預(yù)精焊機(jī)組多絲內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性問(wèn)題的研究

王晶晶，黃法春，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

預(yù)精焊機(jī)組多絲內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性問(wèn)題的研究

王晶晶，黃法春，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

簡(jiǎn)述了螺旋縫焊管預(yù)精焊機(jī)組的內(nèi)焊結(jié)構(gòu)；介紹了數(shù)字化焊接系統(tǒng)的內(nèi)焊一鍵式起弧過(guò)程及原理；分析了埋弧焊電弧自我調(diào)節(jié)過(guò)程及影響內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性的因素，總結(jié)出提高起弧穩(wěn)定性的措施。實(shí)踐證明：通過(guò)優(yōu)化數(shù)字電焊機(jī)參數(shù)，調(diào)整最大送絲速度，結(jié)合實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，使內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性得到大幅度提升，提高了螺旋縫焊管的質(zhì)量。

螺旋縫焊管；預(yù)精焊機(jī)組；內(nèi)焊；多絲焊；數(shù)字化焊接系統(tǒng)；起弧穩(wěn)定性；數(shù)字化電焊機(jī)

隨著我國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)高鋼級(jí)、大壁厚螺旋縫焊管的生產(chǎn)效率和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，為此國(guó)內(nèi)幾家大型鋼管制造企業(yè)引進(jìn)了目前世界上最先進(jìn)的預(yù)精焊生產(chǎn)技術(shù)［1-2］。山東勝利鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)勝利鋼管）全套引進(jìn)了德國(guó)PWS公司先進(jìn)的預(yù)精焊工藝，有效解決了成型和焊接之間相互干擾的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了螺旋成型和焊接的分開(kāi)進(jìn)行［3］。但同時(shí)也遇到了新的挑戰(zhàn)：精焊內(nèi)焊焊臂的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度超過(guò)16 m，焊接中遇到較小的外力就會(huì)造成焊臂大幅擺動(dòng)；與傳統(tǒng)一步法工藝不同的一鍵式起弧方式，對(duì)起弧過(guò)程提出了更高的要求，一旦起弧不穩(wěn)，就會(huì)造成焊絲前端與焊縫黏連，不僅影響焊接質(zhì)量，還會(huì)降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，造成不必要的材料損耗。本文針對(duì)螺旋縫焊管精焊批量生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析研究，通過(guò)優(yōu)化數(shù)字電焊機(jī)起弧參數(shù)和相應(yīng)的機(jī)械參數(shù)，總結(jié)出提高預(yù)精焊機(jī)組多絲內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性的方法。

1 內(nèi)焊結(jié)構(gòu)

螺旋縫焊管預(yù)精焊機(jī)組內(nèi)焊焊頭結(jié)構(gòu)主要由送絲輪、焊劑輸送管、送絲軟管、送絲電機(jī)、檢測(cè)傳感器、焊劑儲(chǔ)料斗等組成。內(nèi)焊有3把焊槍?zhuān)謩e是內(nèi)焊直流（IWDC）焊槍?zhuān)瑑?nèi)焊交流1絲（IWAC1）焊槍和內(nèi)焊交流2絲（IWAC2）焊槍?zhuān)鐖D1所示。

圖1 螺旋縫焊管預(yù)精焊機(jī)組內(nèi)焊焊槍位置示意

2 內(nèi)焊起弧過(guò)程

焊接電弧的引燃方式一般有接觸引弧和非接觸引弧。接觸引弧過(guò)程分為接觸、拉開(kāi)和燃弧共3個(gè)階段。由于電極和工件表面都不是絕對(duì)平整，短路接觸時(shí)只有少數(shù)凸出點(diǎn)接觸，短路電流瞬間值很大，從而產(chǎn)生大量的電阻熱，使金屬電極表面發(fā)熱、熔化，引起強(qiáng)烈的熱發(fā)射和熱電離；進(jìn)入空載階段，由于兩電極之間的間隙很小，空載電壓使兩電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到很大值，使陰極表面產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)發(fā)射，并伴隨著帶電粒子的加速運(yùn)動(dòng)、互相碰撞、氣體電離，由于上述過(guò)程的劇烈運(yùn)行，形成具有強(qiáng)烈熱和光的焊接電弧現(xiàn)象，即電弧被引燃。非接觸引弧一般需要專(zhuān)門(mén)的引弧器才能實(shí)現(xiàn)［4］。

