大容量電站鍋爐鍋筒結(jié)構(gòu)如（圖1）所示，其最大壁厚已超過(guò)200mm。高壓加氫反應(yīng)器和核能容器的壁厚已接近300mm。不言而喻，焊接工作量相當(dāng)大，必須采用各種高效焊接方法，按傳統(tǒng)的制造工藝，縱縫采用三絲電渣焊一直應(yīng)用至今，是目前焊接效率最高的熔焊方法。對(duì)于600MW亞臨界超高壓鍋爐鍋筒，由于壁厚不等，不能采用電渣焊而改用埋弧焊。某些國(guó)外鍋爐制造廠大多采用多絲埋弧焊。在我國(guó)，如哈爾濱鍋爐廠則采用窄間隙埋弧焊，可以達(dá)到更高的焊接效率。
鍋筒環(huán)縫傳統(tǒng)的焊接方法是標(biāo)準(zhǔn)寬坡口單絲埋弧焊或雙絲埋弧焊，盡管埋弧焊已屬于高效焊接工藝方法，但因環(huán)縫數(shù)量較多，焊接周期較長(zhǎng)，往往成為鍋筒或高壓容器焊接生產(chǎn)的瓶頸。為此，在上世紀(jì)80年代初開展了一系列的試驗(yàn)研究，并開發(fā)成功厚壁接頭窄間隙埋弧焊新工藝，即在（圖2）所示的窄間隙內(nèi)連續(xù)多層多道完成厚壁接頭的焊接。1984年，哈爾濱鍋爐廠率先從瑞典ESAB公司引進(jìn)一套EHD 窄間隙埋弧焊系統(tǒng)，包括4×4立柱橫梁操作機(jī)、100T自動(dòng)防竄滾輪架、自動(dòng)跟蹤窄間隙埋弧焊機(jī)頭和LAF-1000 埋弧焊電源及自動(dòng)控制系統(tǒng)，其外形示于（圖3）。窄間隙埋弧焊與傳統(tǒng)的寬坡口埋弧焊相比具有下列突出的優(yōu)點(diǎn)：1）窄間隙埋弧焊的坡口截面積與常規(guī)寬坡口截面積相比，按接頭的寬度約可減少30%~60%。填充焊絲和焊劑的消耗量相應(yīng)減少35%以上。當(dāng)接頭壁厚大于50mm時(shí)，焊接效率可提高1.5~3倍。接頭壁厚愈大，效率提高的倍數(shù)愈多。2）焊縫截面和焊道層次的減少使接頭的焊接殘余應(yīng)力明顯下降。同時(shí)也降低了厚壁焊縫中積累的氫含量，從而提高了低合金鋼焊縫金屬的抗冷裂能力。這樣，可簡(jiǎn)化焊接工藝，適當(dāng)降低預(yù)熱溫度和焊后熱處理溫度或縮短熱處理保溫時(shí)間，對(duì)于某些類型的低合金鋼厚壁焊縫，甚至可取消氫處理或中間熱處理。3）在不降低焊接總效率的前提下, 可實(shí)現(xiàn)低熱輸入焊接工藝，并通過(guò)對(duì)焊道成形和尺寸的控制，可充分利用焊道的重復(fù)熱作用，減少或消除部分焊縫和熱影響區(qū)的粗晶組織，從而明顯地提高焊接接頭各區(qū)的沖擊韌度和抗斷裂能力。4）在兩側(cè)壁幾乎平行的坡口內(nèi)焊接時(shí)，母材對(duì)焊縫金屬的稀釋大為減少，并可基本保持恒值，這就提高了各道焊縫金屬成分的均一性，并可利用焊絲-焊劑間的冶金反應(yīng)獲得高質(zhì)量、高純度的焊縫金屬，由此可采用合金成分較低的焊絲完成力學(xué)性能合符要求的厚壁接頭，進(jìn)一步提高了它的經(jīng)濟(jì)性。多年的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，厚壁焊縫窄間隙埋弧焊接法不失為一種高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的先進(jìn)焊接工藝方法，并在各大鍋爐和壓力容器制造廠得到推廣應(yīng)用。目前，在國(guó)內(nèi)已得到穩(wěn)定成功使用的窄間隙埋弧焊系統(tǒng)有20多套，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。為在厚壁鍋筒和壓力容器縱環(huán)縫成功地應(yīng)用窄間隙埋弧焊，必須攻克以下技術(shù)難關(guān)。首先，必須研制出在窄縫內(nèi)焊接時(shí)脫渣性良好的特種焊劑。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)確認(rèn)，國(guó)產(chǎn)SJ101、SJ102燒結(jié)型焊劑，無(wú)論從冶金特性, 還是脫渣性均能滿足厚壁窄間隙埋弧焊的要求，這為全面推廣這種先進(jìn)工藝方法創(chuàng)造了有利的條件。第二，為在窄間隙內(nèi)焊制無(wú)缺陷的高質(zhì)量焊縫, 在多道連續(xù)焊接過(guò)程中，焊絲至坡口側(cè)壁的間距和焊絲伸出長(zhǎng)度必須嚴(yán)格保持一致。因此，焊接機(jī)頭必須配備高精度的二維跟蹤系統(tǒng)和焊嘴自動(dòng)偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。在筒體環(huán)縫焊接時(shí)，還應(yīng)配備自動(dòng)防偏移滾輪架，使工件在長(zhǎng)時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生軸向位移，保證焊嘴始終處于坡口中心位置。第三，必須提高坡口加工和接縫組裝精度，保證接縫幾何尺寸的一致性。過(guò)大的間隙偏差可能使焊絲-側(cè)壁間距超出容許范圍而導(dǎo)致焊接缺陷的形成。符合上述要求的窄間隙埋弧焊機(jī)頭除了瑞典ESAB公司已定型生產(chǎn)外，國(guó)內(nèi)哈爾濱焊接研究所也開發(fā)成功，并已投放市場(chǎng)多年，對(duì)推廣窄間隙埋弧焊起到了積極的推動(dòng)作用。為進(jìn)一步提高厚壁接頭窄間隙埋弧焊的效率，最近已研制成功雙絲串列電弧窄間隙埋弧焊裝置。圖5示出了ESAB公司近期開發(fā)的全自動(dòng)雙絲窄間隙埋弧焊機(jī)頭外形。3 大直徑厚壁接管的焊接技術(shù)
