□韓保材□李鋼

北鋼管業(yè)（營(yíng)口）有限公司遼寧營(yíng)口115007

論直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接工藝及設(shè)備

□韓保材□李鋼

北鋼管業(yè)（營(yíng)口）有限公司遼寧營(yíng)口115007

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備主要包括預(yù)焊機(jī)、內(nèi)焊機(jī)、外焊機(jī)三大主機(jī)。介紹了直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接工藝流程、焊接設(shè)備及相關(guān)配置，對(duì)新建或改造直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備的選型、技術(shù)配置、工藝布置及投資預(yù)算等有參考作用。

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線最重要的工序是管坯焊接，主要通過(guò)預(yù)焊機(jī)、內(nèi)焊機(jī)和外焊機(jī)三大主機(jī)來(lái)完成。焊接前先進(jìn)行JCO成形或UO成形。成形機(jī)通過(guò)上下模具對(duì)預(yù)彎邊后的一半鋼板進(jìn)行多次步進(jìn)壓制，先將鋼板壓成橫臥的J形，再將另一半鋼板通過(guò)同樣工序壓成橫臥的C形管坯，最后對(duì)C形管坯中部進(jìn)行壓制，形成開(kāi)口的O形管筒，這是鋼板的JCO成形。C成形機(jī)通過(guò)上下模具對(duì)預(yù)彎邊后的鋼板一次壓制成U形，U形管坯經(jīng)過(guò)傳送裝置傳輸至O成形機(jī)，O成形機(jī)下模具固定，上模具壓制將U形管坯壓制為開(kāi)口的O形管坯，這是鋼板的UO成形。JCO或UO成形后的開(kāi)口管坯經(jīng)預(yù)焊機(jī)實(shí)現(xiàn)管坯合縫，完成初步焊接。合縫預(yù)焊后的管筒由內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行內(nèi)坡口的焊接，焊接完成后再由外焊機(jī)進(jìn)行管筒外坡口的焊接。在內(nèi)、外焊機(jī)的作用下，焊絲與內(nèi)、外坡口實(shí)現(xiàn)高溫熔化并凝固，成形后的開(kāi)口管坯最終焊接成為帶有一條直焊縫的完整鋼管?？梢?jiàn)，直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備的相關(guān)配置在一定程度上會(huì)影響生產(chǎn)效率、產(chǎn)能、能耗、鋼管質(zhì)量及投資成本等。

1 焊接工藝

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線[1]的焊接工藝是指對(duì)JCO[2]或UO[3]壓制成形后的管坯進(jìn)行預(yù)焊、內(nèi)焊、外焊三道工序，使管坯形成一根完整且質(zhì)量合格的鋼管。

預(yù)焊方式采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，對(duì)JCO或UO壓制成形的管坯在外坡口頓邊處進(jìn)行焊接，從而將開(kāi)口的管坯焊接合縫成為一根完整的管筒。經(jīng)預(yù)焊機(jī)焊接合縫后的管筒進(jìn)入內(nèi)焊工序。

內(nèi)焊方式采用埋弧自動(dòng)焊對(duì)管筒的內(nèi)坡口進(jìn)行焊接，內(nèi)焊完成的鋼管進(jìn)入外焊工序[4]，從而完成開(kāi)口管坯到埋弧焊管的全部焊接過(guò)程。

