换热器管板的全位置自动化焊接工艺

第38卷第5期 2010年5月 华南理工大学学报(自然科学版) JournalofSouthChinaUniversityofTechnology (NaturalScienceEdition) V01．38NO．5 Mav2010 文章编号：1000-565X(2010)05-0100·05 换热器管板的全位置自动化焊接工艺木 王振民1 张栋2 李晋1 黄石生1 (1．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2．华南理工大学电力学院，广东广州510640) 摘要：在详细分析换热器钛合金管板自动焊接工艺特点的基础上，利用自行研发的全 数字管板焊接系统进行了换热器管板的全位置自动焊接工艺试验。探讨了换热器管板焊 接中影响焊接质量的相关因素，获得了合理的工艺，即峰值电流80—100A、基值电流20～ 30A、电流脉冲频率5一lOHz、脉冲占空比50％、机头转速3～4r／min、采用脉冲方式进行 电流上升和下降，并在1GW超临界火电机组换热器管板的焊接生产中证明了所确定的 焊接工艺能满足实际施工的需要． 关键词：换热器；钛合金管板；全位置自动焊；焊接工艺 中图分类号：TG444 doi：10．3969／j．issn．1000-565X．2010．05．020 电力电站发电机组换热器中钛合金管板与换热 管之间的角接接头环形焊缝质量是整台换热器制造 质量的关键．单台发电机组换热器的管板接头数量可 高达12万个，并且管径小、排列间距窄，须采用全位 置自动化的焊接工艺¨引．由于国内管板加工设备和 制造工艺的限制，管子的椭圆度偏差、壁厚偏差和管 板的管孔偏差常超出GBl51--1999((管壳式换热器》 的规定，这些偏差情况约占整个管头总数的20％一 30％，在实际焊接过程中很容易出现管头烧烂、熔合 不良、接头强度不足、焊缝不连续以及试压泄漏等问 题．据统计，90％以上的换热器管头泄漏是因为焊接 质量造成的，焊接工艺参数对管板焊接的质量起着 至关重要的作用⋯⋯． 本研究利用自行研发的低成本、全数字管板焊 接系统进行了换热器管板全位置自动焊接工艺试 验，探讨了管板焊接中基值电流、峰值电流、脉冲频 率、机头转速、占空比、电流上升和下降方式等因素 对焊接质量的影响规律，以获取合理的焊接工艺，并 在某1GW超临界火电机组换热器管板的制造中进 行了批量焊接生产验证． 1 管板全位置自动黼点及工艺试验 1．1 管板自动焊接特点 换热器管板焊接的焊缝为圆形，在换热管平放 时，进行自动化焊接，必然会形成平焊、仰焊、上坡焊 和下坡焊，即全位置焊接，这是换热器管板自动焊工 艺的显著特点之一．熔池金属会受到重力、电弧吹力 和表面张力的综合作用并随焊接位置的变化而不断 改变，直接影响焊缝成形¨{J．因此，管板自动焊宜 采用直流正接的脉冲焊方式，焊接过程的电流变化 可分为电流上升、脉冲焊接和电流下降3个阶段：在 电流上升阶段，电流以一定的斜率上升到给定值，防 止电流冲击影响焊接效果；在脉冲焊接阶段，电流为 脉冲式电流，峰值电流阶段熔化金属，基值电流阶段 维持电弧稳定燃烧；而在电流下降阶段，焊接电流以 一定的斜率下降到0，收弧控制．这样可实现焊接热 输入的精确控制，使熔池深而窄，电弧稳定，减少热 影响区． 换热器管板自动焊工艺的另一个显著特点就是 焊接电流的变化过程要与机头的运动相互配 收稿日期：2009．07．03 ·基金项目：国家自然科学基金资助项目(50805051)；广东省科技项目(20088010400041)；中央高校基本科研业务费专 项资金资助项目(2009ZM0188) 作者简介：王振民(1974一)，男，博士，副教授，主要从事现代焊接电源研究．E-mail：wangzhm@scut．