刁旺戰(zhàn)，徐祥久，王萍，李秋石

摘要：燃煤電站鍋爐吊掛管為小批量焊接結(jié)構(gòu)，涉及材質(zhì)種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。焊接特點(diǎn)為：存在焊接變形，焊接材料為合金耐熱鋼和不銹鋼，異種鋼焊接。吊掛管原焊接方法為焊條電弧焊，焊接效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高。吊掛管自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了電站鍋爐產(chǎn)品中角板兩側(cè)對(duì)稱的吊掛管自動(dòng)化焊接，包括上料、點(diǎn)焊、焊接、下料、轉(zhuǎn)運(yùn)等全流程。經(jīng)過試驗(yàn)，該生產(chǎn)線焊接的焊縫成型均勻一致，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接合格率超過99%，目前該設(shè)備已經(jīng)在1000 MW超超臨界鍋爐、600 MW超超臨界鍋爐等國(guó)內(nèi)外諸多燃煤電站鍋爐項(xiàng)目中大范圍應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;吊掛管;自動(dòng)化焊接;生產(chǎn)線;機(jī)器人焊接

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0050-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.09

0? ? 前言

燃煤電站鍋爐產(chǎn)品的受熱面管屏中，水平布置的部件如水平低溫過熱器、水平低溫再熱器等需要采用吊掛管進(jìn)行吊掛安裝。運(yùn)行過程中，吊掛管內(nèi)部為高溫蒸汽（450～600 ℃），外部承受高溫?zé)煔猓业鯍旃苄枰獞业跽麄€(gè)管屏，因此吊掛管是在高溫高壓環(huán)境下運(yùn)行的承載部件，其吊掛管角板與管子之間的焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格。

吊掛管的焊接特點(diǎn)為：（1）焊接過程中存在焊接變形。吊掛管中的小口徑管剛性差，焊接過程中由于焊接熱輸入的影響，易產(chǎn)生焊接變形從而影響焊接工藝實(shí)施;（2）產(chǎn)品種類多。吊掛管為單件小批量結(jié)構(gòu)，材質(zhì)種類多、尺寸規(guī)格多、總體數(shù)量多、焊接量大;（3）異種鋼焊接難度高。吊掛管中管子與角板匹配后多為異種鋼焊接，且需要采用合金耐熱鋼、不銹鋼焊材，液態(tài)金屬流動(dòng)性差，焊縫成型控制難。

電站鍋爐行業(yè)的產(chǎn)品因其單件小批量、結(jié)構(gòu)特殊的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接難度較高[1-3]，國(guó)內(nèi)一直采用焊條電弧焊完成吊掛管的焊接[4]，焊接效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、工人勞動(dòng)環(huán)境差、強(qiáng)度高。文中介紹了一種吊掛管自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)電站鍋爐吊掛管的自動(dòng)化焊接，采用該設(shè)備提高了吊掛管的焊接效率和焊接質(zhì)量，改善了工人的勞動(dòng)條件[5-7]。

1 吊掛管的結(jié)構(gòu)

吊掛管部件的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其長(zhǎng)度為2 000～4 300 mm，角板厚度為5～10 mm，角板凈間距≥14 mm，兩側(cè)角板對(duì)稱，單側(cè)需焊接20～45個(gè)角板。其中管子直徑為φ44.5～63.5 mm，壁厚7～15 mm。角板的典型結(jié)構(gòu)有4種，根據(jù)尺寸不同共有20余種角板，同一個(gè)吊掛管中最多可存在3種結(jié)構(gòu)的角板，同時(shí)角板間距可存在變化。

吊掛管的管子和角板材質(zhì)及匹配焊絲型號(hào)如表1所示。可以看出，為適應(yīng)不同使用溫度，管子和角板的材質(zhì)組合種類達(dá)到8種，且多為異種鋼焊接。根據(jù)管子和角板材質(zhì)不同，匹配焊接材料包含碳鋼焊絲GB ER50-6，低合金鋼焊絲GB ER55-B2、GB ER55-B2-MnV和AWS ER90S-B9，不銹鋼焊絲AWS ER309Mo。依據(jù)相關(guān)焊接實(shí)驗(yàn)和鍋爐運(yùn)行驗(yàn)證數(shù)據(jù)選擇異種材料焊接的焊材。

