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摘要： 根据锅炉水冷壁的结构特点，开发了水冷壁表面自动堆焊设备。设备采用仿形技术，通过脉冲MIG摆动向下立焊完成锅炉水冷壁生产及修复。仿形技术保证了堆焊过程中焊枪嘴与焊接工件表面距离不变。确保电弧长恒定、焊丝伸出长度一致；工艺参数稳定，焊接表面成形好。生产实践证明该自动堆焊设备在锅炉水冷壁焊接生产修复中收到良好效果。是一种稳定、高效、低成本的锅炉水冷壁焊接专用设备。
关键词： 水冷壁； 仿形； 向下立焊； 自动堆焊
中图分类号： TK226+
Abstract： The automatic surfacing equipment is developed according to the structure characteristic of boiler water wall.Profiling technology and the pulse MIG swing and vertical down welding are adopted to weld and repair tube of the boiler water wall.The distance between the welding nozzle and the surface of tube is constant because of the profiling. The length of arc and the wire is constant.The equipment that has good effect in welding production repair of boiler water wall has been proved. It is a special equipment of stable， efficiency and low cost.
Key words： boiler water wall； profile modeling； vertical down welding； automatic surfacing
0 前言
锅炉水冷壁是锅炉的主要受热部件，它是由钢管加扁钢鳍片焊制而成。锅炉水冷壁分布在锅炉炉膛的四周，钢管的内部为流动着水或蒸汽[1]。工作时水冷壁管吸收炉膛中高温火焰和烟气的辐射热量起着热交换及降低炉墙温度保护炉墙作用。水冷壁是锅炉炉墙的重要结构件、受压件，蒸发的受热面。它提高了炉膛密封性及燃料热利用率。由于工作条件恶劣，管壁温度周期性的热交变应力极易引起疲劳破坏。水冷壁受到高温颗粒氧化腐蚀和冲蚀磨损极易减薄而造成局部鼓包、胀粗、变形、爆管等问题[2]。针对这些问题国内外常见水冷壁管修复方法有管段更换、热喷焊、堆焊等。
1 水冷壁结构及堆焊特点
锅炉水冷壁是布置在炉膛四周起炉壁作用，水冷壁管与管之间距离小，一般两管间距为5～20 mm，管径较细通常在40～80mm，而且管间有鳍片及管卡相互制约，表面呈小圆弧状。图1所示为锅炉水冷壁及炉墙示意图。水冷壁一侧面向炉膛另一侧完全被炉墙护住。其结构的特殊性修复时只能在炉膛内部一侧进行操作，大面积在现堆焊十分困难。针对锅炉水冷壁的结构特点开发设计了圆弧摆动自动水冷壁堆焊设备。
堆焊技术是利用焊接热源将具有一定性能的材料熔敷在基体（焊件）表面上，形成冶金结合的一种焊接工艺过程。堆焊的目的是利用焊接的方法在焊件表面获得耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能的熔敷金属层或是为了恢复或增加焊件的尺寸。堆焊可显著提高焊件的使用寿命，节省制造及维修费用，还可缩短修理和更换零件的时间，减少停机、停产的损失，从而提高生产率，降低生产成本。另外，应用堆焊能更合理地利用材料，以获得优异的综合性能，对改进产品设计也有重要意义。
2 锅炉水冷壁堆焊
2.1 控制焊枪嘴到工件之距离
在焊接过程中因被焊件结构问题，焊枪喷嘴与焊接工件距离经常会发生变化。由于喷嘴到工件之间距离发生变化引起焊接工艺参数的变化，从而影响了焊缝成形及焊接质量，甚至引起焊接过程的不稳定[3]。通常采用配合使用平特性或缓降特性电源等速送丝，通过电弧的自调节作用来保持弧长的稳定。它的缺点是因焊接电流发生变化而引起熔滴过渡稳定性和电弧燃烧的连续性变差，尤其在MIG焊中更加突出。另一种為变速送焊丝调节系统与陡降特性电源配合使用。当弧长变化时引起弧压发生变化，用电弧电压反馈信号控制送丝速度以保证电弧弧长保持不变。当工件与焊嘴的距离变化比较大时，仅靠焊接电弧弧长的自调和焊丝伸出长度的变化是不能满足焊接工艺要求的。MIG焊接中电弧和焊丝伸出长度制约自动焊中质量主要因素。焊丝伸出长度的变化对弧长，熔滴过渡方式等都有显著的影响[4-6]。
2.2 锅炉水冷壁堆焊
