翁清云 张海林 晏君文 陈志林 李鹏飞

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川 德阳 618000)

双丝窄间隙埋弧焊是一种采用两根沿焊接方向前后排列的焊丝，两根焊丝端头燃烧的两个电弧共同形成一个熔池，以一层两道的多层焊方式填充窄间隙对接坡口的埋弧焊方法，其生产效率显著提高，产品质量也得到保证。重型石化压力容器，产品吨位大、容器厚壁。在进行主焊缝焊接时，焊接工作量极大，人员需求多，制造周期较长，无法满足产品交货周期。因此有必要在该类焊接设备的配备上进行提升。

1 核心内容及主要技术性能指标

1.1 项目核心内容

项目核心内容包括双丝窄间隙焊机机头部分(包括跟踪装置、焊丝转角、校直机构、十字托板等)、焊剂输送部分和焊剂回收部分、双丝电气控制部分、自主设计远程控制盒及双丝窄间隙埋弧焊工艺开发部分。

1.2 主要技术性能指标

(1)焊接机头焊枪部分：双丝焊枪采用直枪加斜枪组合方式，窄间隙焊枪采用合金铜材料制造，喷涂耐高温焊绝缘材料。焊嘴具有电动摆角、电气微调等功能，具有焊枪间距无极可调、操作简单方便、耐用可靠等特点。

(2)跟踪系统：跟踪部分采用不锈钢材料制造，含有接触式高精度电位器，具有双向跟踪功能，具有跟踪精度高、换边无冲击、安全可靠等特点。

(3)跟踪十字滑扳：本体采用钢制材料制造，采用直线导轨导向、伺服电机驱动涡轮减速机、滚珠丝杠传动、迷宫式防尘结构设计，具有结构紧凑、传动精度高等特点。

(4)机头调整：采用组合式机头调整装置，配置机头旋转、机头摆角、焊枪间距调整等功能；具有调整方便、位置准确等特点。

(5)操作系统部分：选用先进的一体化操作方式。以PLC为控制核心，彩色人机界面操作，除了控制窄间隙机头功能外，同时还控制操作机、滚轮架的动作功能。控制箱通过机床专用活动臂连接在机身上，具有抗干扰能力强、操作维修简单方便、可靠耐用等特点。

(6)焊接参数预置：具有预置焊接电流、电压及焊接速度功能。可预置存储10组焊接电流、电压及焊接速度值。

(7)焊接参数储存：具有实时存储记忆焊接电流、电压功能。可通过USB接口将实时存储的焊接数据进行拷贝、储存、打印。

(8)焊剂输送回收部分：采用大容量焊剂储存输送罐、正压输送焊剂、旋风回收器配合焊剂斗下料及负压回收焊剂的方式，配合粉尘回收罐回收粉尘，具有焊剂储存量大、输送距离远、回收效果好等特点。

(9)空气干燥系统：采用了先进的空气过滤干燥组件，外加保护壳体、进出压缩空气阀门接口，具有空气干燥指标高、无需电能损耗、免维护、使用寿命长等特点。

2 设备主要技术参数

设备主要技术参数如下：

可焊坡口深度：350 mm

坡口角度：1°～30°(总角)

坡口宽度：12～35 mm

每层焊道数：一层两道，首层单道

焊丝直径：∅2.4 mm～∅4.0 mm

焊枪(导电嘴)摆角范围：≤±3.5°

焊枪(导电嘴)偏角精度：≤±0.5°

横向跟踪精度：≤±0.2 mm

高度跟踪精度：≤±0.5 mm

焊丝矫直精度：≤±1 mm

(焊丝伸出导电嘴30 mm处)

输出电流范围：200～1000 A

焊枪摆角范围：±3.5°

机头转角角度：≥90°

额定输入电压：380 V±57 V(三相，50 Hz)

