LNG船殷钢列板缝焊机MO2国产化的思考

1、LNG 船殷钢列板缝焊机( MO2 )国产化的思考LNG 船殷钢列板缝焊机 (MO2) 国产化的思考李海华提要殷钢列板缝焊机(M02)为LNG船围护系统建造的核心设备之一 目前该设备仅国外几家公司能够生产 .该设备性能的可靠性 ,稳定性 ,直接决定着 LNG 船建造速度 .而进口设备也因多种原因 ,在国内使用存在着各种问题 .殷钢列板缝焊机的性能严重 制约了 LNG 船建造的进度和生产成本 .本文着重介绍该设备国产化的必要性 ,国产化研究方向和 解决方案 .关键词殷钢列板缝焊机 M02 围护系统 LNG 船LNG 船是国际公认的高技术 ,高难度,高附加 值的 ”三高 ”产品 .目前世界上只有我

2、公司 ,欧 洲,日本,韩国等少数国家的船厂能够建造 .根据 法国n公司N096型LNG船建造的专利技术， 液货舱薄膜围护系统是该型 LNG 船建造的核心技 术.而其薄膜围护系统主要由含镍 36%的殷钢 (INVAR)材料焊接而成除了少数手工焊接外，殷钢列板缝焊机的工作量占到总焊接工作的 80%左右.因此,殷钢列板缝焊机是薄膜围护系统乃至LNG 船建造的关键核心设备之一 . 在薄膜围护系统建造过程中 ,基本上只有在殷 钢列板缝焊机焊接工作结束 .才能开展其他的焊接 工作 .焊接过程中出现任何焊接问题 ,都必须人工 切割缺陷部位 ,并进行手工氩弧焊焊接修补 ,由此 造成大量的人工消耗 .同时 ,由

3、于殷钢列板缝焊机 的焊接工作占到殷钢焊接总长度的比重非常大 ,其 焊缝的质量直接关系到围护系统建造结束时气体密 性试验泄漏点的数量 ,其重要性可见一斑 . 为了确保围护系统的建造质量 ,Gr 几公司要求 每台殷钢列板缝焊机在引进之初必须进行严格的认 证试验 .对操作的焊工要求考证 ,持证作业 .而 且.每天每台设备上船之前都必须焊接试样并进行 金相试验 .只有合格设备才允许上船作业 .甚至对 可能存在焊接缺陷的设备 ,在生产中也需要临时焊 接试样并进行金相试验 ,以确定是否能继续进行生 产1 殷钢列板缝焊机简介 殷钢列板缝焊机由两部分组成 ,即焊接机 头（见图 1）,以及包括控制 ,电气柜 ,

4、冷却系统等在内的焊接电源小车 （见图 2）.缝焊工件 :焊件为 1.0,0.5,0.7组合 , 0.7,0.5,0.7组合,1.5,0.5,0.7组合的殷钢板 （单位 mm）;焊接机头 ,与其焊接电源连接的电缆和冷却 管等 .要求能放置于小车上 ,并能轻松移动 .其长 度为 25 米左右 ,当焊接电源小车固定时 ,能满足 焊接 45 米长的焊缝 :焊机工作范围 :围护系统液货舱内包括顶 面 ,侧面在内各平面上的殷钢列板焊接 ; 焊接机头应能由两个人轻松地搬动 ,举起及 固定，机头重量不大于55kg.焊接机头应能自动 夹紧焊件 ,包括顶面仰焊 ;焊接电源小车 ,机头及连接电缆的重量能满 足脚手架

5、承载要求 .焊接机头在焊接工件上能够自行驱动行走和 焊接 ,并带有自动循环冷却系统对焊接滚轮进行实 时冷却:为满足在脚手架上行走 ,焊接电源小车 （含 控制箱,电气柜,冷却液箱子在内 ）尺寸要求 :长 度:1400mm;宽度:650mm;高度:1180mm;旱机动能需求：空气压力最大6bar;电力供应 :380V/50Hz ±10%:为保证焊接质量 ,本机要求具备电流检测和 自动补偿功能 :为保证列板最大自动焊接长度 ,以及受列板宽度(700mm)的限制，焊接机头尺寸要求：最大长度:500mm:最大宽度:400mm;最大高度： 370mm.殷钢列板缝焊机是基于电阻焊而开发的 .如图1