锅炉水冷壁堆焊设备的难点是保证焊枪嘴到焊接表面的距离保持不变，即焊枪与水冷壁钢管要始终保持相同的距离。要求焊枪运动轨迹与所焊钢管是同心圆弧，其理论圆心即为所焊钢管中心轴线。因中心轴在钢管内部，不能建立以中心轴为圆心的运动机构，以中心线为轴心进行摆动堆焊钢管外表面的设备是不可行的。为了解决这个问题，国内一些加工厂家在钢管外部建立了中心轴，以反向圆弧替代管壁圆弧进行摆动焊接如图2a所示。这种仿形误差很大，而且误差随着摆幅增大而增大。
较为先进的焊接方法是以直线替代圆弧方式进行类似的仿形焊接如图2b所示。这种非同类曲线的模拟近似，虽然比反向圆弧更接近实际圆弧但也是随着摆动加大产生误差越大；焊接伸出长度不一致，焊接电弧不稳定；堆焊曲面成形误差大，壁厚不均匀，焊接质量不理想。
2.3 同心圆弧仿形自动摆动堆焊
为保证焊接过程焊枪嘴堆焊表面等距，电弧长度恒定焊丝伸出长度一致，同时考虑降低机械与控制系统的复杂程度，本设计采用了机械仿形原理。一般常见的仿形机构是通过靠模仿形运动轨迹。这里使用了圆弧导轨控制焊枪行走轨迹替代了靠模仿形。圆形导轨集驱动与仿形于一体完成了锅炉水冷壁钢管仿形。 堆焊时焊枪座在圆弧导轨上做摆动运动，摆动模拟轨迹与水冷壁钢管成同心圆，如图3所示。用同心圆弧曲线仿形钢管表面曲线的焊接，保证枪嘴与工件的距离不变，电弧长稳定、焊丝伸出长度一致。从而保证了焊接表面成形，提高了水冷壁表面堆焊質量。
根据焊接熔敷金属成形特点，设计采用了向下单丝摆动立焊工艺。焊枪在沿水平圆周摆动同时还沿着水冷壁钢管进行轴向向下移动。这两种运动合成圆弧折线运动。焊枪水平圆弧摆动是随着圆弧导轨的摆动实现的，上下移动是通过圆弧导轨坐落的机架运动实现。
向下立焊枪摆动过程中，电弧对下部熔池液态金属有向下的作用力，对上部熔池液态金属有向上的作用。电弧力与重力共同作用，向下方向的熔池液态金属会流淌。由于摆动轨迹的特殊性，下一焊道向上的作用力正好是前一焊道向下的位置。在进行下一焊道时要覆盖前一焊道的一部分。前一焊道有部分金属已经凝固，下一焊道将已凝固的前一焊道的部分金属重熔，并在前一个焊道上施焊，这样获得较平且美观的焊缝，保证良好的焊缝成形。向下立焊使熔池金属对流传热加快，一定程度上解决了焊缝厚度、焊缝宽度与焊接速度的冲突，维持较好的堆焊成形，焊接质量容易控制。
水冷壁管具有良好的传热效果，壁厚度比较薄。在管外壁、鳍-管的堆焊中，采用了数字化脉冲自动 MIG堆焊工艺。脉冲堆焊具有热输入量小，合金元素烧损小，飞溅小等优异性能。同时脉冲堆焊可减少母材对焊层的稀释，获得更高的焊接效率。
3 结论
（1）该技术采用圆弧导轨仿形实现水冷壁外圆弧拟合。自动向下圆弧摆动立焊，仿形准确度高运动可靠。
（2） 采用数字化脉冲自动 MIG 焊在锅炉水冷壁上堆焊，堆焊层成形良好，无裂纹和气孔缺陷，堆焊层与基体熔合良好。
（3） 经试验检测和生产使用结果表明该机满足锅炉水冷壁堆焊工艺要求。是锅炉水冷壁的生产与在线修复经济有效的自动堆焊设备。
参考文献
[1] 朱宝殉，英庆昌. 电站锅炉水冷壁管的焊接修复[J]. 焊接，2008（12）： 61-62
[2] 王若愚. 管道修复的一种非常规焊接方法[J].焊接，2009（1）： 60-63
[3] 严春妍，胡绳荪，郭院波，等.CO2焊接弧长控制模型[J].焊接学报，2005，26（6）：69 -72
[4] 石玗， 黄健康， 樊丁，等. 铝合金MIG焊丝伸出长度视觉提取算法及动态过程辨识[J].焊接学报，2007，28（8）：1-4
[5] 张海波，黄胜全，杨世彦.脉动送丝对MAG焊射滴过渡的影响研究[J].新技术新工艺， 2004（8）： 39-40
[6] 朱志明，鲍云杰，于松涛.基于焊丝干伸长传感的焊矩高度实时控制系统[J].焊接学报，2002， 23（3）： 26-28
关键词： 水冷壁； 仿形； 向下立焊； 自动堆焊
中图分类号： TK226+
Abstract： The automatic surfacing equipment is developed according to the structure characteristic of boiler water wall.Profiling technology and the pulse MIG swing and vertical down welding are adopted to weld and repair tube of the boiler water wall.The distance between the welding nozzle and the surface of tube is constant because of the profiling. The length of arc and the wire is constant.The equipment that has good effect in welding production repair of boiler water wall has been proved. It is a special equipment of stable， efficiency and low cost.