2 系統(tǒng)組成

吊掛管自動(dòng)化焊接系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

根據(jù)吊掛管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝流程特點(diǎn)，生產(chǎn)線按照上料、點(diǎn)焊、焊接和下料環(huán)節(jié)來配置硬件，主要由兜帶上料機(jī)構(gòu)、暫存料架、三聯(lián)動(dòng)移載小車、機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)構(gòu)（含搬運(yùn)機(jī)器人）、角板料盒、組對(duì)變位機(jī)、單機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)構(gòu)（含點(diǎn)焊機(jī)器人）、焊接變位機(jī)、雙機(jī)器人焊接機(jī)構(gòu)（含焊接機(jī)器人）、成品料架、安全圍欄等組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

2.1.1 兜帶上料機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)將成捆鋼管進(jìn)行分散后以單根鋼管的形式轉(zhuǎn)移到上料機(jī)構(gòu)的暫存料架，采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)多組吊帶，最大承載重量為3.5噸，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。使用過程中，管子放置于多組兜帶上。兜帶一端與圓形輪連接，一端固定在料架上。電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)圓形輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)兜帶的伸長(zhǎng)與縮短。兜帶縮短，管子向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)管子達(dá)到一定高度后會(huì)向一側(cè)滑移實(shí)現(xiàn)管子的輸送。當(dāng)輸送管子達(dá)到一定數(shù)量后，兜帶放松變長(zhǎng)，管子下落。

2.1.2 暫存料架

暫存料架中左右兩側(cè)的對(duì)中氣缸通過直線導(dǎo)軌與暫存料架相連，料架上安裝有刻度尺，可根據(jù)鋼管長(zhǎng)度預(yù)先將對(duì)中氣缸調(diào)整到指定長(zhǎng)度位置。暫存料架上的定位擋板可防止翻料超過額定暫存數(shù)量。斜鐵具有一定坡度，當(dāng)兜帶上料機(jī)構(gòu)將管子運(yùn)轉(zhuǎn)到暫存料架上后，管子由于重力作用滑動(dòng)到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上端，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)將管子翻轉(zhuǎn)到V型架上，三聯(lián)動(dòng)移載小車再?gòu)腣型架上取管子。暫存料架的額定暫存數(shù)量最多為8根，暫存料架的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.3 三聯(lián)動(dòng)移載小車

三聯(lián)動(dòng)移載小車由整體底座及三組托起裝置構(gòu)成。三聯(lián)動(dòng)移載小車由一套伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用直線導(dǎo)軌+齒輪齒條機(jī)構(gòu)，三組托起裝置之間通過連接板連接，可以實(shí)現(xiàn)同步行走精準(zhǔn)定位，能夠同時(shí)滿足點(diǎn)焊工位的上下料、焊接工位的上下料及成品吊掛管的下料。托起裝置上/下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)V型板上/下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)管子的托起與下落，與暫存料架V型板、組對(duì)/焊接變位機(jī)中的氣動(dòng)卡盤和成品料架配合，實(shí)現(xiàn)吊掛管的轉(zhuǎn)移。中間的托起裝置上裝有夾緊裝置，保證吊掛管從點(diǎn)焊工位轉(zhuǎn)運(yùn)到焊接工位時(shí)角板的位置不發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.1.4 組對(duì)變位機(jī)/焊接變位機(jī)

組對(duì)變位機(jī)/焊接變位機(jī)由外部軸電機(jī)控制工件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與焊接機(jī)器人協(xié)調(diào)動(dòng)作。變位機(jī)左右兩端安裝有氣動(dòng)卡盤，可實(shí)現(xiàn)對(duì)吊掛管的定位，通過調(diào)整卡盤可滿足不同管徑工件的夾緊。為適應(yīng)不同長(zhǎng)度的工件，采用正反絲杠通過一臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)的滑臺(tái)對(duì)中移動(dòng)。

2.1.5 角板料盒

本套設(shè)備共配有4套角板料盒組件，每個(gè)組件上包含左右兩個(gè)料盤。同一種料盤可通過調(diào)整定位板之間的間隙以放置不同規(guī)格和種類的角板，料盤左右兩側(cè)有刻度尺，便于確定定位板的位置。軸向氣缸與頂塊連接，用于控制角板在定位板間隙內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)角板運(yùn)動(dòng)到前端后，頂起氣缸連接有頂起裝置將角板頂起，方便搬運(yùn)機(jī)器上的夾爪取料，每次可同時(shí)頂起左右2個(gè)角板。4套角板料盒可放置720塊角板，可放置所有種類的角板，角板料盒如圖6所示。

