1、三峡大型蜗壳的现场自动化焊接李正江（杭州凯尔达自动焊接装备有限公司.杭州）摘要：大型水电工程蜗壳自动焊接技术一直是国内水电施工单位重点研究的课题，在三峡工程的三期建设中，蜗壳焊接安装是一项庞大的工程，为新技术的应用创造了条件，也是焊接工作者面临的一项挑战。本文结合葛州坝集团机电安装公司在三峡蜗壳自动焊接施工中的突破性的实践，对目前国内蜗壳焊接技术进行了总结，对各种常用焊接工艺方法进行了对比，对脉冲 MAG自动焊的工艺、性能和经济效益进行了简要分析。0 序言三峡右厂 1518机组的 4 台蜗壳由东方电机股份有限公司设计，葛洲坝机电建设有限公司制造和安装。单台蜗壳由 36 节管节组成（最后 3 节
2、在座环上） ，设 3 个定位节和 2 节凑合节单节管节由厚度 75mm30mm 的 ADB610D 高强调质钢板卷制组焊后，用内支撑固定成形。蜗壳的水平中心线安装中心高程57.0m，蜗壳截面由进水口端半径 6200mm 沿座环外径渐变至出水口端半径1703mm。17和 18机蜗壳上部敷设弹性垫，16机蜗壳采用充水保压埋设，保压压力为 0.6Mpa，15机蜗壳采用直埋式浇砼。单台蜗壳的安装工程量为 966.4t（含内支撑重量） ，最大单节吊装重量 62 吨。蜗壳的结构简图如下：位 位位 R Z 位 R Z05 620 15 4898 1639104 611 18621 16 4808 16206
3、03 5956 18483 17 4701 1598702 5867 18289 18 4579 1573701 5820 1818 19 446 154641 576 18068 20 4306 15173 2 5684 17985 21 4132 14812 3 5626 17871 2 3954 14434 569 1757 23 3769 14057 5 512 17642 24 3573 13648 6 5454 17526 25 369 132187 5396 17408 26 309 12654 8 538 17289 27 2805 12046 9 5280 17170 28
4、2468 13710 522 17051 29 2160 10760 1 5164 1693 30 1914 10301 12 5105 16813 31 1703 94813 5043 1686 32 1703 948 14 4975 16548 RZ+Y+X12345678910112131415161718192021223242526272829 30 31 323343536050403020112345678910112131415161719202122324 25 26 27 281829303132位位图 1 蜗壳的结构简图1 蜗壳焊接技术现状蜗壳的制作包括制作场的拼装和蜗壳
5、安装现场的总装。在制作场里，首先用卷板机将钢板卷成瓦片，然后将已卷成弧形的几块瓦片立放在钢平台上对好焊成一个单节。在这里，焊接中的焊缝有两种：一种是由瓦片（弧形钢板）拼焊成单节时的立焊缝，其焊接工作量约占蜗壳焊接总工作量的 30%；而在蜗壳安装现场它就是全位置环缝。目前国内蜗壳焊接基本上仍依靠手工电弧焊完成，焊接生产率低，劳动强度大，作业条件差，生产成本高。其中蜗壳拼装场的蜗壳纵缝大都采用埋弧自动焊（SAW）和手工电弧焊技术，但在直径 8m 的蜗壳上埋弧自动焊的应用受到限制。安装环缝全位置焊接，95%以上仍采用 SMAW 完成，只有少数电站（如岩滩电站、五强溪电站及隔河岩电站）从国外引进设备和