Key words： boiler water wall； profile modeling； vertical down welding； automatic surfacing
0 前言
锅炉水冷壁是锅炉的主要受热部件，它是由钢管加扁钢鳍片焊制而成。锅炉水冷壁分布在锅炉炉膛的四周，钢管的内部为流动着水或蒸汽[1]。工作时水冷壁管吸收炉膛中高温火焰和烟气的辐射热量起着热交换及降低炉墙温度保护炉墙作用。水冷壁是锅炉炉墙的重要结构件、受压件，蒸发的受热面。它提高了炉膛密封性及燃料热利用率。由于工作条件恶劣，管壁温度周期性的热交变应力极易引起疲劳破坏。水冷壁受到高温颗粒氧化腐蚀和冲蚀磨损极易减薄而造成局部鼓包、胀粗、变形、爆管等问题[2]。针对这些问题国内外常见水冷壁管修复方法有管段更换、热喷焊、堆焊等。
1 水冷壁结构及堆焊特点
锅炉水冷壁是布置在炉膛四周起炉壁作用，水冷壁管与管之间距离小，一般两管间距为5～20 mm，管径较细通常在40～80mm，而且管间有鳍片及管卡相互制约，表面呈小圆弧状。图1所示为锅炉水冷壁及炉墙示意图。水冷壁一侧面向炉膛另一侧完全被炉墙护住。其结构的特殊性修复时只能在炉膛内部一侧进行操作，大面积在现堆焊十分困难。针对锅炉水冷壁的结构特点开发设计了圆弧摆动自动水冷壁堆焊设备。
堆焊技术是利用焊接热源将具有一定性能的材料熔敷在基体（焊件）表面上，形成冶金结合的一种焊接工艺过程。堆焊的目的是利用焊接的方法在焊件表面获得耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能的熔敷金属层或是为了恢复或增加焊件的尺寸。堆焊可显著提高焊件的使用寿命，节省制造及维修费用，还可缩短修理和更换零件的时间，减少停机、停产的损失，从而提高生产率，降低生产成本。另外，应用堆焊能更合理地利用材料，以获得优异的综合性能，对改进产品设计也有重要意义。
2 锅炉水冷壁堆焊
2.1 控制焊枪嘴到工件之距离
在焊接过程中因被焊件结构问题，焊枪喷嘴与焊接工件距离经常会发生变化。由于喷嘴到工件之间距离发生变化引起焊接工艺参数的变化，从而影响了焊缝成形及焊接质量，甚至引起焊接过程的不稳定[3]。通常采用配合使用平特性或缓降特性电源等速送丝，通过电弧的自调节作用来保持弧长的稳定。它的缺点是因焊接电流发生变化而引起熔滴过渡稳定性和电弧燃烧的连续性变差，尤其在MIG焊中更加突出。另一种為变速送焊丝调节系统与陡降特性电源配合使用。当弧长变化时引起弧压发生变化，用电弧电压反馈信号控制送丝速度以保证电弧弧长保持不变。当工件与焊嘴的距离变化比较大时，仅靠焊接电弧弧长的自调和焊丝伸出长度的变化是不能满足焊接工艺要求的。MIG焊接中电弧和焊丝伸出长度制约自动焊中质量主要因素。焊丝伸出长度的变化对弧长，熔滴过渡方式等都有显著的影响[4-6]。
2.2 锅炉水冷壁堆焊
锅炉水冷壁堆焊设备的难点是保证焊枪嘴到焊接表面的距离保持不变，即焊枪与水冷壁钢管要始终保持相同的距离。要求焊枪运动轨迹与所焊钢管是同心圆弧，其理论圆心即为所焊钢管中心轴线。因中心轴在钢管内部，不能建立以中心轴为圆心的运动机构，以中心线为轴心进行摆动堆焊钢管外表面的设备是不可行的。为了解决这个问题，国内一些加工厂家在钢管外部建立了中心轴，以反向圆弧替代管壁圆弧进行摆动焊接如图2a所示。这种仿形误差很大，而且误差随着摆幅增大而增大。