2.1.6 機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人搬運(yùn)龍門采用地面安裝方式，布置有搬運(yùn)機(jī)器人、角板料盒，采用直線導(dǎo)軌+齒輪齒條機(jī)構(gòu)，并配置外部伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人行走，角板料盒與搬運(yùn)機(jī)器人在落地龍門上同步行走實(shí)現(xiàn)角板的快速抓取，使焊接效率最優(yōu)化。搬運(yùn)機(jī)器人選用川崎RS20N型機(jī)器人，最大負(fù)載20 kg，重復(fù)定位精度±0.05 mm，最大覆蓋范圍1 725 mm。搬運(yùn)機(jī)器上的夾爪包含2個(gè)氣動(dòng)手指，可完成1組料盤同時(shí)頂起的2個(gè)角板的抓取和定位。

2.1.7 單機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)構(gòu)/雙機(jī)器人焊接機(jī)構(gòu)

點(diǎn)焊機(jī)器人及焊接機(jī)器人采用天吊安裝方式，點(diǎn)焊機(jī)器人和焊接機(jī)器人采用直線導(dǎo)軌+齒輪齒條機(jī)構(gòu)，配置外部伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人，兩臺(tái)焊接機(jī)器人由一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)，保持同步行走。每套機(jī)器人配有一套獨(dú)立的清槍剪絲系統(tǒng)。點(diǎn)焊和焊接機(jī)器人選用川崎RA10N型機(jī)器人，最大負(fù)載10 kg，重復(fù)定位精度±0.06 mm，最大覆蓋范圍1 450 mm。焊接電源選用Lorch S8 Speed Pulse 焊接電源，為全數(shù)字化逆變脈沖電源，可實(shí)現(xiàn)高速焊接。

2.1.8 成品料架

成品料架采用交流減速電機(jī)平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)鏈?zhǔn)絺魉蛶н\(yùn)動(dòng)。三聯(lián)動(dòng)移載小車將成品吊掛管放置于鏈?zhǔn)絺魉蛶У目ú凵希準(zhǔn)絺魉蛶?dòng)吊掛管實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移。成品料架具有滿料提醒功能，可放置12根吊掛管，最大承載能力3.0噸，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用PLC，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，對(duì)搬運(yùn)、焊接、夾持等機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)和電動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行直接和間接控制。系統(tǒng)操作盒是系統(tǒng)的主要操作和信息顯示裝置，安裝有觸摸屏控制面板，實(shí)現(xiàn)信息顯示及操作控制功能，如顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的相關(guān)信息，設(shè)定和調(diào)整機(jī)器人的執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)機(jī)構(gòu)的手動(dòng)和自動(dòng)模式的操作控制，并可設(shè)置報(bào)警、監(jiān)視、保養(yǎng)等系統(tǒng)參數(shù)，觸摸屏控制面板如圖8所示。角板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定如圖9所示，對(duì)4種結(jié)構(gòu)角板的尺寸進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并定義為相應(yīng)數(shù)字編碼，機(jī)器人根據(jù)相應(yīng)參數(shù)在不同料倉(cāng)中抓取。焊接工件參數(shù)設(shè)置如圖10所示，可對(duì)管子規(guī)格、角板結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)字編碼、角板間距等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)在同一根吊管上存在角板結(jié)構(gòu)變化、角板間距變化時(shí)的焊接。系統(tǒng)操作盒安裝有啟動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備、手動(dòng)/自動(dòng)、緊急停止等控制按鈕，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能。在上料、焊接等工位還設(shè)置有單工位按鈕盒，方便控制單工位的相應(yīng)動(dòng)作，如啟動(dòng)、停止等。

機(jī)器人通過示教編程與AS語言編程結(jié)合的方式進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人抓取、行走和焊接機(jī)器人焊接、清槍剪絲、行走等動(dòng)作的設(shè)定與調(diào)整。機(jī)器人通過CC-Link協(xié)議（全稱Control & Communica-tion Link，即控制與通信鏈路協(xié)議）與系統(tǒng)控制柜交互，實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用執(zhí)行，完成設(shè)定的相應(yīng)動(dòng)作。在焊接電源中對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并生成程序號(hào)，在控制系統(tǒng)的系統(tǒng)操作盒中輸入相應(yīng)的程序號(hào)，機(jī)器人通過DeviceNet（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)，一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)）調(diào)用焊接電源中的參數(shù)。

