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锅炉、压力容器和管道焊接自动化的新发展 在我国锅炉、压力容器和管道制造行业中，各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高，像哈锅，上锅这样的企业已达到80%以上。不过，在国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。焊接自动化是指焊接过程自启动至结束全部由焊机的执行自动完成。无需操作工作任何调整，即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。而自适应控制系统通常由高灵敏传感器，人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。按照上述标准来衡量，我国锅炉，压力容器和管道焊接的自动化率是相当低的。极大多数仅实现了焊接生产的机械化。因此，为加速本行业焊接生产现代化的进程，增强企业的核心竞争力，应尽快提高焊接自动化的程度。按照当前中央提出的“以人为本”的理念。焊接自动化具有更深刻的意义。它不仅仅是提高了焊接生产率和稳定了焊接质量，而更重要的是使焊工远离了有害的工作环境，减轻或消除了职业病的危害。 以下列举几个在压力容器和管道制造中已得到实际应用现代化自动焊接装备实例。以说明其基本结构和功能以及在焊接生产中所发挥的作用。 1 厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备 德国Babcock-Borsig公司与瑞典ESAB公司合作于1997年开发了一台大型龙门式全自动自适应控制埋弧装备。专用于、厚壁容器筒体纵缝和环缝的焊接。自1998年正式投运至今使用状况良好，为了型厚壁容器对接缝的自动埋弧焊开创了成功的先例。 该装备配置了串列电弧双丝埋弧焊焊头，由计算机软件控制的ABW系统（Adaptive Batt Welding）和激光图像传感器。 在焊接过程中激光图像传感器连续测定接头的外形尺寸，测量数据通过计算机由智能软件快速处理，并确定所要求的焊接参数和焊头位置。也就是说每焊道的尺寸和焊道的排列是由系统的软件以自适应的方式控制的。 系统软件可调整每一填充焊道的4个焊接参数：焊接速度，焊接电流，焊道的排列和各填充层和盖面层的焊道数。因此，该系统可使实时焊接参数自动适应接头整个长度上横截面和几何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同区域内的熔敷金属量，而焊接电流是控制焊道的高度和熔敷金属量。焊道的排列是决定每层焊道间的搭接量。每层的焊道数则取决于每层的坡口宽度。该设备的主控制器和监视器以PC机为基础。 多年的使用经验表明，该装备不仅大大提高厚壁容器的焊接生产率，而且确保形成无缺陷的厚壁焊缝，同时显著降低了焊工劳动强度，改善了工作环境。 2 厚壁管件全自动多站焊接装置 火力和核电站的主蒸汽管道，其壁厚已超过100mm，焊接工作量相当大，迫切需要实现焊接生产的全自动化，以提高生产率。每个焊接工作站由焊接操作机，翻转机构，滚轮架，夹紧装置和焊接机头及焊接电源等组成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。适用的管径范围为139~558 mm，壁厚18~100 mm.管件长度大于1800 mm.可全自动焊接直管对接，直管与弯管接头，直管与法兰以及直管与端盖对接接头。焊接方法采用窄坡口热丝TIG焊。 在该自适应控制系统中，采用黑白摄像机检测坡口边缘的位置。采用彩色摄像机监控电弧和填充丝的位置。通过检则焊丝加热电流控制填充丝的垂直方向的位置。这种控制方法是利用黑白摄像机的图像，经过计算机图像处理，确定内外边缘的照度差。当焊接条件变化时，系统将自动调整摄相机快门的曝光时间。以达到给定的照度，使焊枪始终保持在焊接开始时调整好的位置。壁厚管件全自动多焊接装置基本上实现了焊接作业无人操作。只需要一名操作人员在主控制室内设置管件的原始条件并在焊接过程中进行监控。这种全自动焊接装置已在日本三菱重工公司投入生产试用。 3 大直径管对接全位置自TIG焊机 大直径管对接的全位置TIG焊是一项难度很大的焊接作业，培养一名技能高度熟练的焊工需要耗费大量的人力和物力，而且产品的焊接质量还取决于焊工自身多年积累的生产经验。为了克服对焊工技能的依赖性，消除人为因素对产品焊接质量的不利影响，产生了开发模拟高级熟练焊工的智能和操作要领的全自动焊管机的想法。 该自动焊管机可用于直径165—1000mm，壁厚7.0—35.0 mm的不锈钢管环缝的全位置焊，并采用窄间隙填丝TIG焊（单层单道焊工艺）。焊机的自动控制系统采用了视觉和听觉传感器，由计算机程序控制执行机构，模仿熟练焊工的反应和动作。 自适应控制和质量监控系统的作用原理为，自适应控制主要是通过视觉传感器实时检测的信息和计算机图像处理，按模糊逻辑规则，实时控制钨极相对于坡口边缘的位置，填充焊丝相对于钨极的位置以及决定焊接熔池尺寸的焊接参数。而焊缝质量的监控系统则按照激光视频传感器，听觉传感器和电流传感器的信息实时修正焊接熔池尺寸，焊道形状，钨极尖端的形状，电弧燃烧的稳定性和焊接电流，以保证焊缝质量的一致性。 在自适应控制系统中，安装在焊枪前侧的视觉传感器（摄像机）起主要作用，将所摄取的对接区图像输入到计算机，根据计算机软件图像处理结果，可以定量检测钨极相对于坡口边缘的位置，填充焊丝相对于钨极的横向位移，以及焊接熔池的尺寸及钨极的损耗。 激光视频传感器是由摄像机和激光聚光灯组成，安装在焊枪的后侧。所形成的图像可用来测定焊道边缘的润温角，即焊道表面与坡口侧壁之间的角度。控制系统根据这些信息，对焊接参数进行自适应控制。 自适应计算方法的工原理如下。焊接过程中，为调整钨极的位置，引用了模糊逻辑理论，即所谓奇数理论。当前节距内钨极位置的修正速度是按所测定的钨极位移量和前一节距内的修正速度计算的，以此来保证修正精度。 上述大直径管全自动全位置焊管机已在电站锅炉安装工程中得到实际的应用，取得了令人满意的效果。