焊接工藝流程[5]如圖1[6]所示。

圖1 焊接工藝流程

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備由預(yù)焊機(jī)、內(nèi)焊機(jī)和外焊機(jī)三大主機(jī)及其輔助傳送設(shè)備組成。現(xiàn)有自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)線基本采用橫移車及V形直線輥道的方式對(duì)鋼管進(jìn)行縱向和橫向輸送，鋼管在運(yùn)輸過(guò)程中V形儲(chǔ)料臺(tái)架放置待料。三大主機(jī)沿工廠廠房軸線橫向布置，中間由輔助傳送設(shè)備連接橫移車、V形直線輥道及V形儲(chǔ)料臺(tái)架。通過(guò)橫移車將成形后的管坯運(yùn)送到預(yù)焊機(jī)上料工位，預(yù)焊合格后的管筒再由橫移車運(yùn)往下道工序。如果廠地空間足夠，為便于鋼管儲(chǔ)存，預(yù)焊機(jī)與內(nèi)焊機(jī)之間可以采用兩道V形儲(chǔ)料的方式。考慮到鋼管運(yùn)輸效率，每道鋼管儲(chǔ)存區(qū)均配備兩臺(tái)橫移車。預(yù)焊后的鋼管不一定100%合格，為了提高鋼管焊接質(zhì)量，預(yù)焊后需要留有預(yù)焊后修補(bǔ)工位，一般在V形直線輥道上布置兩個(gè)升降旋轉(zhuǎn)輥或離線布置兩個(gè)固定升降旋轉(zhuǎn)輥。根據(jù)工廠設(shè)計(jì)產(chǎn)能，內(nèi)焊機(jī)和外焊機(jī)可以配置不同的臺(tái)數(shù)，但基本均采用縱向平行布置的方式。內(nèi)外焊機(jī)之間的輔助傳送設(shè)備與預(yù)、內(nèi)焊機(jī)之間的傳送設(shè)備相同，同樣內(nèi)焊不合格的鋼管也需要修補(bǔ)，要留有內(nèi)焊后修補(bǔ)工位。焊接設(shè)備工藝平面布置[6]如圖2所示。

圖2 焊接設(shè)備工藝平面布置

2 預(yù)焊機(jī)

電液伺服數(shù)控預(yù)焊機(jī)[7]包括預(yù)焊機(jī)主體、推料裝置、輸送輥道、焊接系統(tǒng)、焊接輔助裝置，以及配套的液壓、潤(rùn)滑、氣動(dòng)、電氣系統(tǒng)等，用于使成形后的管坯合縫，采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行連續(xù)焊接。在合縫過(guò)程中，根據(jù)激光跟蹤系統(tǒng)顯示的誤差，實(shí)時(shí)調(diào)整和糾正錯(cuò)邊量與合縫間隙，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、管坯合縫、連續(xù)焊接和自動(dòng)出料等多種功能，能連續(xù)、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗地完成直縫管合縫預(yù)焊。

預(yù)焊機(jī)焊接過(guò)程如下：管坯通過(guò)橫移車運(yùn)送至預(yù)焊機(jī)縱向輸送輥道上，縱向輸送輥道將鋼管傳送至旋轉(zhuǎn)工位，此時(shí)升降旋轉(zhuǎn)輥升起，旋轉(zhuǎn)管坯使管坯開(kāi)口朝向12點(diǎn)鐘位置；升降旋轉(zhuǎn)輥落下，管坯再次被放置在預(yù)焊機(jī)縱向輸送輥道上；環(huán)形架合縫輥根據(jù)管徑事先調(diào)整好，所有設(shè)備就緒后按焊接啟動(dòng)鍵，此時(shí)推料系統(tǒng)、焊機(jī)系統(tǒng)、合縫伺服系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)；管坯在推料裝置推料鏈條擋塊的作用下向前運(yùn)行，運(yùn)行的同時(shí)完成焊接。焊接過(guò)程中激光跟蹤發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)邊等可反饋至合縫伺服系統(tǒng)，從而控制相應(yīng)液壓缸對(duì)徑向錯(cuò)邊等進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正，直至最終完成管坯焊接。推料系統(tǒng)由變頻電機(jī)、行星減速機(jī)、鏈輪鏈條、推料擋塊、鏈條支架等組成，用于推動(dòng)鋼管在合縫輥籠中合縫。

