近10年來，國內(nèi)外鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)取得了引人注目的新發(fā)展。隨著鍋爐、壓力容器和管道工作參數(shù)的大幅度提高及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，對焊接技術(shù)提出了愈來愈高的要求。所選用的焊接方法、焊接工藝、焊接材料和焊接設(shè)備首先應(yīng)保證焊接接頭的高質(zhì)量，同時必須滿足高效、低耗、低污染的要求。因此，在這一領(lǐng)域內(nèi)，焊接工作者始終面臨復(fù)雜而艱巨的技術(shù)難題，要求不斷尋求最佳的解決方案。通過不懈的努力已在許多關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破，并在實際生產(chǎn)中得到成功的應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)達(dá)到了新的發(fā)展水平。
鑒于鍋爐、壓力容器和管道涉及到許多重要的工業(yè)部門，其中包括火力、水力、風(fēng)力，核能發(fā)電設(shè)備，石油化工裝置，煤液化裝置、輸油、輸氣管線，飲料、乳品加工設(shè)備，制藥機械，飲用水處理設(shè)備和液化氣儲藏和運輸設(shè)備等，焊接技術(shù)的內(nèi)容是相當(dāng)廣泛的。本文因篇幅所限，僅就鍋爐、壓力容器和管道用鋼，先進(jìn)的焊接方法和焊接過程機械化和自動化三方面的新發(fā)展作如下概括的介紹。
鍋爐壓力容器和管道用鋼的新發(fā)展
1 鍋爐用鋼的新發(fā)展
在鍋爐、壓力容器和管道用鋼這三類鋼中，鍋爐用鋼的發(fā)展最為迅速。這主要是近10年來，火力發(fā)電站用燃料—煤炭的供應(yīng)日趨緊張，降低燃料的消耗已成為世界性的迫切需要。為此，必須提高鍋爐的效率。通常鍋爐效率每提高5%，燃料的消耗可降低15%.而鍋爐的效率基本上取決于其運行參數(shù)—蒸汽壓力和蒸汽溫度。最近，上海鍋爐廠生產(chǎn)600~670MW超臨界鍋爐的蒸汽壓力為254bar，過熱蒸汽溫度為569℃，鍋爐的熱效率約為43%.如果鍋爐的運行參數(shù)提高到特超臨界級，即蒸汽壓力為280 bar蒸汽溫度為620℃，鍋爐的熱效率可提高到47%.目前世界上特超臨界鍋爐的最高工作參數(shù)為350 bar/700℃/720℃，鍋爐的熱效率達(dá)到了50% .
這里應(yīng)當(dāng)強調(diào)指出，隨著鍋爐效率的提高，鍋爐煙氣中的SO2、NOX和CO2的排放量逐漸下降。因此從減少大氣污染的角度出發(fā)，設(shè)計制造高工作參數(shù)的特超臨界鍋爐也是必然的發(fā)展趨勢。
鍋爐蒸汽參數(shù)的提高直接影響到鍋爐受壓部件的強度性能。在超臨界和特超臨界工作條件下，鍋爐的主要部件，如膜式水冷壁，過熱器，再熱器、高壓出口集箱和主蒸汽管道的工作溫度均已達(dá)到鋼材蠕變溫度范圍以內(nèi)。制作這些部件的鋼材在規(guī)定的工作溫度下，除了具有足夠的蠕變強度 （或105h高溫持久強度）外，還應(yīng)具有高的耐蝕性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。