在厚壁鍋筒和高壓容器的筒身和封頭上，基于介質(zhì)工作流程的需要，通常需焊接大量直徑不同的接管，其中系大直徑厚壁接管（d≥450mm）的焊接工作量最大。為了保證接管焊縫的強(qiáng)度，要求采用圖6所示的全焊透接頭。這種接管焊縫不僅填充金屬量大, 而且焊縫軌跡呈馬鞍形，焊接操作難度較大，不易實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)化, 最原始的焊接工藝方法是采用焊條電弧焊或藥芯焊絲電弧焊，焊接效率低, 且焊工的勞動(dòng)條件差。因此，許多焊接工作者都在致力于探索切實(shí)可行的解決辦法?？偨Y(jié)以往幾十年的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中已得到成功應(yīng)用的解決方案有以下幾種：3.1 大直徑接管機(jī)械靠模埋弧焊專機(jī)這種專機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，其特點(diǎn)是心軸撐緊于接管內(nèi)孔，并與之同心，焊接機(jī)頭和懸臂固定在心軸套筒上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作360°旋轉(zhuǎn)。機(jī)械靠模使焊槍準(zhǔn)確地沿坡口的馬鞍形曲線移動(dòng)，集電環(huán)裝置可避免焊接電纜在焊機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生纏繞。這種接管焊機(jī)的缺點(diǎn)是焊接過(guò)程中，焊機(jī)操作工仍需隨時(shí)監(jiān)視焊槍的位置，并作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。3.2通用自動(dòng)焊接中心解決方案如采用單節(jié)筒身上焊接接管的制造工藝方案，則可利用由立柱橫梁操作機(jī)與焊接變位機(jī)組合使用的自動(dòng)焊接中心焊接大直徑接管，如圖8所示。在這種情況下，裝有二維跟蹤系統(tǒng)的焊接機(jī)頭可使焊槍跟蹤接縫的馬鞍形軌跡運(yùn)動(dòng)，變位機(jī)則使接管繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)，并將預(yù)設(shè)的程序作適度的傾斜，以使焊接熔池始終處于平焊位置，容許采用較高的熱輸入焊接，達(dá)到較高的焊接效率。焊接大直徑馬鞍形接管時(shí)，焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡是復(fù)雜多變的，它要求操作機(jī)和變位機(jī)共6軸的協(xié)調(diào)動(dòng)作（如圖9所示）。整個(gè)焊接過(guò)程由PLC程序控制。
3.3 自適應(yīng)控制全自動(dòng)接管焊接系統(tǒng)按鍋筒和壓力容器傳統(tǒng)的制造工藝流程。大直徑接管總是在筒體總裝后再組焊，因此上述解決方案有很大的局限性，而必須采用直接安裝在接管上的自動(dòng)焊接系統(tǒng)。圖10示出意大利Amsaldo公司于上世紀(jì)80年代后期推出的自適應(yīng)控制全自動(dòng)接管焊接系統(tǒng)外貌。其由垂直移動(dòng)軸（Y）、徑向運(yùn)動(dòng)軸（Z）、旋轉(zhuǎn)軸和探頭橫向移動(dòng)軸（W）組成，也可與變位機(jī)和滾輪架組合使用，使焊接熔池始終處于平焊位置，如圖11所示。這種自動(dòng)焊接系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是，焊前只需預(yù)設(shè)接縫寬度，控制系統(tǒng)即自行編程，確定焊道數(shù)、焊接順序和焊接速度。焊接過(guò)程中，探頭實(shí)測(cè)接縫的寬度并與預(yù)設(shè)值比較，修正每層的焊道數(shù)和焊接參數(shù)，保證焊道的最佳成形和與坡口側(cè)壁的良好熔合。這種接管焊接系統(tǒng)適用于接管直徑范圍為φ355~1355mm，接縫馬鞍形斜率r/R≤1/2。Z軸和Y軸的定位精度為0.2mm。適用范圍較廣，可以滿足極大多數(shù)常用規(guī)格接管的焊接要求，并實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的全自動(dòng)化，從根本上解決了大直徑接管焊接自動(dòng)化的難題。但必須指出，推廣應(yīng)用這種自適應(yīng)控制全自動(dòng)接管焊接系統(tǒng)的必要前提是筒身上的接管開孔坡口應(yīng)采用機(jī)械加工方法（如鏜孔）進(jìn)行加工，以使接縫寬度和坡口面的尺寸偏差在機(jī)械化焊接容許的范圍之內(nèi)。1987年，哈爾濱鍋爐廠曾向意大利Amsaldo公司訂購(gòu)了兩套這類接管焊接系統(tǒng)，為該廠實(shí)現(xiàn)大直徑接管焊接自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)已有多家焊接自動(dòng)化設(shè)備專業(yè)生產(chǎn)公司可自行設(shè)計(jì)和制造大直徑馬鞍形接管自動(dòng)焊專機(jī)，并在鍋爐壓力容器生產(chǎn)中得到了實(shí)際的應(yīng)用，但某些機(jī)型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接過(guò)程中操作工仍需不斷監(jiān)視和調(diào)整，有待進(jìn)一步提高焊接自動(dòng)化的程度。4 鍋爐集箱縱環(huán)縫的焊接技術(shù)鍋爐集箱是電站鍋爐重要的高溫高壓部件之一，其典型結(jié)構(gòu)如圖12所示。對(duì)于200MW及以下的電站鍋爐，集箱筒體多半采用大直徑厚壁無(wú)縫鋼管。而對(duì)于300MW及以上的大容量電站鍋爐，由于集箱筒體直徑大幅度增加，直徑大于600mm集箱筒體則采用鋼板壓制成形并以1條或2條縱縫組焊而成。集箱筒體縱縫通常采用單絲、多絲或窄間隙埋弧焊等高效焊接方法, 焊接工藝及設(shè)備與鍋筒縱縫焊接基本相同。