6、材料少量应用半自动气体保护焊及药芯焊技术。针对水电工程建设的焊接技术落后于国家建设需要之现状，国内许多高等院校、科研院所及众多施工单位的广大焊接工作者对此十分关注和热心，近几年也做了许多研究工作，并取得了很大的进展。很多成果在三峡工程中都得到了实际应用。国外水电站压力钢管、蜗壳焊接尽量采用高效率焊接方法，以便缩短工期，降低成本。日本、美国在制作场除广泛使用 SAW 技术外，还选用半自动或自动立焊技术，以及 FCAW 方法，而安装环缝的焊接仍以 SMAW为主。但自上世纪七十年代以来，从未间断过安装环缝的自动化焊接技术的开发研究。如日本在新丰根、奥吉野、五原等水电站都使用了 MAG 全位置自动焊接
7、技术，还有 AAW-TIG 全位置自动焊接技术。日本尽管有的电站曾采用过上述两种全位置自动焊接技术，但其直径都小于 8m，美国在古力（二）电站的 10 条直径为11.4m 的压力钢管的安装环缝上采用的仍然是手工电弧焊。这表明，大直径厚壁蜗壳、压力钢管采用自动化的全位置焊接技术仍然是世界性的技术难题。2 自动焊系统的选择三峡水电站大直径蜗壳的直径进口为 12.4 米，要满足压力钢管焊接的需要，要求自动焊系统能够同时适应制作场和安装现场的技术要求，实现全位置自动焊接。经过认真考察，选用凯尔达生产的 WS-HM802FW全 位 置 自 动 焊 接 机 构 。 该 自 动 焊 接 设 备 重 量 轻
8、可 靠 性 高 ， 主 要 部 件 （ 电 机 、 齿 轮 采 用 日 本 原 厂 ）3 焊接工艺的比较大直径蜗壳的自动焊接，目前常用的工艺有自保护药芯焊丝、气保护药芯焊丝、实芯焊丝 MAG 焊（普通气保焊）和实芯焊丝的脉冲气保焊工艺等。自保护药芯焊丝在药芯成份中含有造渣剂、稳弧剂、脱氧剂、合金剂以外，还有造气剂（CaCO 3和石墨） 、金属蒸气保护剂（Mg 和 Al-Mg 合金） 、氮化物形成元素（Al 和 Ni） 。药粉大部分属 Ti 型酸性渣系，碱性渣系极少。国内岩滩和隔河岩使用了美国林肯 NR203Ni1%焊丝，从工艺评定试验结果看出，其韧性、塑性值较低，搞裂性较差。从操作施焊时可见飞
9、溅多（颗粒大且不易清除） ，烟尘大，易出气孔。其唯一的优点是设备简单，操作方便，不易受风的影响（允许风速 12m/s） 。气保护药芯焊丝是在吸收焊条和实芯焊丝优点的基础上发展起来的一种气渣联合保护的新型焊丝。药芯焊丝广泛应用于焊接低碳钢、低合金高强钢。采用药芯焊丝可显著改善电弧工艺性能，提高熔敷效率，降低焊接成本。药芯焊丝气保焊与实芯焊丝 CO2焊相比，它的飞溅小，不易堵塞焊嘴。药芯焊丝，特别是 CO2气体保护型药芯焊丝具有优良的工艺性能和熔敷金属力学性能，而一般的 CO2实芯焊丝不仅飞溅大，焊缝表面成型差，其熔敷金属力学性能也很差，大量的试验也证实了这一点。国内外目前生产的气保护药芯焊丝大部
10、分属于 Ti 型酸性渣系。氧化性很大，焊缝金属冲击韧性低，只适用于一般碳钢及低合金钢焊接。这类焊丝电弧稳定，气孔敏感性小，脱渣好，容易操作，但扩散氢含量高，焊接施工中，CO 气孔及氢致冷裂纹的倾向性增大，只适用于一般钢结构焊接。为了防止熔敷金属中扩散氢含量过高，及焊缝表面产生麻点斑痕，因此对母材预热温度及层间温度都提出了一定的要求。气保护实芯焊丝大部分采用富氩保护，因此焊缝金属的韧性、塑性好，可用于重要结构的焊接。药芯焊丝均为钛型酸性渣系焊丝，其焊缝熔敷金属扩散氢含量一般为 810ml/100g 左右，而实芯焊丝富氩气体保护电弧焊焊缝熔敷金属扩散氢含量一般在 0.5ml/100g 以下，远远低