跟踪十字溜板行程：300 mm×500 mm

焊枪垂直调整范围：-30°～120°

工件最高温度：≤350℃

小焊丝盘可装载焊丝重量：30 kg

3 项目特点及难点

3.1 操作控制系统设计

采用PLC控制、HMI参数输入，在焊接过程中对焊接电压、焊接电流、焊接速度、横向跟踪、高度跟踪等参数在预置范围内进行自动控制。PEK焊接控制器可预制10套焊接参数，供不同焊接需要。操作控制箱由焊接控制器、伺服驱动器、PLC/HMI和操作按钮等组成。为确保操作便利，将操作控制箱通过旋转支承臂安装在连接操作机上。设备工作参数可以通过操作控制箱的HMI进行修改并存储。窄间隙埋弧焊机、操作架的所有控制均可在控制箱上操作、显示，以便操作者对焊接过程进行监控。为提高其抗干扰能力及可靠性，控制系统的主要输入、输出接口均采用光电隔离。

3.2 焊剂输送与回收系统

焊剂输送、回收系统由焊剂储存输送罐、粉尘回收罐、焊剂斗、旋风回收器及输送管路等组成。利用压缩空气将储存罐里的焊剂通过输送管路自动输送到焊接机头上的焊剂斗里，焊剂斗里的焊剂通过焊剂下料管自动流到焊接熔池处。

焊剂储存输送罐安装有焊剂漏斗、空气调压过滤器、压力安全阀、加热保温装置及料位检测装置等。加热保温装置确保焊剂出来后，温度能够达到工艺参数要求范围内。在焊剂不足时发出报警信号，提醒操作人员增补焊剂。通过压缩空气将焊剂罐的焊剂输送到机头焊剂斗。

焊剂斗安装有焊剂筛、出料气动、手动旋转气缸，在焊剂斗的前方开设透明观察窗口。从焊剂储存罐里来的焊剂暂时存放在焊剂斗里。使用时通过开启出料口焊剂斗，里面的焊剂流到机头的下料管。当焊剂斗的焊剂不足时焊剂罐会自动补充。

焊剂回收旋风器由焊剂负压回收器、旋风分离器、焊剂回收吸管等几部分组成，采用钢制材料与工业塑料混合制造。干燥后压缩空气通过旋风器产生负压将剩余焊剂回收到焊剂斗里，与焊剂斗中的焊剂混合后重新使用。焊剂粉尘回收罐由罐体、回收盒、空气过滤器、料位检测等组成，安装有物料传感器，当粉尘超过传感器设定的位置时自动报警，提醒操作者清理粉尘。

由于地区空气湿度较强，焊剂的输送回收系统需增加一套空气干燥器，由自动排水器、油水分离器、空气干燥器及压力调节器组成。

3.3 焊接机头

双丝窄间隙焊接设备机头由跟踪十字滑板、送丝机构、跟踪机构(高度和横向)、双摆角焊枪、焊枪摆角机构、焊丝双向校直机构等组成，见图1。

1—照明灯 2—焊丝双向校真机构 3—送丝电机 4—焊丝盘5—焊剂斗 6—焊枪连接调整机构 7—跟踪十字滑板8—焊道激光灯 9—双向跟踪机构 10—摆动嘴11—焊接直枪 12—焊接斜枪 13—焊剂回收装置图1 双丝窄间隙焊接设备机头结构简图Figure 1 Structure diagram of head of double wire narrow gap welding equipment

焊枪双向跟踪机构由跟踪盒体、跟踪连接体、跟踪爪、跟踪轮体等组成。采用高精度电位器作为传感元件，自动跟踪时自动调整焊枪在焊道的中心位置。高度跟踪可以任意设定跟踪零点，并通过人机界面调整跟踪高度，以调整焊丝的杆身长度，降低设备操作难度。

双丝窄间隙焊枪采用直枪加斜枪组合方式，焊嘴具备电动摆角、电气微调等功能，与以往的气动调整相比，通过电气控制步进电机转动来实现焊嘴摆动，具有定位准确、稳定可靠的特点。

送丝电机采用A6 VEC送丝电机，安装在机头专用送丝电机架上，完成焊丝平稳、均匀输送。高度跟踪采用接触式跟踪方式，代替原来的机械跟踪光电传感器，传感元件采用高精度位移传感器，具有抗干扰能力强、跟踪精度高、跟踪零点任意设定、焊接过程中发现问题能迅速调整等特点。

