三峽蝸殼自動(dòng)化焊接論文

1、三峽大型蝸殼的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化焊接李正江（杭州凱爾達(dá)自動(dòng)焊接裝備有限公司.杭州）摘要：大型水電工程蝸殼自動(dòng)焊接技術(shù)一直是國內(nèi)水電施工單位重點(diǎn)研究的課題，在三峽工程的三期建設(shè)中，蝸殼焊接安裝是一項(xiàng)龐大的工程，為新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，也是焊接工作者面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文結(jié)合葛州壩集團(tuán)機(jī)電安裝公司在三峽蝸殼自動(dòng)焊接施工中的突破性的實(shí)踐，對(duì)目前國內(nèi)蝸殼焊接技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)各種常用焊接工藝方法進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)脈沖MAG自動(dòng)焊的工藝、性能和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。0 序言三峽右廠1518機(jī)組的4臺(tái)蝸殼由東方電機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)，葛洲壩機(jī)電建設(shè)有限公司制造和安裝。單臺(tái)蝸殼由36節(jié)管節(jié)組成（最后3節(jié)在座環(huán)上），設(shè)3

2、個(gè)定位節(jié)和2節(jié)湊合節(jié)單節(jié)管節(jié)由厚度75mm30mm的ADB610D高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼板卷制組焊后，用內(nèi)支撐固定成形。蝸殼的水平中心線安裝中心高程57.0m，蝸殼截面由進(jìn)水口端半徑6200mm沿座環(huán)外徑漸變至出水口端半徑1703mm。17和18機(jī)蝸殼上部敷設(shè)彈性墊，16機(jī)蝸殼采用充水保壓埋設(shè)，保壓壓力為0.6Mpa，15機(jī)蝸殼采用直埋式澆砼。單臺(tái)蝸殼的安裝工程量為966.4t（含內(nèi)支撐重量），最大單節(jié)吊裝重量62噸。蝸殼的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：圖1 蝸殼的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1 蝸殼焊接技術(shù)現(xiàn)狀 蝸殼的制作包括制作場(chǎng)的拼裝和蝸殼安裝現(xiàn)場(chǎng)的總裝。在制作場(chǎng)里，首先用卷板機(jī)將鋼板卷成瓦片，然后將已卷成弧形的幾塊瓦片立放在鋼平臺(tái)上

3、對(duì)好焊成一個(gè)單節(jié)。在這里，焊接中的焊縫有兩種：一種是由瓦片（弧形鋼板）拼焊成單節(jié)時(shí)的立焊縫，其焊接工作量約占蝸殼焊接總工作量的30%；而在蝸殼安裝現(xiàn)場(chǎng)它就是全位置環(huán)縫。目前國內(nèi)蝸殼焊接基本上仍依靠手工電弧焊完成，焊接生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)條件差，生產(chǎn)成本高。其中蝸殼拼裝場(chǎng)的蝸殼縱縫大都采用埋弧自動(dòng)焊（SAW）和手工電弧焊技術(shù)，但在直徑8m的蝸殼上埋弧自動(dòng)焊的應(yīng)用受到限制。安裝環(huán)縫全位置焊接，95%以上仍采用SMAW完成，只有少數(shù)電站（如巖灘電站、五強(qiáng)溪電站及隔河巖電站）從國外引進(jìn)設(shè)備和材料少量應(yīng)用半自動(dòng)氣體保護(hù)焊及藥芯焊技術(shù)。針對(duì)水電工程建設(shè)的焊接技術(shù)落后于國家建設(shè)需要之現(xiàn)狀，國內(nèi)許多高等

4、院校、科研院所及眾多施工單位的廣大焊接工作者對(duì)此十分關(guān)注和熱心，近幾年也做了許多研究工作，并取得了很大的進(jìn)展。很多成果在三峽工程中都得到了實(shí)際應(yīng)用。國外水電站壓力鋼管、蝸殼焊接盡量采用高效率焊接方法，以便縮短工期，降低成本。日本、美國在制作場(chǎng)除廣泛使用SAW技術(shù)外，還選用半自動(dòng)或自動(dòng)立焊技術(shù)，以及FCAW方法，而安裝環(huán)縫的焊接仍以SMAW為主。但自上世紀(jì)七十年代以來，從未間斷過安裝環(huán)縫的自動(dòng)化焊接技術(shù)的開發(fā)研究。如日本在新豐根、奧吉野、五原等水電站都使用了MAG全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，還有AAW-TIG全位置自動(dòng)焊接技術(shù)。日本盡管有的電站曾采用過上述兩種全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，但其直徑都小于8m，美國