6、 所示.焊接机头中前后两组为驱动滚轮 ,驱动滚27图1图2轮之间是焊接滚轮 ,焊接时三组滚轮将三块殷钢板 以一定的压力组合夹紧并在滚动的同时完成焊接 焊接后熔合金相见图 3.2 目前进口殷钢列板缝焊机存在的问题 我公司目前使用的殷钢列板缝焊机主要是法国ERI公司的产品.该公司在法国GTI”公司研制LNG船之初，便与GTT公司合作开发研制建造LNG 船的相关专用加工 ,焊接设备 .欧洲,日本 和韩国相关船厂初次建造 LNG 船时,均引进该公 司的设备 .28然而 ,由于其在该领域一家独大 ,其生产的设 备需要较为苛刻的外部使用条件和很高的操作技 能 .对殷钢列板缝焊机而言 ,其焊接电流和焊接速

7、度的稳定性直接影响了焊缝的成型 ,也即影响焊接 的质量在第一条LNG船引进设备时，法国ERI 公司使用的是压缩空气驱动技术 ,电流反馈措施等 需要另行增加检测 .这样,殷钢列板缝焊机在焊接 时的电流和速度缺乏足够的稳定性 .为了提高和改进NO96型LNG船的工艺.韩 国和 13 本的专业公司不断改进技术 ,并根据建造工 艺研发了自己的殷钢列板缝焊机技术 .例如,在控 制技术方面 ,采用了伺服电流测速发电机反馈 ,或 图 3 焊后熔合金相图编码器反馈 ,或中频控制技术 .通过这些技术 ,焊 机在很短的时间内就使电流达到稳定 ,在焊接过程 中,电流与焊接速度一样保持稳定不变 .在建造 LNG 首制

8、船中,我们发现 ,法国 ERI 公司殷钢列板缝焊机虽然在电动驱动焊接 ,电流反 馈型式等方面进行了一些改进 ,但焊接性能因为诸 多原因并不能令人满意 .缝焊机的主要问题归纳如下:焊接时机头走走停停 ;或机头行走 ,不焊接 ;或机头不走焊接却不停止 : 焊接中突然停电 ,焊接停止 ;冷却液泄漏 ,或冷却液温度过高 ,停止焊接;对压缩空气要求高而且敏感 ,导致焊接轮夹 紧力不够 ,影响焊接质量 ;焊接速度电路板位于机头变压器处 .变压器 产生的高温造成速度控制板的损坏 :电流反馈线长25m,无法做到有效屏蔽，致 使焊接不稳定 :交流电源造成电网波动大 .影响焊接质量 ; 焊接轮磨损过快 .针对上述

9、问题 ,我们在后续船建造中设法从多 个方面予以改进 .法国 ERI 公司也采取了相应的 措施 :如采用更好的冷却管接头 ,在速度板和变压 器件之间增加隔热片 ,并给速度板增加散热片 ,改 进焊接控制板和电流反馈的屏蔽保护等 .但这些措 施的实施效果并不满意 .后期还因一些新的问题使 得殷钢板烧穿 ,造成不必要的返工和材料浪费 . 殷钢列板缝焊机的各种问题使得设备维护保养 承受了很大的压力 .备品备件的供应又成为新的问题 ,导致设备的完好率急剧下降 ,严重影响了建造 进度.韩国的殷钢列板缝焊机也曾在我司进行了试验 和使用 .结果显示 ,韩国设备也存在 ”水土不服 ” 等一系列问题 .由此可见 ,