集箱筒體間以及與封頭或端蓋之間的環(huán)縫，因數(shù)量較多焊接工作量相當(dāng)大。由于集箱筒體的內(nèi)徑大多在600 mm以下，且端蓋的深度較淺，從筒體內(nèi)部焊接十分困難。按傳統(tǒng)的制造工藝規(guī)程，通常采用圖13A所示鎖口接頭, 可從外部先以焊條電弧焊打底2~3層，再采用埋弧焊填充蓋面。但這種接頭形式的致命弱點(diǎn)是在鎖口部位容易產(chǎn)生間隙腐蝕，且由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致集箱運(yùn)行壽命的縮短。為確保電站鍋爐的運(yùn)行安全，將集箱環(huán)縫對(duì)接坡口改成圖13B所示單面全焊透的形式，并以鎢極氬弧焊封底，形成單面焊雙面成形的焊道，再用焊條電弧焊加厚，最后用埋弧焊填充蓋面。這種焊接工藝雖然確保了接頭的質(zhì)量，但焊接效率有所下降，勢(shì)必要尋求一種效率較高的焊接工藝方法。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的對(duì)比分析和大量的試驗(yàn)研究可以認(rèn)定，對(duì)于壁厚80mm以下集箱對(duì)接環(huán)縫，采用坡口寬度僅12mm 的窄間隙熔化極脈沖電弧氣體保護(hù)焊, 可以在提高焊接效率的同時(shí)，取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。這種焊接工藝方法的工作原理示于圖14。與窄間隙埋弧焊相比，可以節(jié)省更多的焊接材料，焊接效率提高1~2倍，接頭的力學(xué)性能進(jìn)一步改善。1974~1978年，哈爾濱鍋爐廠曾成功地將窄間隙熔化極脈沖電弧氣體保護(hù)焊用于碳鋼和低合金耐熱鋼集箱環(huán)縫的焊接，取得了令人滿意的效果。5 鍋爐集箱密排接管的焊接技術(shù)集箱筒體上焊有密排接管是其固有的特點(diǎn)，一臺(tái)200MW電站鍋爐集箱上接管的總數(shù)接近1萬(wàn)個(gè)，焊接任務(wù)量極其繁重。由于這些接管大多數(shù)是密排布置，接管的間距較小，焊接自動(dòng)化的難度較大。長(zhǎng)期以來(lái)，大多采用焊條電弧焊，但效率低下，且焊接質(zhì)量不易保證。近期，許多鍋爐制造廠改用實(shí)芯焊絲或藥芯焊絲氣體保護(hù)半自動(dòng)焊，效率可提高0.5~1倍，焊材節(jié)約20%~30%，但仍擺脫不了手工操作，因氣體保護(hù)焊焊槍重量大于焊條電弧焊焊鉗，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度反而增加，因此，推廣這種半自動(dòng)焊的阻力較大，且必須探索更先進(jìn)和實(shí)用的解決辦法。從近期的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，焊接機(jī)械手和焊接機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)集箱密集接管焊接機(jī)械化和自動(dòng)化的有效途徑。5.1集箱接管焊接機(jī)械手。圖15示出意大利Amsaldo公司研制成功的計(jì)算機(jī)控制的集箱接管焊接機(jī)械手系統(tǒng)全貌。焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示于圖16，可以連續(xù)自動(dòng)焊接局部焊透和全焊透管接頭形式，如圖17所示。該機(jī)械手由旋轉(zhuǎn)軸Φ、垂直運(yùn)動(dòng)軸Z和橫向移動(dòng)軸X組成，均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)氣動(dòng)脹緊機(jī)構(gòu)將機(jī)械手在接管上定位和對(duì)中。焊接過(guò)程中，借助電弧參數(shù)的控制使焊槍自動(dòng)跟蹤接縫。PC機(jī)可對(duì)焊接參數(shù)A/V、送絲速度、擺動(dòng)幅度和兩側(cè)停留時(shí)間進(jìn)行程序控制。計(jì)算機(jī)軟件可使焊槍完成d1/d2≤1/3的馬鞍形曲線運(yùn)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)最多達(dá)15層焊道的連續(xù)焊接而無(wú)需操作工干預(yù)。機(jī)械手包括RST1和RST2 兩種型號(hào)，可焊的接管直徑相應(yīng)為28 ~100mm和80~400mm。管接頭間距取決于接頭形式，全焊透為45mm，局部焊透為35mm。焊接方法為實(shí)芯焊絲脈沖電弧混合氣體保護(hù)焊。如改用自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊，則管接頭間距可減小至25mm。圖18示出采用這種焊接機(jī)械手焊接的管接頭焊縫橫剖面，表明焊縫質(zhì)量良好。5.2 集箱接管焊接機(jī)器人工作站。集箱密排接管采用焊接機(jī)器人自動(dòng)焊接理應(yīng)是最佳的解決方案，不少鍋爐制造廠，如“武鍋”、“上鍋”和“哈鍋”曾從國(guó)外引進(jìn)了集箱接管焊接機(jī)器人，但使用效果不甚理想。這主要?dú)w因于早期的焊接機(jī)器人功能達(dá)不到集箱密排接管焊接的技術(shù)要求。