焊枪枪体主要由焊枪本体、连接组件等组成，表面喷涂耐高温陶瓷绝缘材料，具有导电及抗电磁性能好、耐高温绝缘等特点。

3.4 焊接电源及其控制系统

采用PEK焊接控制器，为实现不同焊接工艺要求，搭配两台TAF1251交流焊接电源、1台LAF1251直流焊接电源。在整个电流和电压的设定范围内，具有焊接性能好、电弧稳定、起弧及二次起弧性能好的特性。

3.5 设备远程控制盒

远程控制盒元器件选型上须满足现场金属粉尘较多、温度高等要求，为每个控制按钮配备防尘帽。

4 应用情况

以2.25Cr-1Mo-0.25V钢容器产品为例，双丝窄间隙自动焊接的应用如下：

4.1 焊接坡口的选择和设计

为提高生产效率，窄间隙坡口越窄越好。但考虑质量控制因素，坡口太窄会导致焊缝成形差、易产生夹渣及咬边缺陷等问题，甚至导致焊接过程无法正常进行；而坡口设计太宽时，侧壁熔合会比较困难，同时不利于提高生产效率。

在进行双丝窄间隙埋弧焊坡口设计时，结合单丝埋弧焊焊接坡口和双丝埋弧焊的特性，选择外侧小角度的U形坡口。以300 mm板厚为例，设计坡口如图2所示，母材厚度δ=300 mm，坡口根部R=10 mm，钝边P=8 mm，间隙b=0 mm。经试验，该坡口进行双丝埋弧焊焊接时，焊道脱渣性较好，焊缝成形状况优良。

图2 双丝窄间隙埋弧焊坡口Figure 2 Groove of double wire narrow gapsubmerged arc welding

4.2 焊接试板试验

为验证双丝窄间隙埋弧焊设备性能，进行以下试验：厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V钢窄间隙坡口前直后交(DC-AC)工艺试验；厚度150 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V钢窄间隙坡口双交(AC-AC)工艺试验。

模拟试验后，制作筒体模拟件并进行焊接试验。通过150 mm、300 mm厚度试板多组焊接试验，找出最佳焊接参数，可应用于厚度≤400 mm的容器项目生产。模拟筒体的双丝焊接应先进行打底焊接，为避免产生热裂纹，使用参数较低。打底后进行坡口填充。填充层到表面层焊接规范参数基本一致，焊道厚度均匀，焊缝性能良好。试板和模拟筒体的双丝埋弧焊焊接均进行RT、UT检测，均满足质量要求。

4.3 确定焊接规范参数

对厚度300 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V钢进行窄间隙坡口前直后交(DC-AC)焊接工艺评定及试验，其焊接规范参数见表2。

对220 mm厚度2.25Cr-1Mo钢进行窄间隙坡口前直后交(DC-AC)焊接工艺评定及试验，其焊接规范参数见表3。

焊后按照相关工艺要求进行热处理和无损检测，结果表明评定件均取得良好的焊接效果。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接规范参数Table 1 Welding specification parameters of 2.25Cr-1Mo-0.25V steel

表2 2.25Cr-1Mo钢焊接规范参数Table 2 Welding specification parameters of 2.25Cr-1Mo steel

表3 2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接试板主要力学性能Table 3 Main mechanical properties of2.25Cr-1Mo-0.25V steel welded test plate

4.4 双丝埋弧焊焊接接头主要力学性能

评定试板焊接完成后，按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定标准》对试板进行力学性能检验，厚度300 mm的2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊接试板及厚度220 mm的2.25Cr-1Mo钢焊接试板的主要力学性能分别见表3和表4。

5 结语

通过双丝窄间隙埋弧焊在大型石化容器上的应用，探索出焊接电流、焊接速度、丝壁间距对双丝窄间隙埋弧焊焊缝成形影响的规律，随着双丝窄间隙在大型石化容器产品的不断应用，提高了深坡口窄间隙焊缝的焊接效率。在保证焊接质量的前提下不断提升环焊缝的焊接效率，推进了压力容器产品生产制造进度。实践证明，焊接效率比普通弧焊高2～3倍，比单丝窄间隙埋弧焊提高60%～100%。

表4 2.25Cr-1Mo钢焊接试板主要力学性能Table 4 Main mechanical properties of2.25Cr-1Mo steel welded test plate