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如何做好壓力容器焊接自動化的技術

  隨著時代的發展,壓力容器產品涉及航天、電力、化工、醫藥等諸多行業,其質量是否合格、是否安全可靠運行直接影響著我國工業的發展與人民的生活水平,壓力容器廣泛應用於電力、石油化工、製藥、煤炭等行業。提高其焊接質量和機械自動化水平對壓力容器乃至整個焊接行業都具有十分重要的意義。焊接領域影響著自動化技術、材料科學、環境、無損檢測、機械與腐蝕等多門學科。而焊接自動化技術是焊接領域的一個重要分支,對實現焊接自動控製具有重要意義。對於壓力容器來說,焊接自動化技術主要分為硬件和軟件兩方麵。硬件主要指壓力容器自動焊接設備和方法;軟件主要指計算機技術、電子技術、自動控製技術以及信息技術等進入壓力容器焊接領域而形成的焊接控製技術、人工智能技術及專家係統等。

  自動焊接設備

  在壓力容器的焊接生產過程中往往涉及到多種自動焊接設備,如:電渣焊機、埋弧焊機、氣體保護焊機(CO2焊機和氬弧焊機等)、等離子焊機等。我國壓力容器焊接自動化技術起始於20世紀五、六十年代,到目前為止取得了很大的成就。近年來,國產自動和半自動焊機已占焊機總量的20.55%,MIG/MAG焊機年增長63.12%,TIG焊機年增長19.24%,埋弧焊機年增長135.36%。逆變焊機作為一種新技術和新工藝,具有優良的焊接性能和電氣性能,適用於各種不同的弧焊方法和壓力容器多位置焊接。美國、日本逆變焊接的應用程度已達到30%,而我國的逆變焊機已經發展到第三代產品,在國內壓力容器行業的應用前景是十分樂觀的。如:東方鍋爐廠、海擎重工機械有限公司、蘭州石油化工機械廠等已將TIG、CO2逆變焊機等用於鍋爐、壓力容器的全位置焊接。在20世紀90年代初,國內已研製出多頭埋弧自動焊和多頭MAG自動專用焊機,目前國內已有十多家單位使用國產模式水冷壁專用焊機。現代焊接機器人尤其是弧焊機器人作為典型的程序控製柔性焊接係統,具有效率高、質量穩定等優點,在壓力容器焊接領域受到高度重視。柔性焊接機器人隨著其價格不斷降低將在我國推廣應用,成為焊接設備的微機自動化控製技術的一個發展方向。除此之外,一些工藝設備的改進,如:液壓封頭筒體對裝設備、萬向焊接轉台、小直徑筒體縱縫環縫自動焊裝置等,在很大程度上也提高了壓力容器焊接自動化程度。

  自動化焊接方法

  埋弧自動焊是目前壓力容器焊接的主要工藝方法,應用於封頭拚板焊縫、筒節縱環焊縫等,使焊接過程的自動化和機械化成為現實。但目前國內埋弧自動焊的控製係統大多仍采用簡單的模擬電路,整體性能有待進一步提高。堆焊技術主要用於厚壁壓力容器的焊接,其中帶極埋弧堆焊由於母材熔深淺且較均勻,對工件表麵質量要求低,成為國內外壓力容器內壁堆焊的主要方法。最近研製出的高速帶極堆焊法,與帶極埋弧堆焊相比,堆焊層邊界晶粒細小,雜質含量低,是一種經濟性較好的堆焊方法。窄間隙焊接技術對於厚壁壓力容器可進行全位置焊接,易於實現焊接過程的自動化。目前,該技術實現了焊前預置參數、自動穩定焊接電壓、電流和速度,並且具有高度和橫向自動跟蹤係統,實現焊縫的自動焊接。氣體保護焊具有電弧熱量集中,熔池小,結晶快及焊接過程無熔渣等優點,主要用於全位置和薄板焊接,有利於實現焊接過程的機械化和自動化。CO2焊是一種高效率焊接方法,我國石油天然氣第七建設公司從美國引進了球罐藥芯焊絲全位置自動焊接技術,焊接熔敷效率高、速度快,改善了焊接條件。TIG焊接技術主要用於對焊縫密封性能和力學性能要求高的壓力容器,能對熔深體積和形狀進行精確的控製,可較好地實現壓力容器的全位置焊接。激光自動焊接技術由於具有極高的能量密度,其HAZ區極小的特點,能焊接幾乎所有的金屬,可以進行全位置焊接,已向厚壁壓力容器焊接發展,但由於價格昂貴且設備笨重,在壓力容器的應用前景有待觀察。