较为先进的焊接方法是以直线替代圆弧方式进行类似的仿形焊接如图2b所示。这种非同类曲线的模拟近似，虽然比反向圆弧更接近实际圆弧但也是随着摆动加大产生误差越大；焊接伸出长度不一致，焊接电弧不稳定；堆焊曲面成形误差大，壁厚不均匀，焊接质量不理想。
2.3 同心圆弧仿形自动摆动堆焊
为保证焊接过程焊枪嘴堆焊表面等距，电弧长度恒定焊丝伸出长度一致，同时考虑降低机械与控制系统的复杂程度，本设计采用了机械仿形原理。一般常见的仿形机构是通过靠模仿形运动轨迹。这里使用了圆弧导轨控制焊枪行走轨迹替代了靠模仿形。圆形导轨集驱动与仿形于一体完成了锅炉水冷壁钢管仿形。 堆焊时焊枪座在圆弧导轨上做摆动运动，摆动模拟轨迹与水冷壁钢管成同心圆，如图3所示。用同心圆弧曲线仿形钢管表面曲线的焊接，保证枪嘴与工件的距离不变，电弧长稳定、焊丝伸出长度一致。从而保证了焊接表面成形，提高了水冷壁表面堆焊質量。
根据焊接熔敷金属成形特点，设计采用了向下单丝摆动立焊工艺。焊枪在沿水平圆周摆动同时还沿着水冷壁钢管进行轴向向下移动。这两种运动合成圆弧折线运动。焊枪水平圆弧摆动是随着圆弧导轨的摆动实现的，上下移动是通过圆弧导轨坐落的机架运动实现。
向下立焊枪摆动过程中，电弧对下部熔池液态金属有向下的作用力，对上部熔池液态金属有向上的作用。电弧力与重力共同作用，向下方向的熔池液态金属会流淌。由于摆动轨迹的特殊性，下一焊道向上的作用力正好是前一焊道向下的位置。在进行下一焊道时要覆盖前一焊道的一部分。前一焊道有部分金属已经凝固，下一焊道将已凝固的前一焊道的部分金属重熔，并在前一个焊道上施焊，这样获得较平且美观的焊缝，保证良好的焊缝成形。向下立焊使熔池金属对流传热加快，一定程度上解决了焊缝厚度、焊缝宽度与焊接速度的冲突，维持较好的堆焊成形，焊接质量容易控制。
水冷壁管具有良好的传热效果，壁厚度比较薄。在管外壁、鳍-管的堆焊中，采用了数字化脉冲自动 MIG堆焊工艺。脉冲堆焊具有热输入量小，合金元素烧损小，飞溅小等优异性能。同时脉冲堆焊可减少母材对焊层的稀释，获得更高的焊接效率。
3 结论
（1）该技术采用圆弧导轨仿形实现水冷壁外圆弧拟合。自动向下圆弧摆动立焊，仿形准确度高运动可靠。
（2） 采用数字化脉冲自动 MIG 焊在锅炉水冷壁上堆焊，堆焊层成形良好，无裂纹和气孔缺陷，堆焊层与基体熔合良好。
（3） 经试验检测和生产使用结果表明该机满足锅炉水冷壁堆焊工艺要求。是锅炉水冷壁的生产与在线修复经济有效的自动堆焊设备。
参考文献
[1] 朱宝殉，英庆昌. 电站锅炉水冷壁管的焊接修复[J]. 焊接，2008（12）： 61-62
[2] 王若愚. 管道修复的一种非常规焊接方法[J].焊接，2009（1）： 60-63
[3] 严春妍，胡绳荪，郭院波，等.CO2焊接弧长控制模型[J].焊接学报，2005，26（6）：69 -72
[4] 石玗， 黄健康， 樊丁，等. 铝合金MIG焊丝伸出长度视觉提取算法及动态过程辨识[J].焊接学报，2007，28（8）：1-4
[5] 张海波，黄胜全，杨世彦.脉动送丝对MAG焊射滴过渡的影响研究[J].新技术新工艺， 2004（8）： 39-40
[6] 朱志明，鲍云杰，于松涛.基于焊丝干伸长传感的焊矩高度实时控制系统[J].焊接学报，2002， 23（3）： 26-28