锅筒-对流管束自动TIG焊接工艺设计

顾芝敏，严建俊，周小平，李亚光，王超伦

（1.江苏双良锅炉有限公司，江苏 江阴214444；2.南京工业大学，江苏 南京210009）

锅筒-对流管束自动TIG焊接工艺设计

顾芝敏1，严建俊1，周小平1，李亚光1，王超伦2

（1.江苏双良锅炉有限公司，江苏 江阴214444；2.南京工业大学，江苏 南京210009）

根据水管锅炉锅筒-对流管束角焊缝自动TIG焊存在的问题，对常规焊枪包括弧长跟踪方式、定位胀芯及送丝装置等进行改进，同时设计了一套多自由度、简便灵活的焊枪移动支撑工装，解决锅筒内焊枪移动、焊接问题；并进行焊接设备性能验证，实现了水管锅炉锅筒-对流管束角焊缝的自动TIG焊。

锅筒-对流管束；自动TIG焊；焊接工艺设计

0 前言

锅筒、对流管是水管锅炉非常重要的部件。以往锅筒与对流管的角焊缝通常采用焊条电弧焊进行焊接，焊接工作量大，焊接质量主要依赖于焊工的技能与体力，工人长时间在锅筒狭小的空间内持续焊接，容易疲劳，焊接效率低，焊接质量难以充分保证，且焊接烟尘大，对工人的身心健康造成一定的影响。要解决这些问题，采用自动TIG焊无疑是一条很好的途径。在此根据公司实际产品的需求，通过设计自动TIG焊焊接工艺、验证焊接设备性能、对比焊接效率，实现了水管锅炉锅筒与对流管角焊缝的自动TIG焊。

1 自动TIG焊优点及实施难点

1.1 焊条电弧焊与自动TIG焊对比

（1）自动TIG焊焊接烟气小；（2）焊缝成形美观，焊后无需进行打磨；（3）对工人的操作技能要求低，很大程度上消除了人为因素对焊接质量的影响，降低了工人劳动强度；（4）焊接效率高。

1.2 实现自动TIG焊难点

（1）由于锅筒直径较小（D=800～1 200 mm），操作空间较小、工人施工不方便，要求焊枪及移动工装自由、灵活高；（2）锅筒对流管接头为马鞍形接头，要求设备必须能够跟踪焊接过程中的马鞍形运行轨迹；（3）管头装配情况复杂，存在倾斜、间隙偏大等情况；（4）同一台产品需要多把焊枪同时施焊且不能互相干扰；（5）锅筒与对流管接头位置多变，从垂直固定、水平固定到仰焊位置，要焊枪及电源能实现全位置焊接。

2 锅筒-对流管束自动TIG焊接工艺设计[1-4]

根据锅筒-对流管束自动TIG焊焊接存在的难点，通过焊接电源及焊枪、支撑工装、焊接工艺参数三方面进行解决。

2.1 焊接电源及焊枪设计

2.1.1 焊接电源

采用X公司生产的逆变焊接电源，该款电源采用一体化设计：控制系统、主电源系统、循环冷却系统三位一体，具有先进性、数字化、易操作、智能化、通用性、可靠性等特点，专门为管/板焊接而进行设计制造。

2.1.2 焊枪设计

（1）根据实际产品管头装配情况，改变传统焊枪弧长跟踪方式，使焊接过程中焊炬弧长跟踪与管头呈一定夹角，弧长跟踪采样以管壁为基准，解决锅筒对流管装配单边间隙不均匀问题，减少焊接缺陷。

（2）根据管头全位置焊接的特点，为确保焊炬中心与管头中心重合，焊枪采用特制蝶形弹性定位器加气动夹紧定位方式，使焊枪能够牢牢地固定在管板上，精确定位焊炬位置，无需人工干预，真正意义上淡化了焊工操作技能，解决实际装配情况存在的倾斜问题。