10、进口设备的使用 ,除了考虑国外供 应商介绍的技术性能和指标外 .还必须考量在中国 现实应用环境中的使用效果 .推进核心制造技术的 国产化是解决上述问题的必由之路 .3 殷钢列板缝焊机国产化的重点与技术突破3.1 国产化的突破点在于对进口设备存在问题的 分析和认知 .为此 ,公司领导确定了国产化殷钢列 板缝焊机的研发重点如下 : 减少外部供电系统及电网的波动对焊接质量 的影响:提高设备抗干扰的能力 .杜绝设备走走停停 等误动作 ;解决焊接控制板 ,焊接板及速度板等重要部 件稳定性造成的误动作 ,及容易损坏问题 ;29解决外部供应压缩空气不稳定导致电极夹紧 力不足 ,进而影响焊接质量的问题 ; 备

11、品备件如焊接滚轮国产化 .3.2 殷钢列板缝焊机国产化的难点及解决方案3.2.1 整机控制系统 进口设备主要采用电路控制板对设备供电 ,供 气 ,冷却水系统 ,焊接及焊接速度进行控制 ,理论 上是比较先进的 .但由于现场作业环境的制约 ,当 殷钢缝焊机焊接作业时 ,船上有大量的其他设备在 使用 ,造成了该设备的供气系统有较大波动 ;同时 外部供电网络的波动加之船上其他作业面的大量 CO 焊机的使用 ,影响对该设备的供电 ,进而对设 备的电路板等电器元件造成较大的冲击 ,并对其电 流反馈回路造成较大影响 ,致使设备工作不稳定 .些设备在实验室环境下的试验非常正常 ,但上船 作业便出现各种各样的问

12、题 ;而在船上检测出的已 损坏的控制板 ,焊接板及速度板 ,经专业检修时检 测却是可用的 .综合考虑各种因素 ,国产化殷钢列 板缝焊机在研发之初就确定采用中频电源系统 .交 流电源与中频电源比较见图 4.l,J 缎交流:椒i 柏 中频:交流中频馥拳 .状凇l 耗漉HzAClHzDCl交流电源与中频电源的基本原理比较 交流电源与中频电源的输出波形比较图 4 交流电源与中频电源基本原理及输出波形比较3O中频电源系统的优势在于三相平衡输入：相平衡负载 ,减少对供电系统功率的要求 ;功率因 素接近 1,消除对供电电源的污染 ：输入电压在400v 20%到480V+10%之间波动时，对输出无影响(&am

13、p;lt;2%);中频直流输出，没有电感,过零点 和峰值冲击 ,提高热量输入效率 ,降低焊接电流和 机械压力 ,可以延长焊接轮的使用寿命 ;焊接时间 调整精度为毫秒级 ,可以对焊接的时间任意控制 , 调整精度和监视精度比交流系统高 2O 倍.3.2.2 焊接控制系统 进口设备采用的是无刷直流调速电机 ,国产化 改用交流伺服系统 .交流伺服系统的原理是交流伺 服电机内部的转子式永磁铁 .伺服驱动器控制的 uW厂三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下 转动 :电机自带的编码器反馈信号给驱动器 ,驱动 器根据反馈值与目标值进行比较 ,调整转子的转动 角度. 交流伺服系统与进口设备所用的直流调速电机

14、相比具有以下优势 :无电刷和换向器 ,工作可 靠,对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方 便,长时间焊接不会使焊接轮温度过高；惯量 小，易于提高系统的快速性；适应于大力矩工作 状态:同功率下体积更小 ,重量更轻 .3.2.3 焊接滚轮导电及冷却系统 目前,国内同类电阻焊的焊机 ,其导电轴的冷 却采用单一的串联水路 ,冷却液通过铜管首先进入 电极部分 .冷却电极后流回导电轴内部 , 经总回口流出 ,此时流出电极的冷却液温度较之流人温度有 明显的提升 ,冷却效果不好 .导电轴及电极易于发 热 ,影响使用寿命及焊接质量 . 解决方案是 :将导电轴 （包括基体 ,铜管,压 套,封堵 ）基体上部一侧设置