  焊接控製技術

  近年來焊接自動控製技術在壓力容器行業得到了很大的發展。焊縫跟蹤是焊接自動化控製係統的一個重要組成部分,對實現壓力容器生產過程的焊接自動化意義深遠。目前,應用的焊縫跟蹤係統主要包括接觸式和非接觸式兩種類型。接觸靠模式跟蹤係統通過橫向跟蹤、縱向跟蹤和微調係統保持導電嘴和焊縫之間距離不變,實現環縫焊接自動化,但有時會因坡口及焊縫的加工裝配不均勻而影響傳感器的測量精度。非接觸式跟蹤係統與其它學科聯係緊密,目前國內外學者對此進行了不同程度的研究。非接觸式超聲波跟蹤傳感用到埋弧焊機上進行對焊縫坡口檢測的焊縫跟蹤,能滿足壓力容器製造的需要,儲罐,在低成本焊接自動化具有較好的應用前景。基於CCD視覺焊縫跟蹤係統可以用於埋弧焊、等離子弧焊等多種焊接方法和設備中,但鑒於焊接過程的應用環境惡劣,傳感器要受到弧光、高溫、煙塵等的幹擾,使傳感器的精度、抗幹擾性能和靈敏度受到不同程度影響。雖然迄今為止已研究出多種自動跟蹤方法,但大多數還處於試驗階段。隨著計算機信息技術的發展和新型傳感方式的研究,焊縫跟蹤技術將會在壓力容器行業得到廣泛應用,進一步提高壓力容器焊接過程的自動化和智能化程度。

  人工智能技術及專家係統

  人工智能技術在焊接過程中具有代表性的是模糊控製係統、神經網絡控製係統和焊接專家係統。I11-Soo Kim等將人工神經網絡引入GMA焊接方法來預測焊接區寬度,拓寬了GMA焊接的應用領域。目前,美國、日本等國家相繼在工藝製定、缺陷分析、材料選擇和設備選擇等方麵開展了一係列研究開發。美國Adaptive Technologies公司開發的Camtech 100和Adaptitech 1000可完成零件定位、焊接操作和質量檢查等功能,係統能根據來自傳感器的光、溫度、電弧等信息,自動調整焊接路徑、線能量、送絲速度和擺動參數等,並可優化多道焊參數。日本NKK公司開發的“焊接參數控製專家係統”可給出最優焊接參數,以保證恒定的熔深及焊接高度。我國在這領域也相繼開發了不同類型的應用軟件,其中清華大學開發的“通用型弧焊工藝專家係統QHWES”因其較強的適應性和再開發能力而獨具特色。壓力容器焊接專家係統在遼寧省錦西化工機械廠和錦州重型機械廠取得良好的效果。目前國內外已形成多種商品化產品,且有廣闊的發展和應用前景。

  質檢人員應能夠具備相應工作能力,掌握檢驗技能與方法,針對監檢工作特殊性,以監檢工作關鍵環節為重點,嚴格執行有關要求,降低事故隱患,保證特種設備安全運行,更好地服務企業,為經濟發展做出貢獻。開發新的焊接設備與工藝方法,充分借助電子信息技術、計算機技術和自動控製技術等實現焊接過程控製係統的智能化、焊接生產係統的柔性化以及焊接生產係統的集成化,從而使壓力容器的焊接自動化水平提高到一個新的層次。

  (作者單位:江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院泰州分院)

  《中國質量技術監督》2015年3月刊


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