3 系統(tǒng)作業(yè)流程

吊掛管自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)上料、轉(zhuǎn)運(yùn)、點(diǎn)焊和焊接等全流程自動(dòng)流轉(zhuǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍緊湊，自動(dòng)化等級(jí)高。具體流程為：兜帶上料機(jī)構(gòu)將管子輸送到暫存料架→暫存料架對(duì)管子進(jìn)行對(duì)中處理→對(duì)中后將管子翻到V形架→三聯(lián)動(dòng)移載小車將V形架上的管子搬運(yùn)到組對(duì)變位機(jī)→組對(duì)變位機(jī)的卡盤夾緊管子→搬運(yùn)機(jī)器人從角板料盒取料→搬運(yùn)機(jī)器人持角板，點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊角板→點(diǎn)焊完成后三聯(lián)動(dòng)移載小車搬運(yùn)到焊接變位機(jī)→焊接變位機(jī)夾緊吊掛管→雙機(jī)器人同時(shí)從角板兩側(cè)對(duì)吊掛管進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)一側(cè)角板兩條焊縫的焊接，然后變位機(jī)將吊掛管進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，雙機(jī)器人再同時(shí)焊接另一側(cè)角板的兩條焊縫，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)所有吊掛管角板的焊接→焊接完成后三聯(lián)動(dòng)移載小車將吊掛管搬運(yùn)到成品料架。重復(fù)上述動(dòng)作實(shí)現(xiàn)吊掛管自動(dòng)化焊接，具體流程如圖11所示。

4 調(diào)試與試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件和參數(shù)

試驗(yàn)管子材質(zhì)為15CrMoG（φ51 mm×9 mm），角板材質(zhì)為12Cr18Ni9（T=6 mm），焊絲為ER309Mo（φ1.2 mm），焊接參數(shù)如表2所示。焊接方法為雙脈沖MAG焊，其雙脈沖電流波形示意如圖12所示，強(qiáng)（弱）電流平均值與電流平均值的升降比為25%～40%，強(qiáng)電流占空比為30%～45%。焊接過程中強(qiáng)脈沖與弱脈沖交替變換，熱輸入也發(fā)生周期性改變，從而攪拌熔池，細(xì)化晶粒。雙脈沖MAG焊的優(yōu)點(diǎn)為：電弧穩(wěn)定，焊接過程無飛濺，焊接熱影響區(qū)小，熔深和焊縫成型均勻一致， 在自動(dòng)化焊接中較為適用。

在焊接一個(gè)角板的兩側(cè)焊縫時(shí)，若兩個(gè)填充滿焊焊槍的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閷?duì)向運(yùn)動(dòng)，在兩只焊槍交錯(cuò)后的后段焊接過程中，由于前一焊槍的加熱作用，且角板薄、溫度升高快，焊縫金屬更容易向角板側(cè)潤(rùn)濕和偏移，導(dǎo)致焊縫成形前后不均勻。焊槍運(yùn)動(dòng)方向改為同向運(yùn)動(dòng)后，焊縫成形獲得改善。

為減少焊接變形的影響，焊接機(jī)器人與變位器配合進(jìn)行吊掛管兩側(cè)角板的對(duì)稱焊接，同時(shí)焊接過程中采用傳感方式實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)焊接。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在自動(dòng)化模式下，采用以上焊接工藝進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行100% PT無損檢測(cè)，結(jié)果合格。獲得的吊掛管焊縫表面成形均勻一致、平滑美觀，如圖13所示。上料、點(diǎn)焊、焊接、下料、轉(zhuǎn)運(yùn)等過程都由設(shè)備獨(dú)立完成，焊接過程流暢，焊接每對(duì)角板的時(shí)間約為1 min。

吊掛管的角焊縫截面如圖14所示，可以看出，角板與管子之間為非焊透結(jié)構(gòu)，焊后兩側(cè)角焊縫形貌對(duì)稱一致，在管子上產(chǎn)生的焊接熔深約為2 mm，在角板上產(chǎn)生的焊接熔深約為3 mm。

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)吊掛管角焊縫進(jìn)行微觀金相檢測(cè)，如圖15所示。焊接接頭中未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、咬邊、未熔合等缺陷，焊縫的金相組織為奧氏體+鐵素體，形貌為樹枝晶形態(tài)，管子側(cè)熱影響區(qū)為貝氏體，角板側(cè)母材和熱影響區(qū)組織為奧氏體+鐵素體。宏觀、微觀金相組織檢驗(yàn)合格，證明了采用吊掛管自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線焊接吊掛管具有較高的工藝可靠性，焊接質(zhì)量較高。

5 結(jié)論

（1）吊掛管自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)電站鍋爐吊掛管的上料、點(diǎn)焊、焊接、下料、轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)全流程自動(dòng)化焊接生產(chǎn)，焊接每對(duì)角板的時(shí)間約1 min，焊接合格率超過99%。

（2）吊掛管自動(dòng)化生產(chǎn)線可焊接不同材質(zhì)組合、兩側(cè)對(duì)稱、多種結(jié)構(gòu)形式的電站鍋爐吊掛管，適應(yīng)焊絲種類為碳鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼。

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