從鍋爐主要部件用鋼的發(fā)展階段來看，即便是工作溫度相對較底的水冷壁部件，也必須采用鉻含量大于2%的Cr-Mo鋼或多組元的CrMoVTiB鋼。按現(xiàn)行的鍋爐制造規(guī)程，這類低合金鋼，當(dāng)管壁厚度超過規(guī)定的界限時，焊后必須進(jìn)行熱處理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相當(dāng)大，工件長度一般超過30m，焊后熱處理不僅延長了生產(chǎn)周期，而且大大提高了制造成本。為解決這一問題，國外研制了一種專用于膜式水冷壁的新鋼種7CrMoVTiB1010.最近，該鋼種已得到美國ASME的認(rèn)可，并已列入美國ASME材料標(biāo)準(zhǔn)，鋼號為A213-T24.這種鋼的特點是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超過0.010%，因此具有相當(dāng)好的焊接性。焊前無需預(yù)熱。當(dāng)管壁厚度不大于10 m m，焊后亦可不作熱處理。
在特超臨界的蒸氣參數(shù)下，當(dāng)蒸氣溫度達(dá)到700℃，蒸氣壓力超過370 bar時，水冷壁的壁溫可能超過600℃。在這種條件下，必須采用9%Cr或12%Cr馬氏體耐熱鋼。這些鋼種對焊接工藝和焊后熱處理提出了嚴(yán)格的要求，必須采取特殊的工藝措施，才能確保接頭的焊接質(zhì)量。
對于鍋爐過熱器和再熱器高溫部件，在超臨界和特超臨界蒸汽參數(shù)下，其工作溫度范圍為560~650℃。在低溫段通常采用9~12%Cr鋼，從高溫耐蝕性角度考慮，最好選用12%Cr鋼。在600℃以上的高溫段，則必須采用奧氏體鉻鎳高合金耐熱鋼。根據(jù)近期的研究成果，對于高溫段過熱器和再熱器管件，為保證足夠高的高溫耐蝕性和抗氧化性，應(yīng)當(dāng)選用鉻含量大于20%的奧氏體鋼，例如25Cr-20NiNbN（HR3C），23Cr-18NiCuWNbN（SAVE25），22Cr-15NiNbN（Tempaloy A-3），和20Cr-25NiMoNbTi（NF709）等。
在相當(dāng)高的蒸汽參數(shù)下（375 bar/700℃）下，在過熱器出口段，由于奧氏體鋼蠕變強度不足，不能滿足要求，而必須采用鎳基合金，如Alloy617.
現(xiàn)代奧氏體耐熱鋼與傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼相比，其最大特點是含有多組元的碳化物強化元素，從而在很大程度上提高了鋼材的蠕變強度。
對于超臨界鍋爐機組的高壓出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改進(jìn)型的9-12%Cr馬氏體鉻鋼。
9~12%馬氏體鉻鋼的發(fā)展規(guī)律與前述的奧氏體耐熱鋼相似，即從最原始的Cr-Mo二元合金向多組元合金演變，其主攻方向是盡可能提高鋼材的高溫蠕變強度，減薄厚壁部件的壁 厚，以簡化制造工藝和降低制造成本。上述鋼種由于 嚴(yán)格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明顯改善。在國外超臨界和特臨界鍋爐已逐步推廣應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
2 壓力容器用鋼的新發(fā)展
近年來，壓力容器用鋼的發(fā)展與鍋爐用鋼不同，其主攻方向是提高鋼的純凈度，即采用各種先進(jìn)的冶煉技術(shù)，最大限度地降低鋼中的有害雜質(zhì)元素，如硫、磷、氧、氫和氮等的含量。這些冶金技術(shù)的革新，不僅明顯地提高了鋼的沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性，抗應(yīng)變時效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蝕性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和熱加工性能。
