大功率高頻接觸焊雙焊腳結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與應(yīng)用

張新民，王海峰，儲(chǔ)程國(guó)

(中海石油金洲管道有限公司，浙江 湖州313000)

大功率高頻接觸焊雙焊腳結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與應(yīng)用

張新民，王海峰，儲(chǔ)程國(guó)

(中海石油金洲管道有限公司，浙江 湖州313000)

為了解決大壁厚、中大直徑HFW鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中焊腳電極搭接處出現(xiàn)的“打火”及電極燒損現(xiàn)象，分析了傳統(tǒng)接觸焊焊腳結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題以及影響，發(fā)現(xiàn)材料選擇不當(dāng)、尺寸過(guò)小、安裝不當(dāng)、冷卻不良、異常刮擦和自然磨損等是降低電極使用壽命的重要因素。通過(guò)對(duì)主要原因進(jìn)行分析，介紹了一種雙焊腳的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其原理、使用方法進(jìn)行了論述。通過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該雙焊腳設(shè)計(jì)能夠有效解決此類(lèi)問(wèn)題。

焊管；高頻焊管；接觸焊；焊腳；雙焊腳

中大直徑HFW鋼管常用的焊接方式有感應(yīng)焊和接觸焊兩種。接觸焊因其顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，更加受到生產(chǎn)廠家的推崇。傳統(tǒng)接觸焊均采用雙側(cè)單個(gè)焊腳導(dǎo)電的形式，結(jié)構(gòu)精巧而復(fù)雜。在中大直徑、大壁厚HFW鋼管的生產(chǎn)過(guò)程中，由于焊腳電極傳輸?shù)暮附与娏鞣浅４?，焊腳電極搭接處容易出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象，電極容易快速燒損，并造成鋼管焊縫兩側(cè)與電極接觸位置產(chǎn)生“燒坑”。這一問(wèn)題影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，制約了接觸焊的廣泛應(yīng)用，多數(shù)廠家還是以能耗較高的感應(yīng)焊方式生產(chǎn)HFW焊管。

1 傳統(tǒng)接觸焊焊腳結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)接觸焊焊腳工作特點(diǎn)

焊腳及電極的主要功能是傳輸焊接過(guò)程需要的強(qiáng)大電流，因此對(duì)焊腳及電極的要求較高。焊腳及電極材料通常采用具有良好導(dǎo)電性、耐磨性和經(jīng)濟(jì)性的銅合金材料；焊腳的機(jī)械結(jié)構(gòu)須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，方便操作時(shí)上下調(diào)節(jié)；焊腳與管體必須保證足夠的接觸面積和適當(dāng)?shù)慕佑|壓力；焊腳必須進(jìn)行充分冷卻，以帶走電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱量；兩個(gè)焊腳之間還應(yīng)當(dāng)保持良好的絕緣。

1.2 傳統(tǒng)接觸焊焊腳存在的問(wèn)題

常用接觸焊采用雙側(cè)單個(gè)焊腳的結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接V形角形成閉環(huán)回路，如圖1所示。生產(chǎn)中焊腳及電極出現(xiàn)損壞并產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因較多，如材料選擇不當(dāng)、尺寸過(guò)小、安裝不當(dāng)、冷卻不良、異常刮擦和自然磨損等。正常磨損情況下，電極的使用壽命約為500～1 000 min，但在異常情況下，焊腳電極使用壽命只有幾十分鐘或更少。經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的研究與分析，發(fā)現(xiàn)由于成型邊沿波浪形變化的不穩(wěn)定性，引起接觸面壓力變化，從而導(dǎo)致接觸不良而產(chǎn)生電極電弧放電打火，使焊腳電極局部溫升過(guò)快而迅速熔化，是焊腳電極異常損壞的最主要原因。

圖1 雙側(cè)單焊腳結(jié)構(gòu)示意圖

焊腳電極異常損壞時(shí)產(chǎn)生的不良影響主要集中在以下幾個(gè)方面：①焊腳電極異常熔化燒壞，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，生產(chǎn)材料損耗，成本顯著增加，生產(chǎn)效率降低；②接觸面處“打火”使焊接電流不穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性；③管體與其接觸表面造成“燒坑”，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量；④熔化的焊腳電極銅元素進(jìn)入焊縫，影響焊縫的物理性能。這些問(wèn)題制約了接觸焊的廣泛應(yīng)用，致使不少?gòu)S家不得不選擇能耗較高的感應(yīng)焊接方式。