11、于药芯焊丝气保焊。合理选择焊接方法及焊接材料是获得优质焊接接头的基础。由于三峡蜗壳的重要性，以及对其焊接接头性能提出的严格要求，根据我单位在三峡压力钢管的自动焊经验最终选定了三峡蜗壳自动焊接采用实芯焊丝富氩混合气体保护并配脉冲逆变焊接电源的焊接方案。4 脉冲气保焊的应用41 脉冲气保焊特点熔化极气保焊熔滴过渡有滴状过渡、喷射过渡和短路过渡等几种方式 1。射流过渡是喷射过渡的主要形式，这种方式过渡频率较高，熔滴尺寸小，电弧稳定并且焊缝成型较好。要实现射流过渡，焊接电流必须要达到射流过渡的临界电流值。熔化极脉冲气保焊，其脉冲波形的主要参数有：基值电流 Ib，脉冲电流 Ip，脉冲保持时间 tp 和脉
12、冲频率 fp 等，如图 3，正确选择和组合这些参数，就可以在稳定电弧、控制焊缝成形及限制热输入等方面获得良好效果 2。基值电流的作用是维弧，同时预热焊丝和母材。脉冲电流是决定脉冲能量的重要因素，脉冲电流值必须大于临界射流电流值才能保证在较低的平均电流下实现射流过渡。但是脉冲电流值不是固定不变的，它是随着脉冲持续时间及基值电流的变化而变化。脉冲气保焊的主要优点是具有较宽的电流调节范围，焊接过程稳定、无飞溅、可实现低线能量焊接，适合全位置焊和多种有色金属的焊接。目前国内比较常见的有伊萨电源 ARISTO2000 芬兰 KEMPPI 公司生产的 Kemppi Pro 系列和奥地利 FRONIUS公司
13、生产的 TRANSPULS SYNERGIC 系列和国产凯尔达 KEB-500 系列等，试验采用的焊接电源是国产凯尔达 KEB-500。焊接工艺参数由于蜗壳的钢板较厚，蜗壳的立缝开成双面 X 型坡口，为了保证焊透，采用半自动 MAG 焊（非脉冲）打底，正面的其它层采用自动焊（脉冲 MAG） 。背部采用碳弧气刨清根，然后打磨成 U 型，然后由自动焊焊接。自动焊采用摆动方式，摆动幅度25mm。焊接工艺参数见表共 4 页机电建设有限公司焊接工艺评定报告第 1 页评 定 报 告 编 号 2004-06 指导书编号 WPS2004-06 试 验 编 号 SXSG-01 焊 接 方 法 自动焊 母材牌号、
14、规格 60kgf/mm2 =60mm 与牌号、规格 60kgf/mm2 =60mm 相焊类别级别号 III 与类别级别号 III 相焊焊材焊条牌号、规格 / 烘 干 参 数 / 焊丝牌号、规格 CHW-65A 1.2mm 焊 丝 牌 号 CHW-65A 钨棒材料、规格 / mm 保 护 气 体 80Ar+20CO2 操作技术清 根 方 法 碳弧气刨 电 流 种 类 DC 是 否 摆 动 摆 动 极 性 反接 摆 动 参 数 / 焊 丝 伸 长 20MM 多道或单道焊 多层多道焊 喷 嘴 直 径 / 焊接坡口型式、尺寸: 焊接层次和顺序图:热处理规范预热温度 80100 加热速度 50/h 层间
15、温度 80230 保温方式 连 续 消氢热处理 200250 冷却方式 自然冷却 C Si Mn P S Cr N Mo化学成分610F 0.090.150.401.201.60 0.020 0.0300.100.30 0.200.100.30 b/Mpa s/Mpa s/% Akv/（J）力学性能610740 490 20 47（-20）共 4 页机电建设有限公司 焊接工艺评定报告 第 2 页焊 接 规 范焊序 填充金属焊接方法 层 道 牌号 规格焊接电流（A）电弧电压（V）焊接速度（cm/min）平均线能量（KJ/cm）备注自动焊 1 1 CHW-65A 1.2 反接 150-160 3.