對比采用常規(guī)冶煉方法和現(xiàn)代熔煉方法軋制的16MnR鋼板的化學(xué)成分和不同溫度下的缺口沖擊韌度和應(yīng)變時效后的沖擊韌性，數(shù)據(jù)表明，超低級的硫、磷、氮含量顯著地提高了普通低合金鋼的低溫沖擊韌度和抗應(yīng)變時效性。
高純凈化對深低溫用9%Ni鋼的極限工作溫度（-196℃）下的缺口沖擊韌度也起到相當(dāng)良好的作用，按美國ASTM A353和A553（9%Ni）鋼標(biāo)準(zhǔn)，該鋼種在-196℃沖擊功的保證值為27J.但按大型液化天然氣（LNG）儲罐的制造技術(shù)條件，9% Ni鋼殼體-196℃的沖擊功應(yīng) 70J，相差2.6倍之多。這一問題也是通過9% Ni鋼的純凈化處理而得到完滿的解決。同時還大大改善了9% Ni鋼的焊接性。焊接不必預(yù)熱，焊后亦無須熱處理。對于厚度30mm以下的9%Ni鋼，焊前不必預(yù)熱，焊后亦無需熱處理。這對于大型（10萬m3以上）LNG儲罐的建造，具有十分重要的意義。
把9% Ni鋼標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分和力學(xué)性能并與高純度9% Ni鋼相應(yīng)的性能進(jìn)行對比，它們之間的明顯差異。
在高壓加氫裂化反應(yīng)容器中，由于工作溫度高于450℃，殼體材料必須采用2.25CrlMo或3CrlMo低合金抗氧鋼。但這類鋼在450℃以上溫度下長期使用時，會產(chǎn)生回火脆性，使鋼的韌性明顯下降，給加氫反應(yīng)的安全運行造成隱患。
近期的大量研究證明，上列鉻鉬鋼的回火脆性主要起因于鋼中P、Sn、Sb和As等微量雜質(zhì)。合金元素Si和Mn也對鋼的回火脆性起一定的促進(jìn)作用。因此必須通過現(xiàn)代的冶金技術(shù)，把鋼中的這些雜質(zhì)降低到最低的水平。目前，許多國外鋼廠已提出嚴(yán)格控制鋼中雜質(zhì)含量的供貨技術(shù)條件�，F(xiàn)代煉鋼技術(shù)能夠達(dá)到了最低雜質(zhì)含量的上限，可大大降低2.25CrlMo和3CrlMo鋼的回火脆性敏感性，其回火脆性指數(shù)J低于100，而普通的2.25Cr-lMo鋼的J 指數(shù)高達(dá)300.
由此可見，壓力容器用鋼的純凈化是一種必然的發(fā)展趨勢。
近幾年來，各類不銹鋼在金屬結(jié)構(gòu)制造業(yè)中應(yīng)用急速增長，其年增長率為5.5%，2003年世界不銹鋼消耗量為2150萬噸，其中我國不銹鋼的用量占54.2%極大部分用于各種壓力容器和管道，包括部分輸油輸氣管線。
為滿足各種不同的運行條件下的耐蝕性要求，并改善不同施工條件下的加工性能，近期開發(fā)了多種性能優(yōu)異的不銹鋼，其中包括超級馬氏體不銹鋼、超級鐵素體不銹鋼，鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼和超級鐵素體—奧氏體不銹鋼。這些新型不銹鋼的共同特點是超低碳、超低雜質(zhì)含量、合金元素的匹配更趨優(yōu)化，不僅顯著提高了其在各種腐蝕介質(zhì)下的耐蝕性，而且大大改善了焊接性和熱加工性能。在一定的厚度范圍，超級馬氏體不銹鋼焊前可不必預(yù)熱，焊后亦無需作熱處理。這對于大型儲罐和跨國海底輸油輸氣管線的建設(shè)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。
目前已在壓力容器和管道制造中得到實際應(yīng)用的馬氏體不銹鋼、鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼，這些不銹鋼合金系列與常規(guī)不銹鋼之間存在較大的差異。
