锅炉压力容器焊接自动化技术和应用

张剑敏

（东营市特种设备检验研究院 山东东营 257000）

锅炉压力容器是工业生产中不可或缺的设备，并且对安全性能有着严格要求，如锅炉压力容器的抗压能力、导热性能等。传统人工焊接技术存在诸多缺陷，无法满足现代工业生产需求，导致锅炉压力容器的安全系数大大降低。伴随焊接自动化技术的推广，锅炉压力容器焊接质量与效率得到有效提高。焊接技术自动化发展是必然的趋势，这也代表现代社会科学技术水平有所提升，而锅炉压力容器的焊接质量与生产能力问题得到充分解决，由此可见，先进的技术工艺往往是促进社会经济发展的重要举措［1-3］。

1 锅炉压力容器与焊接自动化技术概述

1.1 锅炉压力容器

由于锅炉压力容器大多应用在高危环境下，所以本身属于特殊生产设备，现阶段以工业生产的使用居多，因此，对于质量安全有着极高要求。生产制造过程中，必须严格检查，做好每个环节的质量把控。另外，锅炉压力容器为多部分组成，所以生产离不开焊接工艺的支持，必须要采用适当的焊接技术，同时提高焊接水平，才能保证锅炉压力容器质量符合标准要求。若焊接过程中技术水平不足，不仅会影响设备本身的质量，还会留下巨大的安全隐患，导致工业生产面临威胁。通过事故分析，发现锅炉压力容器爆炸与自身的焊接密封性不足有关，因此，在生产制造中，需要重视锅炉压力容器焊接。

1.2 焊接自动化技术

焊接是锅炉压力容器生产制造中不可或缺的环节，而焊接自动化技术代表焊接技术朝着自动控制方向发展，彻底摆脱了传统人工焊接技术。作为现代化焊接技术工艺，其核心是将焊接操作与计算机技术进行有效结合，能够充分了解锅炉压力容器焊接具体参数，通过提前预设完成自动化控制操作，也就是将数据信息输入到计算机系统，由计算机设备实现自动化焊接。这一转变无疑提高了焊接效率和质量，也见证了焊接技术的巨大突破，并且从半自动逐渐转变为全自动化操作，包括焊后清理与零件成型等程序，这要得益于自动化控制系统的应用。虽然是依靠机械设备完成焊接操作，但精准度方面完全不需要担心，因此，焊接自动化技术才会应用在航天等精细设备制造过程中［4-5］。

2 锅炉压力容器焊接自动化技术的应用意义

任何技术工艺都要吸取经验，不能故步自封，影响工业水平发展，尤其在很多产品对焊接质量有更高要求的条件下，相关领域的研究者和生产者必须积极进取，对技术工艺与产品进行升级，因此，焊接自动化技术的应用是为了更好地符合工业发展需求。除此之外，我国很多行业、领域正在走向国际市场，就是因为各项技术日渐完善，自动化程度有所提高，如锅炉压力容器焊接就利用自动化技术提高生产效率与质量，这样才能获得更大的发展空间。另外，不能过度依赖国外进口技术、设备，应积极吸取先进经验，总结生产技术，这是获取持续性发展的重要举措。

3 锅炉压力容器焊接中常见的质量问题

在传统的锅炉压力容器焊接过程中，由于技术方面存在较大的滞后性，因此焊接容易引发缺陷，例如，在焊接方法不当的条件下，就会造成锅炉压力容器外部咬边缺陷。此外，焊接过程中无法避免产生熔渣，传统人工焊接无法有效清理，熔渣长期存在于焊缝中，导致焊接位置出现夹渣现象，这也是较大的质量缺陷，导致焊接严密性与强度受损，因此，应用焊接自动化技术势在必行。