5、在古力（二）電站的10條直徑為11.4m的壓力鋼管的安裝環(huán)縫上采用的仍然是手工電弧焊。這表明，大直徑厚壁蝸殼、壓力鋼管采用自動(dòng)化的全位置焊接技術(shù)仍然是世界性的技術(shù)難題。2 自動(dòng)焊系統(tǒng)的選擇三峽水電站大直徑蝸殼的直徑進(jìn)口為12.4米，要滿足壓力鋼管焊接的需要，要求自動(dòng)焊系統(tǒng)能夠同時(shí)適應(yīng)制作場(chǎng)和安裝現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接。經(jīng)過認(rèn)真考察，選用凱爾達(dá)生產(chǎn)的WS-HM802FW全位置自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)。該自動(dòng)焊接設(shè)備重量輕可靠性高，主要部件（電機(jī)、齒輪采用日本原廠）3 焊接工藝的比較大直徑蝸殼的自動(dòng)焊接，目前常用的工藝有自保護(hù)藥芯焊絲、氣保護(hù)藥芯焊絲、實(shí)芯焊絲MAG焊（普通氣保焊）和實(shí)芯焊絲的脈沖

6、氣保焊工藝等。自保護(hù)藥芯焊絲在藥芯成份中含有造渣劑、穩(wěn)弧劑、脫氧劑、合金劑以外，還有造氣劑（CaCO3和石墨）、金屬蒸氣保護(hù)劑（Mg和Al-Mg合金）、氮化物形成元素（Al和Ni）。藥粉大部分屬Ti型酸性渣系，堿性渣系極少。國內(nèi)巖灘和隔河巖使用了美國林肯NR203Ni1%焊絲，從工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果看出，其韌性、塑性值較低，搞裂性較差。從操作施焊時(shí)可見飛濺多（顆粒大且不易清除），煙塵大，易出氣孔。其唯一的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，不易受風(fēng)的影響（允許風(fēng)速12m/s）。氣保護(hù)藥芯焊絲是在吸收焊條和實(shí)芯焊絲優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種氣渣聯(lián)合保護(hù)的新型焊絲。藥芯焊絲廣泛應(yīng)用于焊接低碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼。采

7、用藥芯焊絲可顯著改善電弧工藝性能，提高熔敷效率，降低焊接成本。藥芯焊絲氣保焊與實(shí)芯焊絲CO2焊相比，它的飛濺小，不易堵塞焊嘴。藥芯焊絲，特別是CO2氣體保護(hù)型藥芯焊絲具有優(yōu)良的工藝性能和熔敷金屬力學(xué)性能，而一般的CO2實(shí)芯焊絲不僅飛濺大，焊縫表面成型差，其熔敷金屬力學(xué)性能也很差，大量的試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。國內(nèi)外目前生產(chǎn)的氣保護(hù)藥芯焊絲大部分屬于Ti型酸性渣系。氧化性很大，焊縫金屬?zèng)_擊韌性低，只適用于一般碳鋼及低合金鋼焊接。這類焊絲電弧穩(wěn)定，氣孔敏感性小，脫渣好，容易操作，但擴(kuò)散氫含量高，焊接施工中，CO氣孔及氫致冷裂紋的傾向性增大，只適用于一般鋼結(jié)構(gòu)焊接。為了防止熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量過高，及焊

8、縫表面產(chǎn)生麻點(diǎn)斑痕，因此對(duì)母材預(yù)熱溫度及層間溫度都提出了一定的要求。氣保護(hù)實(shí)芯焊絲大部分采用富氬保護(hù)，因此焊縫金屬的韌性、塑性好，可用于重要結(jié)構(gòu)的焊接。藥芯焊絲均為鈦型酸性渣系焊絲，其焊縫熔敷金屬擴(kuò)散氫含量一般為810ml/100g左右，而實(shí)芯焊絲富氬氣體保護(hù)電弧焊焊縫熔敷金屬擴(kuò)散氫含量一般在0.5ml/100g以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藥芯焊絲氣保焊。合理選擇焊接方法及焊接材料是獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的基礎(chǔ)。由于三峽蝸殼的重要性，以及對(duì)其焊接接頭性能提出的嚴(yán)格要求，根據(jù)我單位在三峽壓力鋼管的自動(dòng)焊經(jīng)驗(yàn)最終選定了三峽蝸殼自動(dòng)焊接采用實(shí)芯焊絲富氬混合氣體保護(hù)并配脈沖逆變焊接電源的焊接方案。4 脈沖氣保焊的應(yīng)用41