3 管道用鋼的新發(fā)展
管道用鋼的發(fā)展在很多方面與前述的鍋爐與壓力容器用鋼相似。實際上很多鋼種和鋼號都是相同的，其中只有輸氣管線用鋼可以認(rèn)為是獨立的分支。近10年來，輸送管線的工作應(yīng)力已從40bar提高到100bar，甚至更高。最近臺灣省建造了一座1600MW抽水蓄能電站，其壓水管道采用了X100型（屈服強度690Mpa）高強度鋼。
目前在世界范圍內(nèi)，輸送管線中采用的最高強度級別的鋼種為X80型，相當(dāng)于我國標(biāo)準(zhǔn)鋼號L555，其最低屈服強度為555Mpa.國外已計劃將X100型高強度鋼用于輸送管線。
鑒于管線的焊接都在野外作業(yè)，要求鋼材具有良好的焊接性，因此管線用鋼多采用低碳，低硫磷的微合金鋼，并經(jīng)熱力學(xué)處理。
鍋爐、壓力容器和管道焊接方法的新發(fā)展
鍋爐、壓力容器和管道均為全焊結(jié)構(gòu)，焊接工作量相當(dāng)大，質(zhì)量要求十分高。焊接工作者總是在不斷探索優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的焊接方法，并取得了引人注目的進(jìn)步。以下重點介紹在國內(nèi)外鍋爐、壓力容器與管道制造業(yè)中已得到成功應(yīng)用的先進(jìn)高效焊接方法。
1 鍋爐膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動焊接生產(chǎn)線
為提高鍋爐熱效率，節(jié)省材料費用，大型電站鍋爐式水冷壁管屏均采用光管＋扁鋼組焊而成。這種部件的外形尺寸與鍋爐的容量成正比。一臺600MW電站鍋爐膜式水冷壁管屏的拼接縫總長已超過萬米。因此必須采用高效的焊接方法。在上世紀(jì)90年代以前，國內(nèi)外鍋爐爐制造廠大多數(shù)采用多頭（6~8頭）埋弧自動焊。在多年的實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，這種埋弧焊方法存在一致命的缺點，即埋弧焊只能從單面焊接，管屏焊后不可避免會產(chǎn)生嚴(yán)重的撓曲變形。管屏長度愈長，變形愈大，必須經(jīng)費工的校正工序。不僅提高了生產(chǎn)成本，而且延長了成產(chǎn)周期。因此必須尋求一種更合理的焊接方法。
上世紀(jì)80年代后期，日本三菱重工率先開發(fā)膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動焊新焊接方法及焊接設(shè)備，并成功地應(yīng)用于焊接生產(chǎn)。這種焊接方法在日本俗稱MPM法，其特點是多個MAG焊焊頭從管屏的正反兩面同時進(jìn)行焊接。焊接過程中，正反兩面焊縫的焊接變形相互抵消。管屏焊接后基本上無撓曲變形。這是一項重大的技術(shù)突破。經(jīng)濟(jì)效益顯著。數(shù)年后哈爾濱鍋爐廠最先從日本三菱公司引進(jìn)了這項先進(jìn)技術(shù)和裝備，并在鍋爐膜式壁管屏拼焊生產(chǎn)中得到成功的應(yīng)用。之后，逐步在我國各大鍋爐制造廠推廣應(yīng)用，至今已有十多條MPM焊接生產(chǎn)線正常投運。管屏MPM焊接的主要技術(shù)關(guān)鍵是必須保證正反兩面的焊縫質(zhì)量，包括焊縫熔深，成形和外形尺寸基本相同。這就要求在仰焊位置的焊接采用特殊的焊接工藝—脈沖電弧MAG焊（富氬混合氣體）。焊接電源和送絲系統(tǒng)應(yīng)在管屏全長的焊接過程中產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖噴射過渡。