全位置自动管板焊系统在换热器制造中的应用

摘要： 介绍了 ＡＵＴＯＭＡＴＩＧ３０６ 全位置自动管板焊接系统的特点、组成和工作原理以及管壳式换热器的结构， 通过工艺评定优选出的焊接工艺参数应用于生产实践， 取得了良好的效果， 焊缝合格率达 １００％。
　　关键词： 全位置自动管板焊系统； 换热器； 焊接质量； 工艺参数
　　中图分类号： ＴＱ０５１．５          文献标识码： Ａ
　　管壳式换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工行业中是主要的工艺设备之一，其完好与否对化工生产的影响很大，一旦泄漏，对化工产品的质量、工厂安全、环境和设备等将造成很大的损失。换热器中管板与换热管之间的角接接头焊缝质量是整台设备制造质量的关键，以往都采用传统的手工电弧焊或手工氩弧焊工艺焊接，由于劳动条件差，对焊工技术水平要求高，焊缝外观质量不美观，焊接速度慢，效率低，焊接量大，工人劳动强度大，合格率低，设备的制造质量和工期都无法得到保证。近年来，随着化工生产规模的不断扩大，有大量的换热器需要制作，为了保证优质、高效、按期完成设备制作任务，在充分调研的基础上，购买了一台 ＡＵＴＯＭＡＴＩＧ３０６ 全位置自动管板焊接系统。本文将对该焊接系统的组成、原理及在换热器制作中的具体应用作一简单介绍。
　　１ 焊接系统的组成及工作原理
　　１．１ 焊接系统的组成
　　该焊接系统由ＥＷＡ３０６程控电源、ＰＴ８０管板全自动ＴＩＧ焊接机头、冷却水箱（与程控电源一体化） 、平衡器及支架５部分组成。程控电源上装有焊接参数设定、焊接参数选择显示控制面版，可实现对焊接电流、速度、送丝和保护气体的自动控制。焊接机头由电机驱动装置、旋转装置、定位装置、气体保护装置、一体化送丝装置和弧长控制装置等组成。另外还有线控器、氩气瓶、减压阀及气管等辅助设施（见图 １） 。
                   
                     图１ＥＷＡ３０６程控电源＋ＰＴ８０焊接机头
    １．２ 工作原理
    １．２．１ 电源部分
    该系统焊接电源为可编程全自动化数字逆变ＴＩＧ电源，引进德国ＥＷＭ公司原装高性能逆变电源模块，可根据需要输出５Ａ～３００Ａ的直流或脉冲电流。系统内配置有高性能的Ｍｕｌｔｉ－ＣＰＵ系统，响应速度快，控制精度高，性能稳定，焊接成形及重现性好。数字化、图形化的编程界面，使用方便，操作简单，适应全位置焊接的优化设计，主要焊接参数可以根据位置划分区间，每个程序可划分１０个区间，可储存焊接工艺参数１００个，并可随时调出使用。同时具有完整的故障检测和处理机制，多点自动检测，最大程度保护人身和设备安全以及焊缝质量。
    １．２．２ 机头部分
     动力驱动部分由一台直流伺服电机减速器带动一对齿轮使焊矩旋转，焊接电源根据焊矩焊接时的不同位置设定该电机各参数。
     一体式送丝机由一台电机驱动一对伞齿轮带动主动送丝轮运转，除主动送丝轮外，还有３个校直轮，这些送丝轮皆可由紧定螺钉调节松紧，焊丝从送丝机进口通过校直轮进入一对主动轮，再由送丝软管总成由送丝机出口将焊丝送入枪体转轴中心的送丝软管。
     全自动弧长控制装置，是靠一个步进电机驱动丝杆带动螺母套直线运动， 带动焊矩轴向移动，整个焊接过程中是通过电弧电压的反馈，由焊接电源控制该步进电机运转，使弧长稳定在一定高度上。除通过焊接电源自动调节弧长外，在焊枪背部通过专用手轮也可进行手工调节。焊接时，根据工件管径选择合适的芯杆定位器（是一弹性套，当它插入管径内，可达到焊头径向定位的目的）装入芯杆，调节定位板上的３根螺杆及偏心支脚支承于管板平面，使焊头正确定位。如果选择加丝焊，则在送丝盒中装入丝盘， 用专用工具将送丝软管总成插入芯轴的快插接头，软管另一端接送丝机，安装好与焊丝直径相适应的送丝轮，调整紧定螺钉，使轮与螺丝之间距离适当，将焊丝穿好。安装好引弧圈，用平衡器将焊头吊起，将芯杆定位器插入管子，将偏心支脚顶住管板，使整机定位待焊，调整好弧长，将焊矩转到起始位置，将伸出送丝嘴的焊丝修剪至伸出送丝嘴５ｍｍ左右，设置好焊接电源各参数后，即可开始焊接。
    ２ 全位置自动管板焊的特点
    全位置管板焊的焊接过程包括平焊、上坡焊、下坡焊、仰焊等过程，熔池受力情况各点不一，见图２。
                    
