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

2、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

3、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,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

4、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;焊

5、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”

6、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

7、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

8、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

9、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,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

10、导致电极夹紧力不足,进而影响焊接质量的问题;备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.一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题;而在船

11、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缎屯交流: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一2O%到480V+10%之间波动时,对输出无影响(<2%);中频直流输出,没有电感,过零点和峰值冲

12、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u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

13、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

14、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.】一6一捌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

15、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一致.即将传动轴,驱动轮轴,焊接电极轴一端与电机输出轴连接固定.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

16、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

17、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

18、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总,编辑存档,工作量相当大.同时邀请质量检验人员,GTI公司,船级社检验人员现场对焊接质量进行检查控制,其工作量也非常大.而在大规模造船作业时,等待GTr公司或船级社人员进行检验也造成等工.制约了生产效率的提高.而在焊接后进行检验,如有不合格,只能进行手工切割,修补,影响整船建造质量,也会浪费大量的人力物力.因此,国产化设备应采用先进的全数字控制,监控,记录系统.通过外接工控计算机,精密检测仪等,实现焊接过程的全数字控制,在线质量控制,焊接数据自控记录及汇总功能,保证对每一条焊缝有据可查.这样,上班时只需要输入自己的工号