因此必須配用高性能和高質(zhì)量的脈沖焊接電源和恒速送絲機。這些焊接設(shè)備的性能和質(zhì)量愈高，管屏反面焊縫的質(zhì)量愈穩(wěn)定，合格率愈高。實際上，哈鍋廠從日本三菱重工引進(jìn)的原裝機只配用了晶閘管控制的第二代脈沖MIG/MAG焊電源，送絲機也只是傳統(tǒng)的等速送絲機，管屏反面焊縫的合格率達(dá)不到100%，總有一定的返修量，為進(jìn)一步改進(jìn)膜式壁管屏MPM焊機的性能，最近國產(chǎn)的管屏MPM焊機配用了第三代微要控制逆變脈沖焊接電源和測速反饋的恒速送絲機，明顯提高了反面焊縫的合格率。
2 鍋爐受熱面管對接高效焊接法
鍋爐受熱面過熱器和再熱器部件管件接頭的數(shù)量和壁厚，隨著鍋爐容量的提高而成倍增加，600MW電站鍋爐熱器的最大壁厚已達(dá)13mm，接頭總數(shù)超過數(shù)千個。傳統(tǒng)的填充冷絲TIG焊的效率以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際生產(chǎn)進(jìn)展的要求，必須采用效率較高的且保接頭質(zhì)量的溶焊方法。為此，哈鍋和上鍋相繼從日本引進(jìn)了厚壁管細(xì)絲脈沖MIG自動焊管機，其效率比傳統(tǒng)的TIG焊提高3~5倍。后因經(jīng)常出現(xiàn)根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用TIG焊封底MIG焊填充和蓋面工藝，改進(jìn)的焊接工藝雖然基本上解決了根部未焊透的問題，但降低了焊接效率，增加了設(shè)備的投資，同時也使操作程序復(fù)雜化。最近，上鍋，哈鍋又從國外引進(jìn)了熱絲TIG自動焊管機。熱絲TIG焊的原理是將填充絲在送入焊接熔池之前由獨立的恒壓交流電源供電。電阻加熱至650~800℃高溫，這就大大加速了焊絲的熔化速度，其熔敷率接近于相同直徑的MTG焊熔敷率。另外，TIG方法良好的封底特性確保了封底焊道的熔質(zhì)量，因此，熱絲TIG焊不失為小直徑壁厚管對接焊優(yōu)先選擇的一種焊接方法。然而不應(yīng)當(dāng)由此全面否定脈沖MIG焊在小直徑壁厚管對接中應(yīng)用的可行性。曾通過大量的試驗查明，在厚壁管MIG焊對接接頭中，根部末焊透90%以上位于超弧段，而弧坑下垂起因于連續(xù)多層焊時熔池金屬熱量積聚導(dǎo)致過熱。如將焊接電源電弧的功率作精確的控制，則完全可以消除上述缺陷的形成。但由于引進(jìn)的MIG焊自動焊管機原配的焊接電源為晶閘管脈沖電源，無法實現(xiàn)電弧功率的程序控制如改用當(dāng)代最先進(jìn)的全數(shù)字控制逆變脈沖焊接電源或波形控制脈沖焊接電源（計算機軟件控制小），則可容易地按焊接工藝要求，對焊接電弧的功率作精確的控制，確保接頭的焊接質(zhì)量。
我們建議對現(xiàn)有的管子對接自動焊MIG焊機組織二次開發(fā)，將原有的晶閘管焊接電源更換成全數(shù)字控制逆變脈沖焊接電源，并采用PLC和人機界面改造控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮MIG焊的高效優(yōu)勢。
3 厚壁容器縱環(huán)縫的窄間隙埋弧焊
厚壁容器對接縫的窄間隙埋弧焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的焊接方法。自1985年哈鍋從瑞典ESAB公司引進(jìn)第一臺窄間隙埋弧焊系統(tǒng)以來，窄間隙埋弧焊已在我國各大鍋爐、化工機械和重型機械等制造廠推廣使用，近20年的實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明，窄間隙埋弧焊確實是厚壁容器對接焊的最佳選擇。