15、冷却液总回口 ,并使 其与基体内部的轴向中心孔连通 ,铜管置于所述轴 向中心孔内 ,其上端外壁与基体焊接固定 ,其下端 外壁与封堵焊接固定 ,铜管上管 I=3 为冷却液进口 铜管下管口与设置在封堵上的冷却液出口连通,该封堵上设置有与基体内部的轴向中心孔连通的冷却 液回口 .所述基体外侧套装有与其固为一体的压 套 ,其上开有两组环状沟槽 ,该环状沟槽与所述压 套之间构成密封环状管道 ,其中一组环状管道上端 口与设置在基体内的轴向管道连通 .该轴向管道上 端口为冷却液进口 ,该组环状管道下端口与另一组 环状管道下端口连通 ,该另一组环状管道上端口与 所述基体内部的轴向中心孔连通 .X】ocj 一

16、6 一 捌田一 厂门 该方案的显着效果是 :冷却液循环管路两路布 局 ,分别对焊接电极及导电轴进行冷却 ,使焊接产 生的热量快速被冷却液带走 ,延长导电轴及电极使 用寿命 .减少设备重要零部件的更换频率 .3.2.4 焊接同步驱动机构 对属于阻焊的焊接设备 ,焊接轮的速度与工件 运动的速度相一致是焊接成功的重要因素之一 .目 前.国内阻焊设备的焊接轮与工件运动的驱动源往 往不同 ,在设备使用中 ,只能通过调节两种不同动 力源进而实现其速度相同 .解决该问题的关键是使用同一动力源驱动缝焊 轮 ,并使工件运动 ,实现焊接速度与工件运行速度致 .即将传动轴 ,驱动轮轴 ,焊接电极轴一端与 电机输出轴

17、连接固定 .其上依次固定有三组蜗杆 . 每组蜗杆两侧分别装配有与其啮合传动且旋转方向 相反的两个蜗轮 ,位于两边的两对蜗轮与驱动轮轴 固定连接 .中间的一对蜗轮与焊接电极轴固定连 接 ,驱动轮轴上装有驱动轮 ,焊接电极轴上装有焊 接电极 .该方案的突出效果是 :通过简单的机械结构实 现了同一动力源驱动缝焊电极及工件运行 ,实现焊 接速度与工件运行速度相一致 ,有利于焊缝成型和 提高焊接质量 ,无需调节两种不同动力源 .3.2.5 焊接轮的正反方向同步驱动机构 殷钢列板缝焊机工作时 ,两组焊接轮分别位 于工件的两侧 ,工件沿一个方向运动时 ,两组焊 接轮需正反方向转动 ,且同步转动非常重要 ,是

18、 影响工作质量的关键因素 .目前已知的电阻缝焊 机焊接轮正反方向同步传动机构 ,大多采用旋转 方向相反 ,由减速箱串联的复杂机械机构方式来 实现,成本高 ,所需空间大 ,对应用于特殊场合 的一些小型电阻缝焊机 ,这种方式的同步传动则 不好实现 解决传统电阻缝焊机同步传动机构问题 .关键 是采用简单机械结构形式 ,将传动轴 （包括蜗杆 , 蜗轮在内 ）与焊接设备动力源的减速机输出轴连接 固定 ,该传动轴上装有与其固定连接的蜗杆 .该蜗 杆两侧分别装配有转向相反的蜗轮 ,蜗轮与焊接轮 轴固定连接 .此方案的显着效果是 :通过简单的机械结构实 现了焊接轮的反向同步转动 ,结构紧凑 ,成本低 廉 .殷

19、钢列板缝焊机机头的体积明显缩小 ,重量减 轻 ,有利于降低工人的劳动强度 .3.3 国产殷钢列板缝焊机的技术哭破 在 LNG 船的建造过程中 ,对于质量的控制非常严格 .每台设备在每天上船作业前必须焊接试样 .并对试样进行金相分析 ,合格的设备方可上 船 :在焊接过程中也需要经常对设备速度 ,焊接 轮的压力进行稳定性检测 .每条焊缝 ,还需严格 记录所用焊接设备电控箱的编号 ,焊接机头的编 号,焊接的电流 ,气压 ,功率因素等焊接参数 , 以及操作人员等等 .当对整个货舱进行密性试验 及交船后发生泄漏时 ,便于跟踪所用设备 .与焊 接操作人员进行焊缝质量分析 ,确保焊接质量处 于受控状态 . 这些数据必须在焊接的同时进行手工记录 ,并 在焊接工作结束后进行汇