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線預(yù)焊機(jī)焊接系統(tǒng)采用單絲直流氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為二氧化碳和氬氣，可適應(yīng)直徑為2.4～5.0 mm的焊絲。焊接電源系統(tǒng)采用Power Wave AC/DC 1000 SD型數(shù)字化逆變電源，兩臺(tái)電源并聯(lián)使用，穩(wěn)定輸出電流可達(dá)1 500 A?？刂破鳛镸AXsa 19型，送絲機(jī)為MAXsa 29型。電流和電壓大小均可在操作面板上控制，內(nèi)置線性電壓補(bǔ)償，即使輸入電壓有10%波動(dòng)，仍能保持輸出電壓穩(wěn)定，以獲得良好的焊接質(zhì)量。通過(guò)設(shè)置為恒壓狀態(tài)，可以調(diào)高斷路電流電壓保證良好起弧。變壓器和整流器通過(guò)內(nèi)置熱敏電阻來(lái)防止過(guò)載或超溫，所有控制和測(cè)量回路的連接都為插頭形式，方便拆接線以簡(jiǎn)化故障維修。

焊接過(guò)程中坡口采用激光焊縫跟蹤的方式，配備Mate激光傳感器，用于測(cè)量水平和豎直方向上坡口邊緣情況。掃描范圍為寬度30 mm／45 mm，高度為34 mm。激光跟蹤控制器在水平和豎直方向的跟蹤精度為±0.2 mm。V形和I形坡口的激光掃描帶有約1 mm的開(kāi)口，坡口邊緣顯示精度為0.1 mm，坡口寬度和錯(cuò)邊顯示精度同樣為0.1 mm。控制系統(tǒng)可通過(guò)以太網(wǎng)接口實(shí)時(shí)輸出全數(shù)字量焊縫輪廓信息，通過(guò)與合縫輥液壓系統(tǒng)相互匹配，從而達(dá)到預(yù)焊閉環(huán)控制。

預(yù)焊工藝流程[8]如圖3所示。

圖3 預(yù)焊工藝流程

（1）系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)和控制上游待料管位的管坯，并將管坯運(yùn)送至預(yù)焊機(jī)接料工位，完成上料。

（2）通過(guò)縱向輸送輥道將管坯輸送至環(huán)形架內(nèi)部的焊接工位。

（3）旋轉(zhuǎn)輥升起，將管坯托起并旋轉(zhuǎn)管坯，使管坯開(kāi)口旋轉(zhuǎn)到12點(diǎn)鐘位置。

（4）旋轉(zhuǎn)輥落下，旋轉(zhuǎn)到位的管坯經(jīng)合縫輥使管坯合縫。

（5）啟動(dòng)焊接系統(tǒng)，對(duì)合縫后的管坯進(jìn)行連續(xù)焊接。

（6）鋼管從頭部焊接到尾部后，焊接系統(tǒng)停止工作，管坯完成焊接，成為一根完整的管筒。

（7）焊接完成的管筒通過(guò)縱向輸送輥道輸送至預(yù)焊機(jī)出料工位。

（8）系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)和控制下游管位的管筒狀態(tài)，并將管筒運(yùn)送至指定管位，完成下料。

預(yù)焊機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖[6]如圖4所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 預(yù)焊機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖

3 內(nèi)焊機(jī)

內(nèi)焊機(jī)用于對(duì)預(yù)焊后的管筒內(nèi)坡口進(jìn)行埋弧焊接，可根據(jù)工藝選擇相應(yīng)的焊接參數(shù)及焊絲、焊劑等，確保焊縫形貌和理化試驗(yàn)性能達(dá)到要求。在焊接過(guò)程中采用鋼管移動(dòng)、焊頭固定的方式完成自動(dòng)埋弧焊接。內(nèi)焊機(jī)主要由焊接機(jī)頭、焊臂、底座、升降機(jī)構(gòu)、焊接系統(tǒng)、焊接車、焊接接地裝置、內(nèi)焊監(jiān)視系統(tǒng)、焊劑輸送回收裝置、內(nèi)焊平臺(tái)和控制系統(tǒng)等組成。

內(nèi)焊機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖[6]如圖5所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

4 外焊機(jī)