9、 脈沖氣保焊特點(diǎn)熔化極氣保焊熔滴過渡有滴狀過渡、噴射過渡和短路過渡等幾種方式1。射流過渡是噴射過渡的主要形式，這種方式過渡頻率較高，熔滴尺寸小，電弧穩(wěn)定并且焊縫成型較好。要實(shí)現(xiàn)射流過渡，焊接電流必須要達(dá)到射流過渡的臨界電流值。熔化極脈沖氣保焊，其脈沖波形的主要參數(shù)有：基值電流Ib，脈沖電流Ip，脈沖保持時(shí)間tp和脈沖頻率fp等，如圖3，正確選擇和組合這些參數(shù)，就可以在穩(wěn)定電弧、控制焊縫成形及限制熱輸入等方面獲得良好效果2?；惦娏鞯淖饔檬蔷S弧，同時(shí)預(yù)熱焊絲和母材。脈沖電流是決定脈沖能量的重要因素，脈沖電流值必須大于臨界射流電流值才能保證在較低的平均電流下實(shí)現(xiàn)射流過渡。但是脈沖電流值不是固定不變

10、的，它是隨著脈沖持續(xù)時(shí)間及基值電流的變化而變化。脈沖氣保焊的主要優(yōu)點(diǎn)是具有較寬的電流調(diào)節(jié)范圍，焊接過程穩(wěn)定、無飛濺、可實(shí)現(xiàn)低線能量焊接，適合全位置焊和多種有色金屬的焊接。目前國內(nèi)比較常見的有伊薩電源ARISTO2000芬蘭KEMPPI公司生產(chǎn)的Kemppi Pro系列和奧地利FRONIUS公司生產(chǎn)的TRANSPULS SYNERGIC系列和國產(chǎn)凱爾達(dá)KEB-500系列等，試驗(yàn)采用的焊接電源是國產(chǎn)凱爾達(dá)KEB-500。焊接工藝參數(shù)由于蝸殼的鋼板較厚，蝸殼的立縫開成雙面X型坡口，為了保證焊透，采用半自動(dòng)MAG焊（非脈沖）打底，正面的其它層采用自動(dòng)焊（脈沖MAG）。背部采用碳弧氣刨清根，然后打磨成U

11、型，然后由自動(dòng)焊焊接。自動(dòng)焊采用擺動(dòng)方式，擺動(dòng)幅度25mm。焊接工藝參數(shù)見表機(jī)電建設(shè)有限公司焊接工藝評(píng)定報(bào)告共4頁第1頁評(píng) 定 報(bào) 告 編 號(hào) 2004-06 指導(dǎo)書編號(hào) WPS2004-06 試 驗(yàn) 編 號(hào) SXSG-01 焊 接 方 法 自動(dòng)焊 母材牌號(hào)、規(guī)格 60kgf/mm2 =60mm 與牌號(hào)、規(guī)格 60kgf/mm2 =60mm 相焊類別級(jí)別號(hào) III 與類別級(jí)別號(hào) III 相焊焊材焊條牌號(hào)、規(guī)格 / 烘 干 參 數(shù) / 焊絲牌號(hào)、規(guī)格 CHW-65A 1.2mm 焊 絲 牌 號(hào) CHW-65A 鎢棒材料、規(guī)格 / mm 保 護(hù) 氣 體 80Ar+20CO2 操作技術(shù)清 根 方 法

12、 碳弧氣刨 電 流 種 類 DC 是 否 擺 動(dòng) 擺 動(dòng) 極 性 反接 擺 動(dòng) 參 數(shù) / 焊 絲 伸 長(zhǎng) 20MM 多道或單道焊 多層多道焊 噴 嘴 直 徑 / 焊接坡口型式、尺寸:焊接層次和順序圖:熱處理規(guī)范預(yù)熱溫度 80100 加熱速度 50/h 層間溫度 80230 保溫方式 連 續(xù) 消氫熱處理 200250 冷卻方式 自然冷卻 化學(xué)成分元素%母材 CSiMnPSCrNMo610F0.090.150.401.201.600.0200.0300.100.300.200.100.30力學(xué)性能b/Mpas/Mpas/%Akv/（J）6107404902047（-20）機(jī)電建設(shè)有限公司焊接工藝