螺旋縫焊管埋弧焊采用的是短路接觸引弧。當(dāng)精焊內(nèi)焊采用多絲焊時(shí)，第2絲或第3絲會(huì)比第1絲延遲幾秒時(shí)間起弧，以此提高起弧成功率，這一階段叫做起弧延遲，相應(yīng)的參數(shù)在焊接計(jì)劃中進(jìn)行設(shè)定；開(kāi)始送焊絲直到接觸鋼管這一階段為接觸段；然后是焊絲拉開(kāi)和電弧引燃的過(guò)程。針對(duì)精焊數(shù)字焊接系統(tǒng)，可以將內(nèi)焊起弧分為起弧延遲、接觸、拉開(kāi)、燃弧共4個(gè)階段。

3 內(nèi)焊起弧參數(shù)優(yōu)化

3.1 起弧過(guò)程中遇到的問(wèn)題

在目前的一步法工藝中，前后絲起弧過(guò)程是分開(kāi)控制的，即首先按下前絲控制柜啟動(dòng)按鈕，待前絲起弧穩(wěn)定后，再按下后絲控制柜啟動(dòng)按鈕。相對(duì)于一步法，勝利鋼管的預(yù)精焊機(jī)組采用的是一鍵式起弧模式，同時(shí)控制前后絲起弧過(guò)程，這對(duì)起弧過(guò)程的控制提出了更高的要求。

該預(yù)精焊機(jī)組采用的是外焊雙絲內(nèi)焊三絲設(shè)計(jì)。內(nèi)焊起弧時(shí)遇到的問(wèn)題有：①前后絲均不能正常起??；②前絲正常起弧，但后絲AC1、AC2相互影響較大，均不能正常起弧。

3.2 數(shù)字電焊機(jī)參數(shù)優(yōu)化

分析認(rèn)為：影響前后絲起弧穩(wěn)定性的參數(shù)主要是起弧送絲速度和起弧電壓。通過(guò)調(diào)整送絲速度和起弧電壓，可以明顯改善前絲起弧穩(wěn)定性。針對(duì)后絲起弧不穩(wěn)現(xiàn)象，首先調(diào)節(jié)送絲速度和起弧電壓；然后針對(duì)預(yù)精焊一鍵式起弧特點(diǎn)，在起弧延遲階段設(shè)置起弧延遲時(shí)間，一般設(shè)置1～2 s形成起弧間隔，調(diào)整好雙絲間距，能夠提高后絲起弧成功率。

數(shù)字電焊機(jī)接觸段參數(shù)設(shè)置：

起弧送絲速度1.00 m/min

起弧電壓25.0 V

電源自身調(diào)節(jié)靈敏特性0.1 V/100 A

焊時(shí)送絲速度1.50 m/min

起弧電流1 000 A

起源電壓調(diào)節(jié)斜率15

起弧空載電流900 A

內(nèi)焊三絲焊中的兩個(gè)后絲都是采用交流電源，AC1、AC2之間的輸出相位影響較大，通過(guò)調(diào)整其輸出相位，使相位角相差90°，設(shè)置AC1為主、AC2為輔，消除交流之間的相位干擾，調(diào)整送絲速度和起弧電壓，起弧延遲時(shí)間設(shè)置為1 s，最終成功實(shí)現(xiàn)了螺旋縫埋弧內(nèi)焊三絲焊［5］。

3.3 電弧調(diào)節(jié)過(guò)程

埋弧焊一般選用變速送絲控制系統(tǒng)。變速送絲控制往往是利用電弧電壓作為反饋量來(lái)調(diào)節(jié)送絲速度，當(dāng)弧長(zhǎng)增大時(shí)，電弧電壓升高，相應(yīng)的電壓反饋量增大，迫使送絲速度加快，使弧長(zhǎng)得以恢復(fù)；當(dāng)弧長(zhǎng)減小時(shí)，電弧電壓降低，相應(yīng)的電壓反饋量減小，迫使送絲速度減慢，使弧長(zhǎng)得以恢復(fù)［6-7］。內(nèi)焊電弧和電源特性曲線如圖2所示，設(shè)定初始弧長(zhǎng)是L1，其穩(wěn)定工作點(diǎn)為A0，若干擾使弧長(zhǎng)變長(zhǎng)為L(zhǎng)2，穩(wěn)定工作點(diǎn)也由A0變?yōu)锳1；與A0點(diǎn)相比，A1點(diǎn)電流變小，電壓升高，此時(shí)送絲系統(tǒng)會(huì)增大送絲速度，使弧長(zhǎng)得以恢復(fù)，回到穩(wěn)定工作點(diǎn)A0。