為進(jìn)一步提高窄間隙埋弧焊的效率，國內(nèi)外推出串列電弧雙絲窄隙埋弧焊工藝與設(shè)備，但至今未得到普遍推廣應(yīng)用。這不僅是因為增加了操作的難度，更主要的是交流電弧的焊道成形欠佳，不利于脫渣，容易引起焊縫夾渣。
最近，美國林肯（Lincoln）公司向中國市場推出交流波形參數(shù)（脈沖寬度、正半波電流值、脈沖頻率，脈沖波形斜率）可任意控制的AC/DC1000型埋弧焊電源。采用這種新一代的計算機控制埋弧焊電源，可使串列電弧雙絲埋弧焊的工藝參數(shù)達(dá)到最佳的組合。不但可以獲得窄間隙埋弧焊所要求的焊道形成，而且還可進(jìn)一步提高交流電弧焊絲的熔敷率�？梢灶A(yù)期，波形控制AC/DC埋弧焊電源的問世必將對串列電弧雙絲窄間隙埋弧焊的推廣應(yīng)用作出積級的貢獻(xiàn)。
4 大直徑厚壁管生產(chǎn)中的高效焊接法
隨著輸送管線工作參數(shù)不斷提升，大直徑厚壁管的需求量急劇增加，制造這類管材量經(jīng)濟(jì)的方法是將鋼板壓制成形，并以1條或2條縱縫組焊而成。由于厚壁管焊接工作量相當(dāng)大，為提高鋼管的產(chǎn)量，通常采用3絲，4絲或5絲串列電弧高速埋弧焊。5絲埋弧焊焊接16mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達(dá)156m/h，焊接38mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達(dá)100mm/h.
最近，我國某鋼鐵公司將投資數(shù)十億建設(shè)一條大直徑厚管生產(chǎn)線，其中內(nèi)外縱縫焊接機擬采用5絲串列電弧高速埋弧焊工藝。為確保達(dá)到最高焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最好配用高性能的PowerwaveAC/DC1000數(shù)字控制焊接電源。
5 風(fēng)力發(fā)電站生產(chǎn)中的高效焊接方法
眾所周知，我國當(dāng)前正面臨電力十分緊張的狀況，而且火力發(fā)電廠煙氣大量排放對大氣的污染也令人擔(dān)憂。因此發(fā)展綠色能源已成為世人關(guān)注的焦點。在世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源因運而生，產(chǎn)并以相當(dāng)高的速度發(fā)展，年增長率約為20%.近來，我國也開始重視風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)，制定相應(yīng)的規(guī)劃，可望在今后5年內(nèi)將有較快的發(fā)展。
風(fēng)力發(fā)電站主要由基礎(chǔ)、底座、立柱、風(fēng)力渦輪發(fā)電機和饋電系統(tǒng)等組成，其中底座和立柱為焊接結(jié)構(gòu)，采用不同厚度的低碳鋼或低合金鋼板卷制而成。錐形立柱總長可達(dá)100m，底部最大直徑為4.8m，壁厚40~70 m m，項部直徑約1.7 m，壁厚12~35 m.總重量約80T.每根立柱熔敷金屬的重量約700—1500Kg.可見焊接工作量相當(dāng)可觀而且必須采用高效焊接法。最近瑞典ESAB公司專為風(fēng)力發(fā)電站立柱焊接推出兩對雙絲串列電弧埋弧焊接法（Tandem-Twin）。如采用4根￠時2.5mm的焊絲，最高熔敷率可達(dá)38Kg/h，而普通的單弧雙絲焊（TwinArc）的熔敷率僅為15 Kg//h.錐體簡身縱縫采用兩對雙絲串列電弧焊，配用的焊接電源型號相應(yīng)為LAF1250和TAF1250.