最主要的是必須掌握以下兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即焊槍在待焊接管起弧點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)和精確定位及焊槍在焊接過(guò)程中自動(dòng)跟蹤接縫的軌跡；其次應(yīng)當(dāng)選定適于機(jī)器人焊接，并能確保焊縫質(zhì)量的焊接工藝方法。圖19示出近期研制成功的集箱接管焊接機(jī)器人工作站全貌。其由倒置安裝的6軸機(jī)器人、懸臂橫梁、軌道行走平車、翻轉(zhuǎn)機(jī)、焊接電源和送絲機(jī)及中央控制器等組成，配備焊縫檢測(cè)定位和接縫軌跡跟蹤系統(tǒng)，確保焊槍在待焊接縫起始點(diǎn)準(zhǔn)確定位，通過(guò)對(duì)電弧參數(shù)的控制自動(dòng)跟蹤接縫的軌跡。中央控制器可按預(yù)編程序協(xié)調(diào)控制工作站的所有模塊。計(jì)算機(jī)軟件則對(duì)機(jī)器人工作站各運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)作進(jìn)行程序控制和管理，并使其具有人機(jī)對(duì)話和故障診斷功能。該機(jī)器人工作站在20000 mm行程內(nèi)重復(fù)定位精度為0.2mm，機(jī)器人各軸的重復(fù)定位精度為0.1mm；適用的接管外徑為25~150mm，接管最大高度為1000mm，接管壁厚為3~15mm；最小軸向和周向管間距為50mm；焊接工藝方法為優(yōu)化脈沖MIG/MAG焊；如改用自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊可將管間距減小至35mm。按上述技術(shù)特性數(shù)據(jù), 這種機(jī)器人工作站可以滿足大多數(shù)集箱接管焊接的技術(shù)要求。6 鍋爐受熱面部件的焊接技術(shù)鍋爐受熱面部件包括省煤器、過(guò)熱器和再熱器，其典型結(jié)構(gòu)形式示于圖20。這些部件的制造工藝大致相同, 即先將直管采用各種焊接方法接長(zhǎng)到規(guī)定的長(zhǎng)度，然后在系統(tǒng)彎管機(jī)上彎成蛇形管，最后組裝成管屏，由于上述受熱面部件焊接和彎管的工作量極大，大多數(shù)鍋爐制造廠都采用如圖20 所示的蛇形管焊接生產(chǎn)線進(jìn)行制造。對(duì)于某些特殊彎管部件，必須采用先彎后焊的制造工藝。在這種情況下，可以采用全位置手工氬弧焊和自動(dòng)氬弧焊完成管件的對(duì)接。目前在直管接長(zhǎng)中應(yīng)用的焊接工藝方法主要有：摩擦焊、閃光電阻對(duì)焊、中頻感應(yīng)加熱壓力焊、自動(dòng)TIG 焊、等離子弧焊、自動(dòng)MIG/MAG焊和熱絲TIG焊等。前三種壓力焊方法主要用于中、高壓電站鍋爐蛇形管部件的生產(chǎn)，對(duì)于超高壓和超臨界大型電站鍋爐，相應(yīng)的制造規(guī)程要求對(duì)受熱面部件管子對(duì)接接頭作100%X射線檢測(cè), 因此必須采用上列各種熔焊方法。焊管機(jī)的結(jié)構(gòu)基本上采取管子旋轉(zhuǎn)機(jī)頭固定不動(dòng)的形式，如圖21所示。鍋爐受熱面部件都是采用直徑φ60mm以下的小直徑管制成，管子的壁厚按工作壓力和鋼種，在2.5~13mm范圍內(nèi)變動(dòng)。管壁5mm以下的為薄壁管, 管壁6mm以上則為厚壁管。各種熔焊方法的適用范圍基本上可按管壁厚度加以劃分。6.1 自動(dòng)TIG焊。TIG焊按填絲方式分自熔TIG焊和填絲TIG焊；按所用的焊接電流種類可分直流TIG焊和直流脈沖TIG焊，其共同特點(diǎn)是在低電流下電弧十分穩(wěn)定，焊縫成形美觀，容易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形封底焊道，特別適用于小直徑薄壁管的焊接。小直徑薄壁管對(duì)接焊的主要問(wèn)題是熔池的熱量不易散失，冷卻速度慢, 容易造成過(guò)熱而導(dǎo)致出現(xiàn)焊瘤，甚至焊穿。因此必須采取相應(yīng)的工藝措施, 加快冷卻速度，防止過(guò)熱。當(dāng)管子壁厚大于3mm連續(xù)多層焊時(shí)，應(yīng)按圖22 所示在管子的下半圓加設(shè)水冷銅塊。另一方面設(shè)計(jì)合理的坡口形式和尺寸, 盡量減少焊縫的層數(shù)和熔敷金屬量。在生產(chǎn)中實(shí)際使用的坡口形式和尺寸如圖23所示。對(duì)于壁厚小于3mm的小直徑管對(duì)接接頭，自動(dòng)TIG焊時(shí)不必加水冷銅塊，但為保證焊縫成形良好，弧坑部位不致下塌，采用了直流低頻脈沖TIG 焊，焊接質(zhì)量十分穩(wěn)定。自動(dòng)TIG焊的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以用于碳鋼、低合金鋼、鉻鉬耐熱鋼和高鉻鎳奧氏體耐熱鋼等任何鍋爐用鋼，焊縫合格率通常在98%以上。在我國(guó)各鍋爐制造廠的鍋爐受熱面部件生產(chǎn)中，自動(dòng)TIG焊已成為普遍采用的焊接工藝方法。自動(dòng)TIG焊的缺點(diǎn)是焊接效率較低，不適宜用于壁厚5mm以上的小直徑厚壁管。6.2 自動(dòng)等離子弧焊。等離子弧焊與傳統(tǒng)的TIG焊相比，電弧溫度高且能量集中，等離子弧的穿透能力強(qiáng)，并具有鎖孔效應(yīng)，即焊接熔池被等離子弧穿透形成小孔后，隨著焊槍的前移，小孔很快被熔池金屬填滿，而形成雙面成形的焊道。這歸因于等離子弧焊焊縫酒杯狀獨(dú)特的形狀，如圖24所示。