外焊機(jī)用于對(duì)內(nèi)焊后的鋼管外坡口進(jìn)行埋弧焊接,可根據(jù)工藝選擇相應(yīng)的焊接參數(shù)及焊絲、焊劑等，確保焊縫形貌和理化試驗(yàn)性能達(dá)到要求。在焊接過(guò)程中采用鋼管移動(dòng)、焊頭固定的方式完成自動(dòng)埋弧焊接。外焊機(jī)由焊接電源、控制箱、送絲系統(tǒng)、焊劑輸送系統(tǒng)、焊劑回收系統(tǒng)、焊接車、焊接機(jī)頭、升降機(jī)構(gòu)、焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、焊接監(jiān)視系統(tǒng)、接地裝置、電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖5 內(nèi)焊機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖

表1 預(yù)焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

外焊機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖[6]如圖6所示，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6 外焊機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)圖

表2 內(nèi)焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表3 外焊機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

5 焊接設(shè)備配置

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備的相關(guān)配置在一定程度上影響著生產(chǎn)效率、產(chǎn)能、能耗、鋼管質(zhì)量及投資成本等。其中焊接設(shè)備的數(shù)量直接影響生產(chǎn)線產(chǎn)能、投資成本及生產(chǎn)效率，焊接設(shè)備多，則生產(chǎn)線焊接產(chǎn)量大、效率高，相應(yīng)的投資成本也高。焊絲數(shù)也會(huì)間接影響焊接成本及生產(chǎn)效率，因?yàn)楹附z數(shù)對(duì)應(yīng)的是焊接電源、控制器及送絲機(jī)，均為焊接核心部件，通常一臺(tái)焊機(jī)焊絲數(shù)多，則投資成本高，相應(yīng)的焊接效率也高。焊接電源目前主要有模擬電源和數(shù)字電源兩種，主要影響生產(chǎn)耗能及產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)字電源相比傳統(tǒng)模擬電源更節(jié)能，可降低生產(chǎn)線的能耗。數(shù)字電源對(duì)電源電壓控制更精確，可以有效減小焊接熱輸入，進(jìn)而更好地控制焊縫形貌，提高鋼管焊接質(zhì)量。

5.1 焊接設(shè)備數(shù)量

直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備數(shù)量需要根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)能來(lái)確定。一般年產(chǎn)量為25萬(wàn)t的生產(chǎn)線基本配置為一臺(tái)預(yù)焊機(jī)、三臺(tái)內(nèi)焊機(jī)和三臺(tái)外焊機(jī)，年產(chǎn)量在50萬(wàn)t的生產(chǎn)線基本配置為兩臺(tái)預(yù)焊機(jī)、五臺(tái)內(nèi)焊機(jī)和四臺(tái)外焊機(jī)[11]。其它小產(chǎn)量生產(chǎn)線一般配置一臺(tái)預(yù)焊機(jī)、兩臺(tái)或三臺(tái)內(nèi)焊機(jī)、兩臺(tái)外焊機(jī)即可，從而減小投資成本。

5.2 焊絲數(shù)

焊絲數(shù)會(huì)影響直縫埋弧焊管生產(chǎn)線的投資成本，因?yàn)楹附z數(shù)對(duì)應(yīng)的都是焊接核心進(jìn)口部件，如焊接電源、送絲機(jī)、控制器等，造價(jià)貴。一般焊絲數(shù)需要根據(jù)生產(chǎn)線鋼管壁厚和生產(chǎn)效率來(lái)綜合確定，其原則為管壁薄則絲數(shù)少，管壁厚則絲數(shù)多；生產(chǎn)效率高則絲數(shù)多，生產(chǎn)效率低則絲數(shù)少。壁厚與焊絲數(shù)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 壁厚與焊絲數(shù)關(guān)系