立柱環(huán)縫采用焊接操作機與頭尾架翻轉(zhuǎn)機組合的專用焊接裝置，頭架轉(zhuǎn)盤由交流伺服電機驅(qū)動，可精確控制工件旋轉(zhuǎn)速度，以確保焊縫的高質(zhì)量。
鍋爐、壓力容器和管道焊接自動化的新發(fā)展
在我國鍋爐、壓力容器和管道制造行業(yè)中，各大中型企業(yè)的焊接機械化和自動化程度相對較高，像哈鍋，上鍋這樣的企業(yè)已達(dá)到80%以上。不過，在國際上對焊接機械化和自動化作了重新定義。焊接機械化是指焊接機頭的運動和焊絲的給送由機械完成，焊接過程中焊頭相對于接縫中心位置和焊絲離焊縫表面的距離仍須由焊接操作工監(jiān)視和手工調(diào)整。焊接自動化是指焊接過程自啟動至結(jié)束全部由焊機的執(zhí)行自動完成。無需操作工作任何調(diào)整，即焊接過程中焊頭的位置的修正和各焊接參數(shù)的調(diào)整是通過焊機的自適應(yīng)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)通常由高靈敏傳感器，人工智能軟件、信息處理器和快速反應(yīng)的精密執(zhí)行機構(gòu)等組成。按照上述標(biāo)準(zhǔn)來衡量，我國鍋爐，壓力容器和管道焊接的自動化率是相當(dāng)?shù)偷�。極大多數(shù)僅實現(xiàn)了焊接生產(chǎn)的機械化。因此，為加速本行業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)代化的進(jìn)程，增強企業(yè)的核心競爭力，應(yīng)盡快提高焊接自動化的程度。按照當(dāng)前中央提出的“以人為本”的理念。焊接自動化具有更深刻的意義。它不僅僅是提高了焊接生產(chǎn)率和穩(wěn)定了焊接質(zhì)量，而更重要的是使焊工遠(yuǎn)離了有害的工作環(huán)境，減輕或消除了職業(yè)病的危害。
以下列舉幾個在壓力容器和管道制造中已得到實際應(yīng)用現(xiàn)代化自動焊接裝備實例。以說明其基本結(jié)構(gòu)和功能以及在焊接生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用。
1 厚壁壓力容器對接接頭的全自動焊接裝備
德國Babcock-Borsig公司與瑞典ESAB公司合作于1997年開發(fā)了一臺大型龍門式全自動自適應(yīng)控制埋弧裝備。專用于、厚壁容器筒體縱縫和環(huán)縫的焊接。自1998年正式投運至今使用狀況良好，為了型厚壁容器對接縫的自動埋弧焊開創(chuàng)了成功的先例。
該裝備配置了串列電弧雙絲埋弧焊焊頭，由計算機軟件控制的ABW系統(tǒng)（Adaptive Batt Welding）和激光圖像傳感器。
在焊接過程中激光圖像傳感器連續(xù)測定接頭的外形尺寸，測量數(shù)據(jù)通過計算機由智能軟件快速處理，并確定所要求的焊接參數(shù)和焊頭位置。也就是說每焊道的尺寸和焊道的排列是由系統(tǒng)的軟件以自適應(yīng)的方式控制的。
系統(tǒng)軟件可調(diào)整每一填充焊道的4個焊接參數(shù)：焊接速度，焊接電流，焊道的排列和各填充層和蓋面層的焊道數(shù)。因此，該系統(tǒng)可使實時焊接參數(shù)自動適應(yīng)接頭整個長度上橫截面和幾何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同區(qū)域內(nèi)的熔敷金屬量，而焊接電流是控制焊道的高度和熔敷金屬量。焊道的排列是決定每層焊道間的搭接量。每層的焊道數(shù)則取決于每層的坡口寬度。該設(shè)備的主控制器和監(jiān)視器以PC機為基礎(chǔ)。
多年的使用經(jīng)驗表明，該裝備不僅大大提高厚壁容器的焊接生產(chǎn)率，而且確保形成無缺陷的厚壁焊縫，同時顯著降低了焊工勞動強度，改善了工作環(huán)境。
2 厚壁管件全自動多站焊接裝置