利用等離子弧焊這一特點(diǎn)焊接小直徑管可以比TIG焊成倍提高焊接效率, 并可焊制出質(zhì)量?jī)?yōu)良、成形美觀的焊縫，見(jiàn)圖25。小直徑管對(duì)接縫等離子弧焊時(shí)，因電弧能量比較集中，不像TIG焊那樣容易產(chǎn)生過(guò)熱，但在環(huán)縫接頭收口部位，如不采取適當(dāng)工藝措施，仍可能產(chǎn)生熔池下陷，甚至形成焊瘤，因此在收弧階段應(yīng)按預(yù)設(shè)的程序衰減離子氣流和焊接電源。哈爾濱鍋爐廠曾將這種先進(jìn)的焊接工藝成功地用于φ42mm×5mm，12- Cr1MoV和φ42mm×3.5mm，12Cr1Mo-WVTiB低合金鋼管蛇形管部件的批量生產(chǎn)，取得了令人滿意的效果。上海鍋爐廠亦曾將等離子弧焊工藝用于彎管部件對(duì)接接頭的全位置焊, 為保證在立焊和仰焊位置焊縫的良好成形，采用了直流低頻脈沖焊接電源, 并對(duì)焊接工藝參數(shù)分段進(jìn)行程序控制，焊接效率比全位置自動(dòng)TIG焊高1~2倍。6.3 自動(dòng)熱絲TIG焊。為克服TIG焊效率較低的弱點(diǎn)，早在上世紀(jì)80年代就開發(fā)成功熱絲TIG焊工藝方法，即將填充焊絲在進(jìn)入焊接熔池之前，采用獨(dú)立的電源加熱到紅熱狀態(tài)（見(jiàn)圖26）, 大大加快了焊絲的熔化速度，其熔敷率相當(dāng)于相同焊絲直徑在相同焊接電流下MIG焊的熔敷率。因此，這種焊接工藝方法既有TIG焊的特點(diǎn)，又具有MIG焊的高效率，十分適用于小直徑厚壁管的對(duì)接焊。1987年，“哈鍋”和“東鍋”從加拿大C.E公司引進(jìn)了直管對(duì)接自動(dòng)TIG 焊設(shè)備共3臺(tái)，并于次年投入膜式水冷壁直管接長(zhǎng)焊接生產(chǎn)，在提高焊接效率的同時(shí)，焊接質(zhì)量十分穩(wěn)定。最近，“上鍋”和“哈鍋”又相繼從法國(guó)Polysouole公司引進(jìn)技術(shù)更先進(jìn)、自動(dòng)化程度更高的直管接長(zhǎng)自動(dòng)熱絲TIG焊設(shè)備。圖27示出這種設(shè)備的外形。其由焊接機(jī)床本體、左右雙夾緊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、焊接機(jī)頭、600PC型晶體管逆變焊接電源和計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)組成。焊接機(jī)頭裝有3套送絲機(jī)構(gòu)，可快速切換所需焊絲種類，節(jié)省更換焊絲的輔助時(shí)間，見(jiàn)圖27。焊接機(jī)頭還裝有焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和AVC自動(dòng)控制器，適用于厚壁管對(duì)接接頭連續(xù)多層焊，焊接程序可利用筆記本電腦和專用的軟件進(jìn)行編程，使用方便，焊工經(jīng)短期培訓(xùn)后即可掌握，圖28示出這種自動(dòng)熱絲TIG焊管設(shè)備的全貌。該自動(dòng)熱絲TIG焊設(shè)備適用的管徑范圍為32~76mm，管壁厚度3~13mm，直管接長(zhǎng)總長(zhǎng)86m。該設(shè)備在“上鍋”和“哈鍋”穩(wěn)定用于直管接長(zhǎng)焊接生產(chǎn)多年，積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)，并證明熱絲TIG焊是厚壁管對(duì)接高效、優(yōu)質(zhì)的焊接方法，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。同時(shí)也向國(guó)內(nèi)專用焊接設(shè)備制造廠提出新產(chǎn)品開發(fā)方向。6.4 自動(dòng)脈沖電弧MIG/MAG焊。電站鍋爐受熱面部件蛇形管的壁厚隨著鍋爐工作參數(shù)的提高而增大。在300MW 以上大容量亞臨界和超臨界電站鍋爐中，壁厚大于8mm的厚壁管占有相當(dāng)大的比重，焊接工作量驟增，必須采用能適應(yīng)小直徑管焊接工藝特點(diǎn)的高效焊接法。早在上世紀(jì)80年代初期，為加快大容量電站鍋爐國(guó)產(chǎn)化的速度，哈鍋和上鍋從美國(guó)C.E公司引進(jìn)了600MW、300MW電站鍋爐設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。該公司在鍋爐受熱面部件的小直徑厚壁管生產(chǎn)中主要采用了自動(dòng)脈沖電弧MIG /MAG焊工藝方法。根據(jù)技術(shù)引進(jìn)合同, 哈鍋和上鍋在厚壁管的生產(chǎn)中采用了這種先進(jìn)高效的焊接方法，并從C.E 公司訂購(gòu)了直管接長(zhǎng)自動(dòng)脈沖電弧MIG /MAG焊設(shè)備。經(jīng)過(guò)必要的焊接工藝試驗(yàn)后投入了試生產(chǎn)，但焊縫的合格率總是達(dá)不到工廠規(guī)定的最低合格率95%。焊接缺陷主要是根部焊道起弧點(diǎn)的未焊透。為查明這種未焊透形成的原因，對(duì)引弧過(guò)程的電流波形進(jìn)行了檢測(cè)和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原引進(jìn)的自動(dòng)脈沖電弧MIG/MAG焊設(shè)備所配的PA -3型焊接電源在引弧過(guò)程中的電參數(shù)很不穩(wěn)定。引弧瞬間焊接電流上升到額定值的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.163s，從電弧引燃到穩(wěn)定燃燒，并形成射流過(guò)渡的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4s。