对超细晶粒钢在焊接热循环作用下晶粒长大和组织、性能变化的规律进行了研究。400MPa级钢由于不存在第Ⅱ相粒子对晶粒长大的钉扎作用，晶粒长大趋势明显，焊接热输入越大，长大程度越严重。无论是焊接热模拟试件还是焊接接头硬度测试均表明HAZ不存在软化问题，接头拉伸试验断在远离热影响区的母材上。HAZ粗晶区有较多的侧板条铁素体，但缺口冲击功未显示热影响区的冲机韧性低于母材，尽管试件断口分析说明粗晶区的韧性低于母材。 关键词：超细晶粒钢：焊接：晶粒长大：粗织 中图分类号：TG401 文献标识码：A 文章编号：0253-360X（2001）06-01-03 0序言 在国家重大规划基础研究项目"新一代钢铁材料重大基础研究"中，将通过晶粒超细化实现钢材强度韧性提高一倍的目标。对于超细晶粒钢而言，热影响区（HAZ）晶粒粗化导致的性能恶化及不适当焊接热输入导致的HAZ软化将是最主要的问题。研究焊接热循环对母材组织、性能的影响规律及研究适合超细晶粒钢的新型焊接技术和工艺是非常必要的。 日本在其"超级钢"规划中，将超级钢焊接技术作为三个研究主题之一，在800MPa级高强度课题中更将焊接置于极其重要的位置[1,2]。韩国在新世纪高性能结构钢中也非常重视超细晶粒钢的焊接问题[3]，为使焊接接头具有90%以上的母材性能（强度、韧性），从焊接技术、焊接材料和焊接工艺三个方向全面开展工作。 作者对超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大规律进行了初步的研究，进行了脉冲MAG、激光焊等方法对超细晶粒钢的适应性研究，以及利用焊后特殊处理技术提高焊接接头性能的探索性研究工作。 1 试验用超细晶粒钢及试验研究 试验用材为400MPa级课题组在宝钢轧制的SS400热轧钢板，该材料的研究目标是通过晶粒细化使屈服强度提高一倍，板厚3mm，其化学成分和力学性能如表1和表2所示。材料的原始铁素体尺寸为6~8μm。 在本研究中，用焊接热模拟试验研究了焊接热影响区的晶粒长大规律，研究了400MPa级超细晶粒钢的脉冲MAG焊接适应性、热影响区组织及焊接接头力学性能。 2 超细晶粒钢的HAZ晶粒长大趋势和组织及性能 为研究焊接热循环对超细晶粒钢的影响，利用Gleeble-1500焊接热模拟试验机对试验材料进行了焊接热模拟试验，试验设计如下。 （1） 加热峰值温度固定Tp=1350℃改变冷却速度t8/5从3~24S，模拟在不同焊接热输入条件下热影响区粗晶区的组织和性能。 （2） 冷却速度固定t8/5=5s，改变峰值温度Tp从1400~650℃，模拟在同一焊接热输入条件下，焊接热影响区不同部位的组织和性能。 焊接热模拟试验结果如图1所示。图1a为焊接热输入对粗晶区原始奥氏体晶粒尺寸的影响，在峰值温度为1350℃时，随着t8/5逐渐增加，即随着焊接热输入的增加，热影响区粗晶区的原奥氏体粒径不断增加，当t8/5为20s时，奥氏体粒径达到170μm，这说明超细晶粒钢焊接热影响区晶粒长大倾向严重，奥氏体粒径受t8/5的影响很大，在条件允许的情况下，应尽可能采用低热输入焊接，加快焊接冷却速率。图1b为t8/5=5s时峰值温度对原始奥氏体晶粒尺寸的影响，当Tp介于1100~1200℃时，奥氏体粒径明显开始粗化，可把这个温度区间作为SS400钢的粗化温度。当Tp>1350℃时，奥氏体晶粒不再继续粗化，而奥氏体晶粒有所减小，这有可能是因为在奥氏体晶界局部熔化导致晶粒尺寸有所减小。图1c、d为显微硬度测量结果。由上面图表的数据可以得出：随着t8/5增加，热影响区粗晶区的硬度逐渐降低并趋于平稳，当t8/5=3s时，硬度最大。当t8/5=5s时，随着峰值温度Tp的升高，其显微硬度逐渐增加，当Tp=1400℃时，其硬度达到最大。经t8/5=5s，不同峰值温度的焊接热模拟后，SS400钢的整个热影响区硬度都不低于母材，于是可以预言：当t8/5时，SS400钢的热影响区不会出现软化现象。 Fig.1 Welding thermal simulation test results 因超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的，不能通过热处理手段来恢复，所以焊后HAZ会出现软化，尤其当高热输入时，就更加明显。不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其它因素控制的，如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。三种规范下的SS400接头拉伸均断在母材，说明至少当t8/5<10s时，SS400钢接头中的HAZ不存在软化问题。从接头的硬度分布（图2）也可看出SS400钢5号接头的热影响区不存在软化问题，这一点与焊接热模拟试验结果一致。