火力和核電站的主蒸汽管道，其壁厚已超過100mm，焊接工作量相當(dāng)大，迫切需要實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的全自動化，以提高生產(chǎn)率。每個焊接工作站由焊接操作機，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，滾輪架，夾緊裝置和焊接機頭及焊接電源等組成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。適用的管徑范圍為139~558 mm，壁厚18~100 mm.管件長度大于1800 mm.可全自動焊接直管對接，直管與彎管接頭，直管與法蘭以及直管與端蓋對接接頭。焊接方法采用窄坡口熱絲TIG焊。
在該自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，采用黑白攝像機檢測坡口邊緣的位置。采用彩色攝像機監(jiān)控電弧和填充絲的位置。通過檢則焊絲加熱電流控制填充絲的垂直方向的位置。這種控制方法是利用黑白攝像機的圖像，經(jīng)過計算機圖像處理，確定內(nèi)外邊緣的照度差。當(dāng)焊接條件變化時，系統(tǒng)將自動調(diào)整攝相機快門的曝光時間。以達(dá)到給定的照度，使焊槍始終保持在焊接開始時調(diào)整好的位置。
壁厚管件全自動多站焊接裝置基本上實現(xiàn)了焊接作業(yè)無人操作。只需要一名操作人員在主控制室內(nèi)設(shè)置管件的原始條件并在焊接過程中進(jìn)行監(jiān)控。這種全自動焊接裝置已在日本三菱重工公司投入生產(chǎn)試用。
3 大直徑管對接全位置自TIG焊機
大直徑管對接的全位置TIG焊是一項難度很大的焊接作業(yè)，培養(yǎng)一名技能高度熟練的焊工需要耗費大量的人力和物力，而且產(chǎn)品的焊接質(zhì)量還取決于焊工自身多年積累的生產(chǎn)經(jīng)驗。為了克服對焊工技能的依賴性，消除人為因素對產(chǎn)品焊接質(zhì)量的不利影響，產(chǎn)生了開發(fā)模擬高級熟練焊工的智能和操作要領(lǐng)的全自動焊管機的想法。
該自動焊管機可用于直徑165—1000mm，壁厚7.0—35.0 mm的不銹鋼管環(huán)縫的全位置焊，并采用窄間隙填絲TIG焊（單層單道焊工藝）。焊機的自動控制系統(tǒng)采用了視覺和聽覺傳感器，由計算機程序控制執(zhí)行機構(gòu)，模仿熟練焊工的反應(yīng)和動作。
自適應(yīng)控制和質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的作用原理為，自適應(yīng)控制主要是通過視覺傳感器實時檢測的信息和計算機圖像處理，按模糊邏輯規(guī)則，實時控制鎢極相對于坡口邊緣的位置，填充焊絲相對于鎢極的位置以及決定焊接熔池尺寸的焊接參數(shù)。而焊縫質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)則按照激光視頻傳感器，聽覺傳感器和電流傳感器的信息實時修正焊接熔池尺寸，焊道形狀，鎢極尖端的形狀，電弧燃燒的穩(wěn)定性和焊接電流，以保證焊縫質(zhì)量的一致性。
在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，安裝在焊槍前側(cè)的視覺傳感器（攝像機）起主要作用，將所攝取的對接區(qū)圖像輸入到計算機，根據(jù)計算機軟件圖像處理結(jié)果，可以定量檢測鎢極相對于坡口邊緣的位置，填充焊絲相對于鎢極的橫向位移，以及焊接熔池的尺寸及鎢極的損耗。
激光視頻傳感器是由攝像機和激光聚光燈組成，安裝在焊槍的后側(cè)。所形成的圖像可用來測定焊道邊緣的潤溫角，即焊道表面與坡口側(cè)壁之間的角度�？刂葡到y(tǒng)根據(jù)這些信息，對焊接參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)控制。
自適應(yīng)計算方法的工原理如下。焊接過程中，為調(diào)整鎢極的位置，引用了模糊邏輯理論，即所謂奇數(shù)理論。當(dāng)前節(jié)距內(nèi)鎢極位置的修正速度是按所測定的鎢極位移量和前一節(jié)距內(nèi)的修正速度計算的，以此來保證修正精度。
上述大直徑管全自動全位置焊管機已在電站鍋爐安裝工程中得到實際的應(yīng)用，取得了令人滿意的效果。