13、評(píng)定報(bào)告共4頁第2頁焊 接 規(guī) 范焊接方法焊序填充金屬焊接電流（A）電弧電壓（V）焊接速度（cm/min）平均線能量（KJ/cm）備注層道牌號(hào)規(guī)格自動(dòng)焊11CHW-65A1.2反接150-16019-35最大線能45KJ/cm自動(dòng)焊21CHW-65A1.2反接125-13519-35自動(dòng)焊31CHW-65A1.2反接125-13519-35自動(dòng)焊41CHW-65A1.2反接125-13519-35自動(dòng)焊42CHW-65A1.2反接125-13519-35自動(dòng)焊51CHW-65A1.2反接125-13519-35自動(dòng)焊52CHW-65A1.2反接125-13519-35自動(dòng)焊61CHW-65A1

14、.2反接110-12019-35自動(dòng)焊62CHW-65A1.2反接110-12019-35自動(dòng)焊63CHW-65A1.2反接110-12019-35自動(dòng)焊11CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊21CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊31CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊41CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊42CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊51CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊52CHW-65A1.2反接125-14019-35自動(dòng)焊61CHW-65A1.2反接110-12

15、019-35自動(dòng)焊62CHW-65A1.2反接110-12019-35自動(dòng)焊63CHW-65A1.2反接110-12019-35外觀檢查結(jié)論試件編號(hào)外觀發(fā)現(xiàn)缺陷情況評(píng)定結(jié)果SXSG-01未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷合格檢查單位技質(zhì)科檢查報(bào)告編號(hào)檢表01無損探傷結(jié)論試件編號(hào)探傷方法缺陷性質(zhì)評(píng)定等級(jí)評(píng)定結(jié)果SXSG-01UT未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷級(jí)合格SXSG-01RT未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷I級(jí)合格SXSG-01PT未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷級(jí)合格檢查單位技質(zhì)科檢查報(bào)告編號(hào)SXSG-01機(jī)電建設(shè)有限公司焊接工藝評(píng)定報(bào)告共4頁第3頁機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)論拉力試驗(yàn):試樣編號(hào)寬度厚度屈服極限強(qiáng)度極限斷裂位置和缺陷試驗(yàn)結(jié)果(mm)(mm)s(Mpa)b

16、(Mpa)SXSG-01/675母材合格SXSG-01/690焊縫合格檢驗(yàn)單位宜昌船舶柴油機(jī)廠檢驗(yàn)處檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)041806彎曲試驗(yàn):試樣編號(hào)彎曲直徑彎曲角度 180 度缺陷試驗(yàn)結(jié)果(mm)面彎背彎側(cè)彎SXSG-0140/4無合格/檢驗(yàn)單位宜昌船舶柴油機(jī)廠檢驗(yàn)處檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)041806沖擊試驗(yàn):試樣編號(hào)缺口缺口試驗(yàn)沖擊功(J)評(píng)定結(jié)果位置型式溫度焊縫、熱影響區(qū)SXSG-01母材60kgf/mm2V-20260,276,278（熱影響區(qū)）合格SXSG-01焊縫V-20152,152,108合格檢驗(yàn)單位宜昌船舶柴油機(jī)廠檢驗(yàn)處檢驗(yàn)報(bào)告編號(hào)04180642 力學(xué)性能試驗(yàn)根據(jù)蝸殼立焊焊接工藝指導(dǎo)書的要求，對(duì)立縫焊接試件進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)拉棒試樣進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，斷裂位置位于焊縫區(qū)，結(jié)論為合格；在-20下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)論為合格； 5 經(jīng)濟(jì)效益分析蝸殼全位置自動(dòng)焊接技術(shù)，通過大量的工藝試驗(yàn)和評(píng)定，自動(dòng)立焊、自動(dòng)橫焊及自動(dòng)平角焊已在三峽二期壓力鋼管制造施工中得到了廣泛的應(yīng)用，全位置自動(dòng)焊工藝在安裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫焊接也實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。和手工電弧焊相比，立縫自動(dòng)焊的生產(chǎn)效率提高了2.3倍，節(jié)約成本36%；自動(dòng)橫焊生產(chǎn)效率提高4.2倍，節(jié)約成本42%；自動(dòng)平角焊（加強(qiáng)勁）生產(chǎn)效率提高了5倍，節(jié)約成本43%。自動(dòng)焊技術(shù)的應(yīng)用，大大縮短了工期，保證了焊接質(zhì)量（全位置自動(dòng)焊焊縫外觀成型好，提高焊縫