4 锅炉压力容器焊接自动化技术的应用

4.1 膜式壁焊机

伴随着科技迅速发展，我国在锅炉压力容器焊接技术方面得到重大突破，膜式壁焊机就是典型的现代自动化焊接技术，并且得到全面推广和应用。目前，该技术已经日渐成熟，并且在设备性能水平上已经达到同类进口设备标准，这也代表锅炉压力容器焊接效率质量将会得到显著提高。在膜式壁焊接机的推动下，逐渐形成了气体保护焊接与埋弧焊接两种工艺，大大提高了设备的生产能力。另外，膜式壁焊枪的灵活性更高，焊接效果也要比传统工艺优异。目前来看，膜式壁焊机的潜力较大，尤其在自动化水平方面，可以通过加强研究，彻底摆脱人工操作，缩小与国外工艺技术的差距。在使用过程中，主要包含管子和扁钢焊接两种模式，同时，根据焊枪数量、焊接流程排列，以此来保证符合焊接需求。该技术完全能够处理好锅炉压力容器，但是与国外的焊接技术仍有差异，虽然设备差距不大，但个别操作环节需要依靠人工操作，因此，未来必须围绕自动化程度进行研发，优化完善操作管理步骤。

4.2 直管接长焊机

由于锅炉压力容器对于质量有着较高要求，因此，在焊接过程中必须保证安全。现阶段，直管接长焊机成为普遍的自动化焊接技术，能够满足锅炉压力容器的各项要求。例如，锅炉压力容器运行过程中往往会产生热量，如果热量超过相关标准，就会引发火灾，因此，要及时采取散热处理，对火灾等事故展开预防。以往通常会选择安装散热设备对温度进行有效控制，但是在直管接长焊机得到全面普及后，不需要额外安装散热设备，即可在焊接过程中对锅炉压力容器进行散热。另外，该焊接技术主要通过PLC 自动化控制系统进行运用，高效完成预处理自动化生产，同时，焊接过程精准度大大提高，借助PLC控制系统，实现反复性操作。我国在锅炉压力容器焊接技术的研发工作中经历很多重要阶段，从最早期的TIG 冷丝到当前的TIG 热丝，在焊接技术上得到显著突破，并且已经开始广泛采用国产设备，说明我国的产品核心竞争力正在提高，焊接技术日渐成熟。在实际焊接过程中，通过PLC系统，充分稳定了焊接质量，因此，直管接长焊机属于较为理想的自动化焊接技术。

4.3 马鞍形焊机

针对锅炉压力容器焊接要求，可以采用马鞍型焊机进行处理，这也是应用较为广泛的焊接技术，但是从具体的焊接效果来看，仍然有待完善，包括焊缝成型质量与整体焊接质量。为了能够完善此自动化焊接技术，通过构建完善的数学模型，输入相应的参数，对运动轨迹展开精准计算，从而保证焊枪的运动轨迹足够准确，严格按照程序预设实现焊接操作。在焊接过程中，需要注意控制好锅炉压力容器的水平位置，这也是强化焊接质量的关键。目前来看，优化过后的马鞍型焊机使用效果良好，大幅度提升了焊接效率与质量。由于马鞍形焊机分为不同种类，在使用过程中，要结合实际需求确定型号。例如，升降、运动相对灵活的设备，焊接前输入准确参数，在焊接过程中可随意调整，包括自动、手动修改焊枪位置水平［6-8］。

4.4 集箱环缝TIG自动封底焊接工作站

在现代科技的加持下，锅炉压力容器焊接技术也在提高，现阶段焊接技术自动化特征明显，例如，集箱环缝TIG自动封底焊接工作站就是相对现代化的焊接技术，该工作站在焊接中能够起到重要作用，并且有着诸多优势，如减少电焊环节、焊口组装对位可直接采取冷丝TIG 焊接技术等，就能将两侧完美连接。在焊枪固定操作的条件下，工件会持续性转动以此来满足焊接需求，保证焊接过程的完整性，并且安装了浮动式动力头，让工件时刻保持平稳的状态。通过实际应用来看，自动化水平较高，加上采用了PLC 控制系统，能够大幅度提高焊接效率与质量。工作站主要由多个部分组成，其中包含滚轮架、TIG焊枪运动系统及浮动式动力头。滚轮架的作用是调节、稳定工件，大多采用4台滚轮架，2 台放在中间位置并且具备升降功能，另外2台置于两侧，滚轮架与工件的接触面主要采用聚乙脂，这也是较为柔软的材料，可以吸收焊接过程中的工件跳动。浮动卡盘式动力头调速范围大、精准度高，有利于改善工件偏载或走向跳动等问题，对提高焊接质量有着重要作用。TIG 焊枪运动机构为焊枪跟踪机构、窄间隙焊枪、控制系统多个部分，可以通过规范参数与程序进行控制，充分满足了锅炉压力容器对于焊接工艺的需求，自动化程度相对较高。