因此很容易由于電弧起始熱量不足而形成未焊透。試驗(yàn)證明，PA -3型焊接電源的動(dòng)態(tài)特性不能滿足小直徑厚壁管特殊的焊接要求。為解決這一技術(shù)難題，哈鍋于1987年與日本大阪變壓器公司聯(lián)合研制了直管接長(zhǎng)MIG/MAG焊機(jī)專用的晶體管脈沖焊接電源，并將提高引弧瞬間焊接電流的上升速率作為主要考核指標(biāo)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，最終將引弧電流上升速率縮短到了20ms，比原配PA-3晶閘管焊接電源快了8倍多。大量的直管對(duì)接焊試驗(yàn)證明，采用改進(jìn)型晶體管脈沖焊接電源可完全消除根部焊道起弧點(diǎn)的未焊透。批量試生產(chǎn)的焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明，合格率達(dá)98%，符合焊接生產(chǎn)線對(duì)焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性的要求。改進(jìn)型晶體管脈沖焊接電源定名為TRA -350型，并作為大阪變壓器廠的定型產(chǎn)品推向市場(chǎng)。TRA-350型晶體管焊接電源還配置了填補(bǔ)弧坑的控制模塊。通過(guò)調(diào)節(jié)填補(bǔ)弧坑時(shí)的電弧電壓和焊接電流控制焊縫成形，穩(wěn)定了小直徑管對(duì)接環(huán)縫收口的質(zhì)量。除了上述焊接電源輸出特性以外, 接頭的坡口形式和尺寸、組裝質(zhì)量對(duì)引弧的穩(wěn)定性和起始點(diǎn)的質(zhì)量都有一定的影響。曾試驗(yàn)了圖29所示3種形式的坡口，其中第1種和第2種坡口形式, 引弧過(guò)程穩(wěn)定，焊道成形良好，且容易達(dá)到全焊透；第3種坡口形式因不易保證組裝質(zhì)量，根部焊道起始點(diǎn)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。最好將管端內(nèi)孔加工修正，消除接縫錯(cuò)邊。此外還應(yīng)控制接縫組裝間隙不大于0.5mm。自動(dòng)脈沖電弧MIG/MAG焊經(jīng)過(guò)上述焊接電源和焊接工藝的改進(jìn)后，已穩(wěn)定地用于從碳鋼到鉻鎳奧氏體鋼各種小直徑厚壁管的接長(zhǎng)對(duì)接，對(duì)按質(zhì)、按期完成大容量電站鍋爐生產(chǎn)任務(wù)，作出了積極的貢獻(xiàn)，開創(chuàng)了MIG/MAG焊在高溫高壓部件上生產(chǎn)性應(yīng)用的新局面。尤其是全數(shù)字控制MIG/MAG焊設(shè)備技術(shù)相當(dāng)成熟的今天，MIG/MAG焊在該重要工程領(lǐng)域內(nèi)必將發(fā)揮更大的作用。6.5固定管對(duì)接全位置焊。某些鍋爐受熱面部件，由于受結(jié)構(gòu)形狀的限制必須采用先彎后焊的制造工藝。在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)鍋爐中，為提高受熱面部件的熱效率，采用了鰭片管作為受熱元件。在這種情況下，必須先組裝鰭片管管系，再逐排組焊彎頭，如圖30所示。上述部件的管子對(duì)接焊時(shí), 管件都不能自身轉(zhuǎn)動(dòng)而必須采用全位置焊，在工程上統(tǒng)稱為固定管對(duì)接全位置焊。目前，在鍋爐受熱面部件生產(chǎn)中, 固定管對(duì)接接頭的全位置焊最常用的方法是手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)鎢極氬弧焊。由于小直徑管對(duì)接接頭的焊接操作難度較大，技術(shù)要求復(fù)雜，手工氬弧焊不僅效率低，質(zhì)量也不是很穩(wěn)定。培養(yǎng)一名勝任這項(xiàng)工作的焊工往往需要3年以上的培訓(xùn)期，因此采用全位置自動(dòng)氬弧焊，無(wú)論從技術(shù)上，還是從經(jīng)濟(jì)上考慮，都是一種勢(shì)在必行的選擇。如“哈鍋”為完成第1臺(tái)600 MW大容量電站鍋爐的試制任務(wù)，曾從美國(guó)MAGNATECH公司引進(jìn)了一臺(tái)400系管子對(duì)接全位置自動(dòng)氬弧焊機(jī), 主要用于質(zhì)量要求高、操作難度大的過(guò)熱器鉻鎳奧氏體鋼管對(duì)接接頭的全位置焊，取得了令人滿意的效果。繼后又從瑞典ESAB公司訂購(gòu)了A21 PRC 33-90型固定管全位置自動(dòng)氬弧焊機(jī), 焊接機(jī)頭的外形示于圖31，焊槍裝有橫擺機(jī)構(gòu)和AVC控制器，焊接電源可精確分段程序，控制主要焊接工藝參數(shù)，可焊接的最大管壁厚度達(dá)13mm。在生產(chǎn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)鍋爐中, 哈鍋又從法國(guó)Polysoude公司一次訂購(gòu)6 臺(tái)MU IV型管-管對(duì)接全位置自動(dòng)氬弧焊機(jī)。這種開啟式焊管機(jī)頭結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、操作方便，其外形示于圖32。配PS-254型晶體管逆變焊接電源，可最多分10段程序，控制各主要焊接工藝參數(shù)，典型的參數(shù)程控曲線如圖33所示。