焊接工藝評定，焊接評定主要包括：預(yù)焊接參數(shù)、外觀檢測、無損檢測、力學(xué)性能試驗（拉伸、彎曲、沖擊）。預(yù)焊接參數(shù)參見表2。

5.1 無損檢測

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

5.2 力學(xué)性能試驗

對焊縫進(jìn)行室溫橫向拉伸、彎曲、沖擊試驗等力學(xué)性能檢測，結(jié)果見表3～表5。由表3～表5可知，試驗結(jié)果均合格。

表3 拉伸試驗結(jié)果

表4 彎曲試驗結(jié)果

表5 沖擊試驗結(jié)果

5.3 評定結(jié)論

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

6 質(zhì)量控制

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

2）焊劑應(yīng)按說明書要求進(jìn)行烘焙。對于回收的焊劑，應(yīng)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(jī)清除掉氧化皮，確認(rèn)無未熔合、夾渣等缺陷后方能進(jìn)行另一側(cè)的焊接。

4）組織焊工進(jìn)行操作技能培訓(xùn)，考慮埋弧焊焊接中出現(xiàn)的特殊情況，對焊接參數(shù)進(jìn)行人工干預(yù)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(dǎo)致電弧長度的變化、工件不平或機(jī)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(dǎo)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(shù)對極頂板與人孔凸緣進(jìn)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(xì)的實施方案，以加強(qiáng)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(dá)到100%。

圖8 現(xiàn)場焊接

8 結(jié)束語

現(xiàn)場焊接證明，經(jīng)過改造后的埋弧焊機(jī)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(shè)備所焊焊縫的力學(xué)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(shè)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(xué)性能。球罐人孔凸緣與極頂板采用埋弧焊技術(shù)，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(shù)焊接人才缺乏的難題，進(jìn)一步提高了焊接效率，加快了施工進(jìn)度，改善了工作環(huán)境，降低了勞動強(qiáng)度，具有非常明顯的優(yōu)勢。