5.3 焊接電源

焊接電源[11]為焊接提供電流、電壓，是焊接設(shè)備的核心部分。直縫埋弧焊管焊接設(shè)備所使用的電源可分為模擬電源和數(shù)字電源[12]兩種。數(shù)字電源以數(shù)字信號(hào)處理器或微控制器為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)器、脈沖寬度調(diào)制控制器等作為控制對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)控制、管理和監(jiān)測(cè)等功能。數(shù)字電源通過(guò)設(shè)定開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部參數(shù)來(lái)改變外在特性，并在電源控制的基礎(chǔ)上增加了電源管理功能。所謂電源管理是指將電源有效地分配給系統(tǒng)的不同組件，最大限度降低損耗。

早期焊管生產(chǎn)線均采用模擬電源，但隨著近幾年數(shù)字電源的快速發(fā)展，加之?dāng)?shù)字電源帶來(lái)的便捷和節(jié)能，目前國(guó)內(nèi)已有廠家將焊管生產(chǎn)線模擬電源升級(jí)為數(shù)字電源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)字電源較傳統(tǒng)模擬電源節(jié)能20%左右。數(shù)字電源可控因素較多，實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快，能夠適應(yīng)復(fù)雜的高性能系統(tǒng)。應(yīng)用數(shù)字電源，對(duì)鋼管焊接時(shí)可以進(jìn)行精細(xì)化工藝操作，如控制焊接熱輸入，以及焊接熔深、焊縫外貌等，同時(shí)可以進(jìn)行在線實(shí)時(shí)糾正，還可以對(duì)焊接內(nèi)在和外在質(zhì)量的控制進(jìn)行量化，從而保證焊接質(zhì)量。另一方面，隨著數(shù)字電源的推廣，模擬電源將陸續(xù)退出市場(chǎng)，后期模擬電源的相關(guān)備件、配件等將是制約生產(chǎn)線的瓶頸?；诖耍陆ㄉa(chǎn)線建議采用數(shù)字電源。

數(shù)字電源與模擬電源的區(qū)別主要集中在控制與通信部分。在簡(jiǎn)單易用、參數(shù)變更要求不多的應(yīng)用場(chǎng)合，模擬電源更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠鋺?yīng)用的針對(duì)性可以通過(guò)硬件固化來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在可控因素較多、實(shí)時(shí)反應(yīng)速度更快、需要多個(gè)模擬系統(tǒng)電源管理的復(fù)雜高性能系統(tǒng)中，數(shù)字電源則更具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于直縫埋弧焊管生產(chǎn)線，如果生產(chǎn)鋼管壁厚、材質(zhì)單一，可選擇模擬電源；如果鋼管壁厚、材質(zhì)復(fù)雜，可選擇數(shù)字電源。當(dāng)然，從節(jié)能角度而言，數(shù)字電源一般比模擬電源節(jié)能20%左右。埋弧直縫焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備電源相關(guān)配置可參考表5。

表5 焊接設(shè)備電源配置參考

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者結(jié)合工廠實(shí)際介紹了直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接工藝流程、焊接設(shè)備及設(shè)備的相關(guān)配置，重點(diǎn)介紹了預(yù)焊機(jī)、內(nèi)焊機(jī)、外焊機(jī)三大主機(jī)。通過(guò)相關(guān)介紹可為新建或改建直縫埋弧焊管生產(chǎn)線焊接設(shè)備的選型、技術(shù)參數(shù)、配置、工藝布置及投資成本估算等提供借鑒。

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（編輯：?jiǎn)⒌拢?/p>

Welding equipment in production line for LSAW pipes mainly includes tack welder,internal welding machine and external welding machine.Introduced the welding process,welding equipment and related configuration of the line for LSAW,which might provide a reference for the selection,technical configuration, technological arrangement and investment budget of newor reformed production line for LSAW pipes.

直縫埋弧焊；生產(chǎn)；設(shè)備；工藝

LSAW；Production；Equipment；Process

TH-39；TG333.93

B

1672-0555（2017）02-020-06

2017年1月

韓保材（1981—），男，本科，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及直縫埋弧焊管生產(chǎn)、設(shè)備管理、工藝制定等工作。