2 焊腳結(jié)構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)思路

通過(guò)研究分析，中海石油金洲管道有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“金洲管道”)設(shè)計(jì)了一種雙焊腳的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)雙側(cè)單焊腳的基礎(chǔ)上，改進(jìn)為雙側(cè)雙獨(dú)立焊腳的結(jié)構(gòu)，也就是在焊縫的同一側(cè)前后布置兩個(gè)焊腳，并聯(lián)在焊機(jī)的同一個(gè)輸出端，共同分擔(dān)輸出電流。兩個(gè)焊腳可以單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)，如果焊縫處板邊出現(xiàn)鼓包或波浪形時(shí)，可以使任意一個(gè)焊腳電極保證與板邊貼合，確保電流正常傳導(dǎo)，雙側(cè)雙焊腳結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙側(cè)雙焊腳結(jié)構(gòu)示意圖

電弧放電的原理是當(dāng)電源提供較大功率的電能時(shí)，若電極間電壓不高，回路中有較小間隙時(shí)，間隙的氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過(guò)較強(qiáng)的電流，并發(fā)出強(qiáng)烈的光輝，產(chǎn)生幾千至上萬(wàn)攝氏度高溫，表現(xiàn)為“打火”現(xiàn)象。

由于生產(chǎn)工藝的需要，傳輸?shù)暮附庸β屎碗娏鳠o(wú)法隨意減小，而通過(guò)增加焊腳電極導(dǎo)電面積，可以同比例地減小單位面積傳送的電流。采用雙側(cè)雙焊腳的方式，正常情況下可以使單個(gè)焊腳電極承受的電流減小一半。另外，采用雙焊腳結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)一個(gè)焊腳電極接觸不良時(shí)，電流通過(guò)另一焊腳電極傳送，可保證電流傳輸回路暢通，使焊接電流穩(wěn)定，可以有效避免電弧放電現(xiàn)象。

3 雙焊腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，雙焊腳結(jié)構(gòu)整體包括左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)單元，分別壓在焊縫的兩側(cè)，其中每個(gè)單元從上至下依次是與高頻連接的上連接塊、上下連接耳座、中間銷(xiāo)軸、前后焊腳、電極以及拉簧等。連接塊起承上啟下作用，其上部與高頻焊機(jī)的輸出端固定，下面與焊腳連接耳座連接；耳座下面固定的是焊腳；耳座中間是圓形銷(xiāo)軸，在傳輸電流時(shí)可以使焊腳靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在拉簧的拉緊力作用下，即使板邊出現(xiàn)波浪形變化，焊腳上的電極都可以緊貼在板邊表面，使焊接順利進(jìn)行，雙焊腳結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和連接形式如圖3所示。

圖3 雙焊腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 導(dǎo)電回路

焊腳及電極最主要的作用是傳輸焊機(jī)的輸出電流，良好的導(dǎo)電性能是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，所有的材料均采用導(dǎo)電性能優(yōu)良的銅合金，各部件的連接面通過(guò)精加工保證接觸良好。焊腳整體通過(guò)焊接連接塊與高頻輸出端用不銹鋼螺栓緊固，電流通過(guò)連接塊傳輸?shù)胶改_耳座，經(jīng)過(guò)中間的銷(xiāo)軸傳輸分別到焊腳耳座，焊腳耳座上分別固定有前后焊腳，電流繼續(xù)向下傳輸至焊腳上的4個(gè)獨(dú)立的電極塊，此時(shí)電極塊與板邊通過(guò)4個(gè)獨(dú)立的拉簧壓緊接觸，使得電流可以傳輸?shù)桨暹叀?/p>

3.3 隨動(dòng)功能

合適的接觸壓力是焊腳正常工作的重要條件。隨動(dòng)功能的主要目的是給焊腳一個(gè)向下的預(yù)緊壓力，使得板邊出現(xiàn)波浪或褶皺時(shí)能上下浮動(dòng)，保證焊腳電極始終緊貼板邊以確保電流傳輸。該功能由安裝在后側(cè)的拉簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，拉簧材質(zhì)為普通彈簧鋼，拉簧上部的固定塊和下部與焊腳固定部分采用絕緣材料制成。