     由图２可见，重力在各点对焊缝成形影响不一样：平焊位置，重力易造成熔池往管口内流淌；仰焊位置，重力易使熔池偏离焊缝，造成焊缝成形不均匀。
     为了减小熔池受重力因素的影响，全位置管板焊宜采用脉冲焊方式即峰值形成熔池，基值维持电弧不熄灭，同时对熔池进行冷却。焊缝由很致密的焊点叠加而成，从而形成熔合良好、外观成形均匀的焊缝。
    ３ 管壳式换热器的结构和连接方式
     目前，管壳式换热器在制造中管子与管板之间的连接有胀接、胀接加焊接和焊接等形式。如果采用焊接，则有端面焊接和内孔焊接两种结构类型。由于内孔焊的接头形式制造工艺复杂，管板加工、装配、焊接和维修都较困难，成本较高，故仅在高温高压、强腐蚀性介质及核反应堆等特殊工作条件下的换热器中采用。而端面焊接由于焊接方便、外观检查与维修容易等优点，因此应用比较广泛。全位置管板焊时，其结构基本采用管平头（自熔焊时，管口伸出０～１ ｍｍ） 、管伸出（加丝焊时，管口伸出３ｍｍ～５ ｍｍ）方式，连接方式根据产品设计要求有以下两种形式：一是胀接加密封自熔焊；二是加丝强度焊（根据设计要求可焊１或２层） 。
    ４ 生产应用
    在正式设备上施焊前，根据 ＧＢ１５１—１９９９《管壳式换热器》的有关规     定，对该系统进行了常用材料、规格的换热管与管板接头的焊接工艺评定试验。结果表明， 采用全位置自动管板焊系统焊接的接头质量、性能完全符合有关标准和规定的要求。
    ４．１ 焊接工艺参数
    六塔再沸器是回收生产线的关键设备，物料腐蚀性较强，温度变化幅度较大，对管板与换热管焊接接头要求较高，因此决定对该设备采用全位置自动管板氩弧焊施焊。
     设备技术参数如下：Ⅱ类压力容器，管板材料为３１６Ｌ不锈钢，厚度
为４０ｍｍ，换热管材料为 ００Ｃｒ１７Ｎｉ１４Ｍｏ２，规格为ｄ３８ｍｍ×２．５ ｍｍ，管头数量为３３５２ 个。
    ４．２ 焊接生产中装配和清理要求
    ４．２．１ 装配要求
    （１） 换热管伸出长度应严格控制在要求尺寸内，自熔为１．５ｍｍ×０．５ｍｍ，填丝焊为 ４ ｍｍ×０．５ ｍｍ。
    （２） 用手工氩弧焊点焊换热管与管板一端，勿用手工电焊条点焊，另
一端用管板端面机去除多余管口。
    （３） 胀管要均匀一致， 避免有贴胀不紧的情况。
    ４．２．２ 清理要求
    （１） 穿管前应严格清理管孔及管口 ２５ ｍｍ 内油污及水分。
    （２） 胀完管后，要用丙酮溶液严格清理，确保焊接区域无油污，以免
焊接时产生气孔。
    ４．３ 焊接结果
     在做好焊前准备工作，装配、清理达到要求的前提下，按照上述的焊接工艺参数对再沸器进行施焊，圆满完成了焊接任务，检验结果如下： 
    （１） 焊接接头表面成形均匀、美观光滑，焊缝宽度和高度也比较统一，相差不大，带有均匀的鱼鳞纹，经酸洗钝化后焊缝呈银白色。
    （２） 经着色检查无气孔、裂纹等缺陷。
    （３） 壳程经水压试验检查合格率达 １００％。
    （４） 该设备在使用两年后，仍无泄漏，效果很好。
    ５ 结语
   该焊接系统采用计算机控制，焊接过程稳定、可靠，操作方便，不仅保证了焊接质量，而且大大降低了焊工的劳动强度，提高了工作效率，有效保证了换热器施工的进度。