此外還可在面板屏幕上數(shù)顯實(shí)時(shí)顯示焊接電流，電弧電壓和焊炬的旋轉(zhuǎn)角度，并可儲(chǔ)存60個(gè)預(yù)置程序，按需調(diào)用。PS-254型焊接電源的外形和控制面板的布置示于圖34。上述這種全位置自動(dòng)焊管機(jī)在“哈鍋”聯(lián)合循環(huán)鍋爐的生產(chǎn)中曾發(fā)揮了不可替代的作用，同時(shí)說(shuō)明，對(duì)于焊接質(zhì)量要求高、操作難度大的焊接工程更有必要實(shí)施焊接過(guò)程的全面自動(dòng)化。7 膜式水冷壁管屏的焊接技術(shù)膜式水冷壁是大容量高效鍋爐不可缺少的重要部件，通常采用鰭片管或光管加扁鋼組焊而成，見(jiàn)圖35。隨著鍋爐容量的增大，膜式水冷壁管屏的外形尺寸不斷加大，最大長(zhǎng)度可達(dá)24m。一臺(tái)600MW鍋爐膜式水冷壁管屏焊縫的總長(zhǎng)達(dá)400km。因此，膜式水冷壁部件的焊接工作量占有相當(dāng)大的比重，并要求采用高效焊接法。近年來(lái)，由于鰭片管價(jià)格持續(xù)上漲，且規(guī)格、品種滿足不了設(shè)計(jì)要求，使之光管加扁鋼組焊成為膜式水冷壁管屏必然的選擇，導(dǎo)致焊接工作量倍增。早期，在膜式水冷壁管屏的焊接生產(chǎn)中，應(yīng)用最普遍的是多頭高速自動(dòng)埋弧焊，最高焊接速度可達(dá)120m/h, 實(shí)際生產(chǎn)中焊接速度多選用70~90m/h。“哈鍋”從加拿大C.E公司引進(jìn)的膜式水冷壁管屏6頭自動(dòng)埋弧焊機(jī)，可同時(shí)焊接6條膜式水冷壁管屏拼接縫，具有較高的焊接效率。采用高速自動(dòng)埋弧焊不僅要求裝備相應(yīng)的自動(dòng)化焊接設(shè)備，而且應(yīng)使用性能滿足要求的高速焊劑。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，國(guó)產(chǎn)SJ 501燒結(jié)焊劑可以滿足膜式水冷壁管屏高速埋弧焊的要求, 為膜式水冷壁大批量生產(chǎn)提供了物資保證。膜式水冷壁管屏自動(dòng)埋弧焊的缺點(diǎn)是只能在平焊位置進(jìn)行焊接，而膜式水冷壁管屏要求氣密性必須采用雙面焊。這樣單面焊后，需將焊件校正, 翻身后再焊第二面，從而大大延長(zhǎng)了生產(chǎn)輔助時(shí)間，往往成為阻礙按期完成生產(chǎn)任務(wù)的瓶頸。為進(jìn)一步提高效率，縮短生產(chǎn)周期，日本三菱率先開發(fā)成功膜式水冷壁管屏焊接新工藝——雙面脈沖電弧自動(dòng)MAG焊和焊接裝備，可同時(shí)從正反兩面焊接管屏光管與扁鋼的拼接縫, 焊后焊件平直無(wú)需校正，生產(chǎn)效率明顯提高。其與埋弧焊相比，省略了焊劑消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。為盡快在膜式水冷壁生產(chǎn)中應(yīng)用這項(xiàng)高效新工藝，“哈鍋”和“東鍋”早在1988年便從日本三菱引進(jìn)了膜式水冷壁雙面脈沖電弧自動(dòng)MAG焊裝備, 并于次年投入生產(chǎn)使用，圖36示出這種焊接裝備的全貌。12極膜式水冷壁管屏自動(dòng)MAG焊裝備結(jié)構(gòu)和焊槍的布置分別示于圖37和圖38。目前，該管屏自動(dòng)MAG焊裝備與相應(yīng)的配套設(shè)備和輸送輥道等組合而形成圖39所示的膜式水冷壁管屏焊接生產(chǎn)線，不僅進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率, 擴(kuò)大了生產(chǎn)能力，而且保證了管屏焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。為規(guī)模生產(chǎn)鍋爐膜式水冷壁提供了先進(jìn)的加工手段和工藝裝備。該膜式水冷壁管屏拼焊生產(chǎn)線適用的管子直徑范圍為φ25.4~76.2mm，管子壁厚3.5~9.0mm，管子最大長(zhǎng)度25m, 扁鋼寬度12.4~110mm，扁鋼厚度5~9mm, 管屏最大寬度1500mm，可焊鋼材為碳鋼和低合金鋼。上述膜式水冷壁管屏自動(dòng)MAG焊裝備的最大特點(diǎn)是2組焊槍分別在平焊和仰焊位置同時(shí)從管屏正反面進(jìn)行焊接。為保證仰焊焊縫成形良好，必須采用脈沖電弧MAG焊工藝方法和富Ar （80% 以上）+CO2混合氣體，以使熔滴以脈沖噴射的方式過(guò)渡。即使在仰焊位置，焊接過(guò)程亦十分穩(wěn)定。因此配套的焊接電源是日本大阪變壓器公司出產(chǎn)的晶體管脈沖MIG/MAG焊電源, 具有良好輸出特性，脈沖電流和基本電流可分別單獨(dú)調(diào)節(jié)。脈沖電流幅值、寬度和脈沖頻率按預(yù)設(shè)的焊絲牌號(hào)、直徑、焊絲伸出長(zhǎng)度和送絲速度自動(dòng)優(yōu)化，確保焊接電弧處于無(wú)飛濺的最佳狀態(tài)。為全面推廣這種先進(jìn)的新工藝，國(guó)內(nèi)已有多家專用焊接設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)能自行設(shè)計(jì)和制造膜式水冷壁管屏雙面脈沖電弧自動(dòng)MAG焊裝備。迄今已有多條國(guó)產(chǎn)膜式水冷壁管屏拼焊生產(chǎn)線成功地投入生產(chǎn)使用。8 熱交換器管子/管板接頭焊接技術(shù)在電站鍋爐、汽輪機(jī)輔機(jī)、化工設(shè)備和核能裝置的管式熱交換器制造中，管子/管板接頭的焊接是一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。這種接頭不僅數(shù)量多，而且質(zhì)量要求高。