3.4 冷卻回路

在電流通過(guò)焊腳時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量的熱能，使焊腳整體發(fā)熱而損壞，為防止這一問(wèn)題出現(xiàn)，金洲管道在焊腳各部件的內(nèi)部加工了導(dǎo)通管路，見(jiàn)圖3(a)中各部件的虛線(xiàn)部分。工作時(shí)將冷卻液從端口接入即可進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，同時(shí)在外面直接噴灑冷卻液，從而可以從里到外全方位對(duì)焊腳進(jìn)行冷卻。

3.5 使用方法

雙焊腳的各部件組裝成一個(gè)整體安裝于高頻設(shè)備的輸出端，兩側(cè)焊腳及電極之間用絕緣板隔開(kāi)，如圖4所示。工作時(shí)焊腳整體在高頻輸出端氣缸推動(dòng)下快速落下至鋼管表面，繼續(xù)下壓后使焊腳的電極平面與板邊水平貼緊，此時(shí)拉簧受力，給前端電極產(chǎn)生預(yù)壓力，同時(shí)當(dāng)板邊有起伏時(shí)焊腳可隨動(dòng)起伏，使電極始終緊貼板邊，保證焊接正常進(jìn)行；工作結(jié)束時(shí)焊腳則隨焊機(jī)輸出端一起抬起，與板邊脫離接觸。當(dāng)焊腳電極達(dá)到正常磨損極限后可松開(kāi)焊腳固定螺栓進(jìn)行電極塊的更換。

圖4 雙側(cè)雙焊腳使用現(xiàn)場(chǎng)

4 雙焊腳結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果

雙焊腳結(jié)構(gòu)是在原單焊腳的基礎(chǔ)上每側(cè)各增加了一個(gè)焊腳，保證板邊出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)始終有一個(gè)焊腳與其接觸，保證焊接電流能正常通過(guò)；同時(shí)，增加的焊腳可以在焊接過(guò)程中將焊接電流分成兩路傳遞到鋼管，使單位面積上通過(guò)焊腳的電流減少，避免了因接觸不良造成的電弧放電“打火”現(xiàn)象，提高了焊縫整體質(zhì)量，如圖5所示。另外，兩個(gè)焊腳同時(shí)使用，通過(guò)每個(gè)焊腳的電流減少，使電極損壞較少，使用壽命得到成倍提高，如圖6所示。

圖5 焊縫兩側(cè)無(wú)“打火”、“燒坑”現(xiàn)象

圖6 雙焊腳電極工作狀況

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)高頻直縫焊管的生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，一方面要保證鋼管的焊縫質(zhì)量，另一方面是要降低鋼管的生產(chǎn)成本。接觸焊相比感應(yīng)焊，電能消耗可有效降低，對(duì)節(jié)能降耗具有重要的意義。通過(guò)實(shí)踐證明，雙焊腳結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和應(yīng)用，是一種良好的創(chuàng)新實(shí)踐，在中大直徑HFW焊管生產(chǎn)中值得推廣。

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Improvement and Application of High-power High-frequency Contact Welding Double Leg Structure

ZHANG Xinmin,WANG Haifeng,CHU Chengguo
(Cnooc Jinzhou Pipes Co.,Ltd.,Huzhou 313000,Zhejiang,China)

In order to solve the problems occurred in welding leg overlap joint during manufacture procedure of thick-wall and large diameter HFW pipe,such as strike a light and electrode burning loss,it analyzed the existing problems and influence of traditional contact welding leg structure,and found the important factors reducing electrode service life,including improper material selection,undersize,poor cooling,abnormal scratch,natural wear and so on.Through analysis on main reasons,it introduced a kind of double welding leg design scheme,and expounded its working theory and using method.Through practical application,it found this double welding leg design can effectively solve such problems.

welded pipe;high frequency welded pipe;contact welding;welding leg;double leg welding

TG431

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.007

張新民(1967—)，男，高級(jí)工程師，中海石油金洲管道有限公司總經(jīng)理助理，目前主要從事HFW焊管生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)管理工作。

2016-03-16

張 歌