送絲速度參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。當(dāng)起弧時(shí)弧長(zhǎng)波動(dòng)范圍較大，送絲系統(tǒng)需要以較快的送絲速度才能使弧長(zhǎng)穩(wěn)定，而如果需要的送絲速度超過(guò)最大設(shè)定值，將無(wú)法通過(guò)自身調(diào)節(jié)來(lái)穩(wěn)定電弧，也無(wú)法正常起?。灰虼耍畲笏徒z速度的合理設(shè)置也是提高起弧穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

圖2 內(nèi)焊電弧和電源特性曲線示意

表1 送絲速度參數(shù)設(shè)置

3.4 實(shí)際操作過(guò)程中的優(yōu)化

預(yù)精焊技術(shù)又稱(chēng)作兩步法工藝［8］，在預(yù)焊處將管筒切割成規(guī)定長(zhǎng)度的管坯，再輸送到精焊處進(jìn)行焊接。精焊每焊完1根鋼管都要剪一次焊絲，將焊絲前端燃燒不充分或殘留的較大的過(guò)渡熔滴剪掉。由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，將剪子傾斜一定的角度，將焊絲前端剪出尖狀，以減小引弧時(shí)的接觸面積，增加接觸點(diǎn)電阻和電流密度，從而產(chǎn)生更大的熱量，有助于焊絲快速融化，有利于引弧；剪完焊絲后，內(nèi)焊焊臂會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，此時(shí)要先將焊臂扶穩(wěn)，待其穩(wěn)定后再進(jìn)行焊接操作，能夠提高起弧的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)螺旋縫焊管預(yù)精焊機(jī)組內(nèi)焊特有的較長(zhǎng)焊臂結(jié)構(gòu)，提高內(nèi)焊起弧穩(wěn)定性的措施有：①優(yōu)化數(shù)字電焊機(jī)起弧接觸段參數(shù)，尤其是送絲速度與起弧電壓的匹配；②選擇合適的起弧延遲時(shí)間，合適的相位輸出角；③設(shè)定合適的最大送絲速度；④優(yōu)化實(shí)際操作，剪焊絲時(shí)將前端剪出尖狀，以減小引弧時(shí)的接觸面積，保證起弧時(shí)內(nèi)焊焊臂的穩(wěn)定。

［1］王鳳成，崔曉峰，王國(guó)勝，等.螺旋縫焊管預(yù)焊缺陷對(duì)精焊質(zhì)量的影響與控制［J］.鋼管，2012，41（2）：49-52.

［2］Choy Tuchyin，王奕超，鄭利民.PWS公司螺旋埋弧焊管預(yù)精焊生產(chǎn)中的現(xiàn)代化技術(shù)［J］.焊管，2011，34（2）：17-20.

［3］程紹忠，陳其衛(wèi)，陳英蓮.螺旋埋弧焊管兩步法生產(chǎn)工藝技術(shù)的應(yīng)用探討［J］.鋼管，2007，36（5）：36-40.

［4］胡繩蓀.現(xiàn)代弧焊電源及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：9-10.

［5］付超，代志健，雷小兵.螺旋縫埋弧焊管預(yù)精焊工藝內(nèi)焊三絲的應(yīng)用［J］.鋼管，2013，42（5）：20-25.

［6］姜煥中.電弧焊及電渣焊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：114-116.

［7］黃石生.電子控制的弧焊電源［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1991：192-193.

［8］毛周團(tuán)，尹志遠(yuǎn)，王少華，等.螺旋埋弧焊管預(yù)精焊生產(chǎn)工藝［J］.焊管，2010，33（3）：52-55.（收稿日期：2013-11-07；修定日期：2014-08-25）

Research on Problem Concerning Instability of Arcing during Multiwire Internally-welding Process of Two-step Pipe Welding Mill

WANG Jingjing，HUANG Fachun，LUO Tianbao
（Shandong Shengli Steel Pipe Corporation Ltd.，Zibo 255082，China）

Briefly described here in the essay is the structure of the internally-welding unit of the SAWH pipe two-step（pre-welding and finish welding）operation line.And elaborated are the one-key type arcing process and principle of the internally-welding function of the digital welding system.Also analyzed are the SAW arc selfadjustment process，and elements that may affect arcing stability of internally-welding operation，based on which，measures aiming at improving the arcing stability are determined，and taken.Relevant practice shows that the arcing stability of the internally-welding process is obviously improved，and so is quality of the SAWH pipe due to implementing such measures as optimizing parameters of the digital welder，setting the maximum wire-feeding speed，and taking the actual operation experience into consideration，etc.

SAWH pipe；two-step welding operation line；internally-welding；multi-wire welding；digital welding system；arcing stability；digital welder

TG441.4

B

1001-2311（2014）06-0058-03

王晶晶（1985-），男，碩士，主要從事螺旋縫焊管設(shè)備與焊接材料研究工作。