（3）增加快速定位限位装置，快速定位保护机头。

（4）送丝装置及焊丝与焊枪分离，减轻焊枪整体质量。

通过采用专用的焊接电源及焊枪，解决了实际产品中管子装配情况复杂、全位置焊接的特点，一个焊接工艺程序可分10个区间，以满足工件不同位置的焊接要求。

2.2 专用支撑工装

结合生产实际，设计出一套多自由度、简便灵活的移动支撑工装，如图1所示。

（1）结构形式：移动工装包括轴向移动导轨、轴向滑动装置、水平旋转装置、周向旋转装置、垂直移动导轨、焊枪快速安装装置、径向移动导轨、快速限位装置。

图1 锅筒自动TIG焊支撑工装Fig.1 Automatic TIG welding of boiler barrel support jig

（2）工装自由度：可实现焊枪的轴向移动水平旋转、周向旋转、垂直移动、径向移动，焊枪自由度高，满足焊枪全位置定位、焊接要求。

（3）安装简便性：易在锅筒内部安装固定，操作、移动便捷，可布置至少4把焊枪，焊枪电缆不缠绕不干涉，工装主体采用铝合金型材，质量轻强度好，焊工劳动强度低。

（4）使用锅筒范围φ800～1 200 mm，调节范围大，满足水管锅炉所有锅筒-对流管束焊接需求。

2.3 焊接工艺参数

在锅筒试件进行工艺参数调节及试验，不同位置进行分区采用不同的焊接参数，解决马鞍形接头焊接困难的问题；采用的钨极直径为φ3.2 mm，焊丝直径φ1.0 mm，一次成形，焊接效率高，其主要焊接工艺参数如表1所示。

3 产品焊接及检验

前期为了验证设备的使用性能，模拟公司产品实际具体形式进行焊接（现已在产品上进行推广），并进行外观、水压、金相实验，验证设备的使用能力。

3.1 焊缝表面成形及宏观金相

焊缝表面成形美观，无未熔合、咬边、飞溅等缺陷，焊脚尺寸约5 mm；宏观金相观察无气孔、夹渣等缺陷，焊缝熔深约1.5 mm。

3.2 水压试验情况

水压试验的具体操作及其他要求按GBT 16507.1～8-2013《水管锅炉》、TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》规定进行，水压试验压力为1.0 MPa，保压时间20 min，水压试验合格。

3.3 焊接效率

针对锅筒对流管常用管子尺寸φ51 mm×3 mm进行焊接效率测试，结果如下：

（1）采用钨极直径为φ3.2，焊丝直径φ1.0，焊脚为5 mm，焊接时间约135 s；针对不同直径规格，管头焊接时间稍有差异。焊枪移动及焊前调整时间约35 s，随焊工操作熟练度提高，时间越短。

（2）一个工作日（8 h）正常焊接管头数量大于80个，包括焊前准备工作、焊接时间等。

（3）相比于传统焊条电弧焊，焊后无需进行打磨，减少焊后打磨时间，减少焊工劳动强度，提高生产效率。

表1 主要焊接工艺参数Tab.1 Main welding process parameter

图2 焊缝表面成形及熔深Fig.2 Welding surface appearance and penetration

4 结论

（1）通过实际产品结构特点，对常规焊枪包括弧长跟踪方式、定位胀芯及送丝装置等进行改进，适应现产品焊接需求。

（2）设计了一套多自由度、简便灵活的焊枪移动支撑工装，解决锅筒内焊枪移动问题。

（3）通过自动TIG焊设备性能验证，检验接头性能，使锅筒-对流管自动TIG焊新工艺首次在公司产品应用成功，打破了锅筒-对流管束采用焊条电弧焊等传统工艺，标志着公司自动化焊接踏上一个新的台阶。

（4）锅筒自动TIG焊具有操作简单、焊工劳动强度低、焊工易于掌握等特点；相对于传统焊条电弧焊，焊缝成型美观，生产效率高、质量稳定可靠，改善工人操作环境。

[1]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]锅炉安全技术监察规程TSG G0001-2012[S].北京：新华出版社，2012.

[4]水管锅炉GB/T 16507.6-2013[S].北京：中国标准出版社，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

顾芝敏（1985—），女，江苏江阴人，工程师，学士，主要从事锅炉压力容器制造、安装工作。