16、5-5.0 19-35自动焊 2 1 CHW-65A 1.2 反接 125-135 3.5-5.0 19-35自动焊 3 1 CHW-65A 1.2 反接 125-135 3.5-5.0 19-35自动焊 4 1 CHW-65A 1.2 反接 125-135 3.5-5.0 19-35自动焊 4 2 CHW-65A 1.2 反接 125-135 3.5-5.0 19-35自动焊 5 1 CHW-65A 1.2 反接 125-135 3.5-5.0 19-35自动焊 5 2 CHW-65A 1.2 反接 125-135 3.5-5.0 19-35自动焊 6 1 CHW-65A 1.2 反接 11
17、0-120 3.5-5.0 19-35自动焊 6 2 CHW-65A 1.2 反接 110-120 3.5-5.0 19-35自动焊 6 3 CHW-65A 1.2 反接 110-120 3.5-5.0 19-35自动焊 1 1 CHW-65A 1.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 2 1 CHW-65A 1.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 3 1 CHW-65A 1.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 4 1 CHW-65A 1.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 4 2 CHW-65A 1
18、.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 5 1 CHW-65A 1.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 5 2 CHW-65A 1.2 反接 125-140 3.5-5.0 19-35自动焊 6 1 CHW-65A 1.2 反接 110-120 3.5-5.0 19-35自动焊 6 2 CHW-65A 1.2 反接 110-120 3.5-5.0 19-35自动焊 6 3 CHW-65A 1.2 反接 110-120 3.5-5.0 19-35最大线能45KJ/cm外观检查结论试 件 编 号 外观发现缺陷情况 评定结果元 素%母材SXSG-01 未
19、发现超标缺陷 合格检查单位 技质科 检查报告编号 检表 01无损探伤结论试件编号 探伤方法 缺陷性质 评定等级 评定结果SXSG-01 UT 未发现超标缺陷 级 合格SXSG-01 RT 未发现超标缺陷 I 级 合格SXSG-01 PT 未发现超标缺陷 级 合格检查单位 技质科 检查报告编号 SXSG-01共 4 页机电建设有限公司 焊接工艺评定报告 第 3 页机械性能试验结论拉力试验:宽度 厚度 屈服极限 强度极限试样编号(mm) (mm) s(Mpa) b(Mpa)断裂位置和缺陷试验结果SXSG-01 / / / 675 母材 合格SXSG-01 / / / 690 焊缝 合格检验单位 宜
20、昌船舶柴油机厂检验处 检验报告编号 041806弯曲试验:弯曲直径 弯曲角度 180 度试样编号(mm) 面弯 背弯 侧弯缺陷 试验结果SXSG-01 40 / / 4 无 合格/ / / / / / / / / / / / / / / / /检验单位 宜昌船舶柴油机厂检验处 检验报告编号 041806冲击试验:42 力学性能试验根据蜗壳立焊焊接工艺指导书的要求，对立缝焊接试件进行了力学性能试验。对标准拉棒试样进行的拉伸试验，断裂位置位于焊缝区，结论为合格；在-20下进行冲击试验，结论为合格； 5 经济效益分析蜗壳全位置自动焊接技术，通过大量的工艺试验和评定，自动立焊、自动横焊及自动平角焊已在
21、三峡二期压力钢管制造施工中得到了广泛的应用，全位置自动焊工艺在安装现场环缝焊接也实现了成功应用。和手工电弧焊相比，立缝自动焊的生产效率提高了 2.3 倍，节约成本 36%；自动横焊生产效率提高 4.2 倍，节约成本 42%；自动平角焊（加强劲）生产效率提高了 5 倍，节约成本 43%。自动焊技术的应用，大大缩短了工期，保证了焊接质量（全位置自动焊焊缝外观成型好，提高焊缝无损检测的一次合格率，平均一次合格率可达 99.95%以上） ，为施工企业带来了巨大的社会效益和经济效益6 结论（1） 大直径厚壁蜗壳采用全位置自动焊接技术仍然是世界性的技术难题，三峡蜗壳采用全位置自动焊技术在国内水电工程建设中
22、实现了技术突破，增强了施工企业的核心竞争力；（2） 脉冲 MAG 工艺结合自动焊技术改善了焊缝成型，提高了焊接质量，满足了焊缝区低温冲击韧性的要求；（3） 在三峡蜗壳制造安装工程中采用自动化焊接技术，很大程度上减轻了焊工的劳动强度，改善作业条件，降低了焊接生产成本，提高了工作效率，带来了巨大的社会效益和经济效益。缺口 缺口 试验 冲击功(J)试样编号位置 型式 温度 焊缝、热影响区评定结果SXSG-01 母材60kgf/mm2V -20 260,276,278（热影响区） 合格SXSG-01 焊缝 V -20 152,152,108 合格检验单位 宜昌船舶柴油机厂检验处 检验报告编号 041806