edu．cn 万方数据 第5期 王振民等：换热器管板的全位置自动化焊接工艺 101 合口，7]．引弧成功后，进入电流上升阶段，同时启动 机头旋转；之后开始进入正常焊接阶段，此时机头已 转过一定角度；此后，机头继续旋转一周到达起弧位 置，圆形焊缝也已焊接完毕，但由于最开始的一段焊 缝是在电流上升阶段成形的，成形效果不理想，需继 续焊接，此时进入电流下降阶段，利用电流下降阶段 对电流上升阶段的焊缝进行补焊，改善成形，至此整 个焊接过程结束，机头停止旋转．因此，在每个圆形 焊缝的焊接过程中，机头的旋转运动要多于一周． 1．2试验平台 所构建的管板自动化焊接工艺实验平台主要包 括：自行研发的全数字管板焊电源、昆山华恒焊接股 份有限公司生产的TP040管板焊机头(用来带动钨 极旋转)、自行研发的管板焊机头控制箱、Tektronix TDS2012B数字示波器以及霍尔电流传感器(用来 采集焊接电流波形)、保护气体及冷却水装置．管板 焊接电源的主电路采用高频逆变拓扑，实现了主电 路的数字化；而控制电路以ARM公司(Advanced RISCMachinesLtd)最新推出的32位Cortex-M3内 核的ARM微处理器作为控制核心，实现焊接过程 控制的数字化；通过数字化面板实现人机交互的数 字化；电源具有良好的动静态性能，控制精确旧’7j． 1．3 试验条件 取工业纯氩作为保护气体，体积流量为15L／rain； 工件板材的表层为钛合金(厚度为5mm)，底层为不 锈钢(厚度为45mm)；换热管的材料为钛合金，内径 为25mm，管壁厚1mm；管板接头形式为管平齐，管子 焊前预胀；在本试验中，钨极距板子2lnln、距管端 2mm；焊前对钛管及管板进行严格的清理，采用有机 溶剂清洗，彻底清除灰尘、油脂粉、涂料、锈等杂质． 2工艺试验与结果分析 管板自动化焊接工艺的主要参数有峰值电流、基 值电流、脉冲频率、机头转速、占空比、电流上升和下 降方式等，文中探讨这些工艺参数对焊接质量的影响 规律．每个工艺参数的试验样本数均为5，根据多组 试验的结果来分析各因素的影响． 2．1 峰值电流的影响 设定基值电流为20A、脉冲频率为8Hz、占空比 为50％、机头转速为3r／rain，电流上升和下降均为脉 冲方式，改变峰值电流的大小(分别为60、85、120A) 来研究峰值电流变化对焊缝成形的影响，对应焊缝 的焊接电流波形和照片见图1．通过实验发现，峰值 电流的大小主要影响焊缝的熔化程度．峰值电流过 小时，焊缝的热输入不够，使得焊缝无法成形，如图 1(a)所示；随着峰值电流的增大，焊缝的熔化程度 加大，焊缝成形美观，鱼鳞纹明显，如图1(b)所示； 当峰值电流继续增大，达到120A的时候，焊缝变得 很宽，鱼鳞纹不再明显，说明峰值电流已经过大，会 影响到邻近的焊缝，如图1(c)所示．因此，峰值电流 取80～100A为宜． 图1 峰值电流对焊缝成形的影响 Fig．1Effectsofpeal【currentonweldshaping 2．2 基值电流的影响 设定峰值电流为100A、脉冲频率为8Hz、占空 比为50％、机头转速为4r／rain，电流上升和下降均 为脉冲方式，改变基值电流的大小(分别为30、50、 80A)来研究基值电流变化对焊缝成形的影响，对应 焊缝的焊接电流波形和照片如图2所示．通过实验 发现，当基值电流较小时，电弧闪烁明显，焊缝熔宽 合适、成形美观，鱼鳞纹清晰，如图2(a)所示；当基 值电流增大到50A时，在基值电流期间焊缝开始熔 化，电弧闪烁不明显，焊缝熔宽略大、成形尚可，如图 2(b)所示；若基值电流继续增大到80A，则焊接电 万方数据 华南理工大学学报(自然科学版) 第38卷 流的脉冲不明显，峰值电流和基值电流期间焊缝金 属均熔化，电弧基本不再闪烁，焊缝熔宽过大，已将 相邻焊缝熔化，鱼鳞纹消失，如图2(C)所示．