4.5 窄间隙埋弧焊机

窄间隙埋弧焊接机具有较强的人性化特征，由PLC、AC、触摸屏组成控制系统，大大降低了操作难度，焊接过程中的精准性也能得到有效把控。该焊接技术中分为激光跟踪、智能控制系统及窄间焊枪等部分。激光跟踪是窄间隙埋弧焊机的核心，也是对传统窄间隙埋弧焊机的有效优化，能够保障焊枪始终处在正确的位置下，并对整个操作流程进行跟踪。窄间隙埋弧焊机应用了多种机械式位移传感器，利用激光摄像头进行图像判别，提高了焊接效率和质量。但是受到激光头性能方面的影响，要注意与工件之间的距离，尽量控制在20mm的范围之内，跟踪深度应保持在100mm，该技术支持焊枪自动寻找焊缝，因此，操作时可以自动到达焊接位置。另外，还具备摆动、可靠导电两项重要功能，从而应对不同的焊接要求，控制系统以PLC 为主，加入屏幕触控的操作形式，支持人机对话提高操作流畅度，设置好规范参数即可进行全自动、半自动及手动焊接操作。

4.6 集箱短管接头自动埋弧焊机

在锅炉压力容器焊接工作中，集箱短管接头自动埋弧焊机应用相对广泛，这也是较为现代化的焊接技术。初期阶段，集箱短管接头数量较多，所以大多采取手工焊接，并且整体焊接质量无法得到保障，后续从国外引进集箱短管接头角自动焊机，但设备造价相对昂贵，同时存在部分缺陷。但是，随着近些年焊接技术的快速发展，集箱短管接头自动埋弧焊机得到优化，无论经济性还是功能性都得到显著提高，不仅满足了市场需求，还能强化锅炉压力容器焊接效率与质量。在实际应用过程中操作便捷，工作量大时，安装摆放若干接头同时焊接，以此来加快锅炉压力容器的焊接速度。

4.7 管道预制焊接工作站

管道预制焊接工作站在多个领域中有所应用，如石化、建筑、造船等，包括锅炉压力容器设备焊接，尤其是数量多、体积大的设备设施，都可以采用管道预制焊接工作站，并且支持手动与半自动焊接。该焊接技术在控制方面，具有较大的发展空间，通过提高自动化程度即可增强焊接效率，例如，应用PLC 控制系统，借助数字化编程逻辑控制器，完善焊接流程、参数规范，快速实现各类焊接工作。此外，管道预制焊接工作站采用了中空开启式夹紧回转装置，以确保工件调入装置后夹紧定位，为优质高效的焊接操作打下良好基础。

4.8 筒体纵缝环缝焊接机

工业生产中所使用的都是大体积锅炉，主要由圆形筒身和两端封头组成，这也导致每个筒节不只存在一条焊缝。通过筒体纵缝环缝焊接机的应用，能够快速进行焊缝对接，并且具有操作简单、成本低等优势。在焊接过程中，会通过琴键式夹紧机构进行固定，若锅炉压力容器的筒节为薄壁，也可不采取固定措施，直接在焊接机上进行组装、焊接操作。环缝主要通过滚轮架、焊接机完成对接，可以将筒体放在滚轮架上，并运用自动对中功能均匀旋转，焊接方法大多会采用离子弧焊、埋弧焊等技术［9-10］。

5 结语

锅炉压力容器主要应用在工业生产、公共事业等领域，并且定位为特种设备，在安全上有着严格标准与特殊要求，为了保证使用安全，必须对设计、制造、安装及使用环节进行监督管理。由于现代工业生产对锅炉压力容器的综合性能要求有所提高，因此，不得不改变以往的焊接方法，这也促进了焊接自动化技术的研发进程，通过焊接经验的总结积累，打造出自动化程度越来越高的焊接工艺。焊接自动化技术分为多种不同类型，有利于提高锅炉压力容器的安全性，增强此类设备在工业生产领域中的应用价值，未来还需要深入研究，不断优化完善焊接自动化技术，同时，在各行业、领域进一步推广。