許多大型熱交換器因長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)等因素，無(wú)法立式裝焊, 而必須臥式組裝，這樣管子/管板接頭需作全位置焊接，加大了操作難度。某些核能裝置的熱交換器，為確保接頭的致密性，要求管子/管板之間以全焊透的對(duì)接接頭形式連接（見(jiàn)圖40）。這就要求采用所謂內(nèi)孔焊技術(shù)，焊接工藝更為復(fù)雜。在熱交換器的生產(chǎn)中，管子/管板接頭最常用的焊接方法是手工鎢極氬弧焊和自動(dòng)鎢極氬弧焊。對(duì)于管徑大于30mm的管子/管板接頭亦可采用細(xì)絲MAG焊。對(duì)于質(zhì)量要求高的管子/管板接頭基本上都采用焊槍自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的鎢極氬弧焊。這種焊接機(jī)頭的典型結(jié)構(gòu)形式如圖41所示。目前，在世界上，瑞典ESAB公司、美國(guó)Arc Machines公司、德國(guó)Orlimatic公司和法國(guó)Polysoude公司已批量定型生產(chǎn)管子/管板接頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)TIG焊機(jī)。我國(guó)各大鍋爐和化工容器制造廠曾分別從上述公司引進(jìn)這類自動(dòng)焊機(jī)20多臺(tái)套，并已成功地用于熱交換器生產(chǎn)。上海電站輔機(jī)廠從美國(guó)Foxweld公司引進(jìn)了整套熱交換器制造工藝與設(shè)備，使該廠成為我國(guó)第1家采用坐標(biāo)式自動(dòng)管子/管板焊機(jī)床專業(yè)化生產(chǎn)熱交換器的企業(yè)。該機(jī)床具有機(jī)械對(duì)中定心、焊接過(guò)程程序控制、操作靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。最近，意大利Maus公司推出了MA -1800 Tuvbo型集脹管，端面加工和焊接為一體的數(shù)控加工中心（見(jiàn)圖42）。其焊頭自動(dòng)定位，大大提高了管子/管板接頭加工和焊接自動(dòng)化程度。管子/管板接頭與固定管-管對(duì)接相似，焊接過(guò)程中，焊接機(jī)頭需連續(xù)改變焊接位置，即實(shí)施全位置焊接，相配的焊接電源和控制系統(tǒng)應(yīng)精確分段程序控制主要焊接工藝參數(shù)。對(duì)于管子/管板對(duì)接接頭，必須采用圖43所示特制的內(nèi)孔焊槍。因此，管子/管板接頭自動(dòng)焊機(jī)也是一種精密的焊接設(shè)備, 采用了當(dāng)代最先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)字控制技術(shù)，以保證焊頭行走精度、焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性和整機(jī)運(yùn)行的可靠性。9 結(jié)束語(yǔ)綜上所述，我國(guó)鍋爐、壓力容器焊接技術(shù)經(jīng)過(guò)60年的發(fā)展歷程，目前總體上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，某些關(guān)鍵焊接技術(shù)已居世界領(lǐng)先地位。我國(guó)五大電站鍋爐制造廠焊接自動(dòng)化的程度已經(jīng)接近或者達(dá)到80%。我國(guó)不僅攻克了1000MW大容量超臨界電站鍋爐技術(shù)難關(guān)，而且采用先進(jìn)的雙絲窄間隙埋弧焊技術(shù)焊制成總重近650t 的加氫反應(yīng)器，焊接質(zhì)量完全符合相應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求?？梢哉f(shuō)，我國(guó)已具備制造特大型壓力容器的能力。但我們應(yīng)該看到，上述鍋爐、壓力容器焊接技術(shù)的進(jìn)步在很大程度上受益于技術(shù)引進(jìn)，焊接自動(dòng)化設(shè)備極大多數(shù)是從國(guó)外訂購(gòu)的。為進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)鍋爐、壓力容器的制造能力，應(yīng)十分注重知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，積極開展先進(jìn)焊接自動(dòng)化設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化工作。同時(shí)應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)鍋爐與壓力容器制造行業(yè)，與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，無(wú)論在產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、技術(shù)裝備的先進(jìn)性還是產(chǎn)品的質(zhì)量控制與管理，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息化技術(shù)的應(yīng)用方面都存在較大的差距，仍需堅(jiān)持不懈的努力，全面推廣先進(jìn)制造技術(shù)，加速企業(yè)的現(xiàn)代化，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。