因此， 焊接时基值电流不宜过大，只需维持电弧稳定燃烧 即可，一般取20—30A． 图2基值电流对焊缝成形的影响 Fig．2Effectsofbasecurrentonweldshaping 2．3 电流脉冲频率的影响 设定峰值电流为100A、基值电流为20A、占空 比为50％、机头转速为4r／min，电流上升和下降均 为脉冲方式，改变脉冲频率的大小(分别为0．5、 3．O、22．0Hz)来研究脉冲频率变化对焊缝成形的影 响，对应焊缝的焊接电流波形和照片见图3．电流脉 冲频率对焊接效果的影响比较明显．当电流脉冲频 率很低时，峰值电流与基值电流的时间都很长，使得 焊缝在较长时间内一直熔化，在另一段较长的时间 则一直没有熔化，焊缝无法成形，如图3(a)所示．当 脉冲频率提高到3．0Hz时，焊接效果得到改善，焊 缝可以成形，但由于频率较低，鱼鳞纹过于稀疏，可 能存在某些位置没有完全熔化的缺陷，如图3(b)所 示．当脉冲频率较高时，成形效果虽还基本可以满足 工艺要求，但焊缝的鱼鳞纹消失，如图3(C)所示．从 工艺实际效果来看，一般取5．O一10．0Hz． 图3 电流脉冲频率对焊缝成形的影响 Fig．3EffectsofpulsecurrentfrequencyOilweldshaping 2．4脉冲占空比的影响 焊接电流脉冲的占空比对焊缝成形也有重要影 响．设定峰值电流为100A、基值电流为20A、脉冲频 率为8Hz、机头转速为4r／min，电流上升和下降均为 脉冲方式，占空比为15％，所得电流波形和焊缝照片 见图4．对比图4和图5(c)可知，占空比过小导致峰值 电流时间过短，使得焊缝热输入不足，焊缝成形很差． 为便于参数调节，本研究将脉冲占空比固定为50％． 图4 占空比为15％时的焊接电流波形和焊缝照片 Fig．4Currentwaveformandphotoofweldshapingataduty ratioofl5％ 万方数据 第5期 王振民等：换热器管板的全位置自动化焊接工艺 103 2．5机头转速的影响 机头转速对焊缝成形有重要影响，在实际焊接 中，应该选择合适的机头转速和与之相匹配的焊接 电流，在保证焊缝质量的前提下，尽量提高工作效 率．设定峰值电流为100A，基值电流为20A，脉冲频 率为8Hz，占空比为50％，电流上升和下降均为脉 冲方式，改变机头的转速(分别为2、3、4r／rain)进行 焊接的焊缝效果如图5所示．由于机头匀速转动且在 焊接每道焊缝时机头旋转的角度一样，因此，机头转 速越慢，单个管板焊缝的焊接时间就越长，输入的线 能量越大．这样虽然会增加焊缝的熔深和熔宽，但过 慢的转速会严重影响工作效率，并且可能会出现管头 烧烂的情况．而转速过快，输入的线能量不足，则会出 现未焊透的情况．一般可在3-4r／min范围内取值． ‘aJ2r／mm ‘bJ3r／ram ∽J4r／nun 图5机头转速对焊缝的影响 Fig．5Effectsofrotatingspeedonweldshaping 2．6 电流上升和下降方式的影响 管板自动焊的焊接电流有电流上升阶段和电流 下降阶段．电流的上升、下降可分为直流和脉冲两种 方式．当采用直流方式时，电流在上升、下降阶段没 有脉冲，使得平均热输入量较高，在上升阶段的后期 和下降阶段的前期已经超过了正常焊接阶段，导致 焊缝在起弧和收弧位置的熔宽和堆高会比其他地方 大，并且没有鱼鳞纹，焊缝不够美观，如图6(a)所 示．采用脉冲方式进行电流上升、下降可以克服这个 缺点，如图6(b)所示，焊缝在各个位置的熔宽基本 一致，整个焊缝触感光滑、鱼鳞纹规则． 3换热器管板焊接工艺现场验证 通过上述试验研究，获得了换热器管板自动焊 的基本工艺．为验证该工艺在实际生产中的焊接效 果，本研究利用自行研制的管板自动化焊接系统在 国内某1GW超临界火电机组换热器管板施工现场 进行了现场焊接生产．该火电站单台机组换热器有 12万个管板焊口，施工现场以及焊接效果如图7所 示．工艺参数如下：峰值电流为100A，基值电流为 20A，脉冲频率为8Hz，占空比为50％，机头转速为 3r／min，电流上升及下降均采用脉冲方式．现场试焊 图6电流上升和下降方式对焊缝成形的影响 Fig．6Effectsofcurrentraisingandfallingmodeonweldshaping ‘a)焊接玛Il场 【b，焊接效果 图7换热器管板施工现场试焊 Fig．7On-siteweldingexperimentoftubesheetofheat exchanger 的管板焊缝熔宽一致，成形美观，焊缝外观以及耐压 泄漏试验均达到施工，说明本研究获得的焊接 工艺完全能够满足实际施工的需要． 4 结语 利用建立的换热器管板全位置自动化焊接试 验平台进行了工艺试验研究，获得了主要工艺参 数对焊接质量的影响规律，得到了确定工况下的 理想工艺；并在国内某1GW超临界火电机组换热 器管板施工现场进行了焊接生产，结果表明，用该 工艺参数所得焊缝宽度一致，成型美观，焊接质量 符合要求． 万方数据 104 华南理工大学学报(自然科学版) 第38卷 参考文献： [1]张忠厚，严冬，仇鹏．管一板全自动钨极氩弧焊接装置 的研制及主要参数的计算[J]．焊管，1999，22(5)：35— 37． ZhangZhong-hou，YahDang，QiuPeng．Fullautomatic TIGweldingmachineforpipe-plateseams[J]．Welded PipeandTube，1999，22(5)：35-37． [2]李敏，黄禹，龚时华，等．WZM·315C全自动管一板焊机 的研制[J]．电焊机，2007，37(8)：42-44． LiMin．HuangYu，GongShi-hua，eta1．Developmentof theWZMl-315Cstyletube·sheetweldingmachine[J]． ElectricWeldingMachine，2007，37(8)：42—44． [3]李晋．基于ARMCORTEX-M3的全数字化多功能管板 焊接电源的研究[D]．广州：华南理工大学机械与汽 车工程学院，2009：65-80． [4]王振民，白中启，孙雨，等．嵌入式数字化控制的核电 建设用多功能逆变焊机[J]．华南理工大学学报：自然 科学版，2008，36(10)：146-150． WangZhen—min，BaiZhong—qi，SunYu，eta1．Di舀tM 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currentof20—30A，apulsecurrentfrequencyof5一lOHz，adutyratioof50％，arotatingspeedof3-4r／min andapulsemodeforthecurrentrisingandfalling．Finally，thecorrectnessoftheoptimalconditionswasverified bytheon·siteweldingoftubesheetofheatexchangerfora1GWsupereriticalthermal—powergeneratingunit． Keywords：heatexchanger；titaniumalloytubesheet；all-positionautomaticwelding；weldingprocess 万方数据