螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組內(nèi)焊臂振動(dòng)的ANSYS分析

付 超，張繼健，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司 工藝技術(shù)研究中心，山東 淄博255082）

螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組內(nèi)焊臂振動(dòng)的ANSYS分析

付 超，張繼健，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司 工藝技術(shù)研究中心，山東 淄博255082）

為了解決螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組精焊內(nèi)焊臂振動(dòng)導(dǎo)致的內(nèi)焊縫質(zhì)量問(wèn)題，分析了預(yù)精焊機(jī)組精焊內(nèi)焊臂在焊接過(guò)程中的振動(dòng)原因，利用ANSYS 15.0 workbench有限元分析軟件，模擬了內(nèi)焊臂由于電弧不穩(wěn)定引起的振動(dòng)問(wèn)題。結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)了一套精焊內(nèi)焊臂自動(dòng)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，同時(shí)配合控制預(yù)焊縫的飛濺物、氧化物、燒穿、斷弧等缺陷的修磨以及引熄弧板的穩(wěn)定過(guò)渡，減少了焊接過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題，提高了精焊內(nèi)焊縫的焊接質(zhì)量。

ANSYS；預(yù)精焊；懸臂梁；內(nèi)焊臂

隨著我國(guó)油氣管網(wǎng)建設(shè)的逐步深入，螺旋焊管預(yù)精焊工藝得到了推廣。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，我國(guó)預(yù)精焊技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，業(yè)內(nèi)也有大量的關(guān)于預(yù)精焊技術(shù)的設(shè)備、工藝、焊縫質(zhì)量控制等方面的研究[1-5]，使預(yù)精焊工藝的自動(dòng)化程度高、焊縫性能優(yōu)異、殘余應(yīng)力小、成型焊接互不干擾等優(yōu)勢(shì)得以充分體現(xiàn)。但是，隨著對(duì)該技術(shù)的深入研究以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，該工藝也存在一定的缺點(diǎn)，如預(yù)焊縫缺陷對(duì)精焊質(zhì)量的影響、管端質(zhì)量的影響因素較多等[6]。

山東勝利鋼管有限公司的預(yù)精焊機(jī)組是引進(jìn)德國(guó)的先進(jìn)設(shè)備，自動(dòng)化程度高，預(yù)焊可實(shí)現(xiàn)8～12 m/min的MAG焊接，精焊實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外焊5絲埋弧焊接，生產(chǎn)效率高[7]，高質(zhì)量完成了西氣東輸三線、中亞管線、中緬管線、委內(nèi)瑞拉管線等多個(gè)國(guó)內(nèi)外大型管線管的生產(chǎn)任務(wù)。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，預(yù)精焊機(jī)組也存在一些影響質(zhì)量的因素，較為明顯的是焊接過(guò)程中內(nèi)焊臂的振動(dòng)問(wèn)題。精焊機(jī)內(nèi)焊臂長(zhǎng)度達(dá)16.5 m，焊接過(guò)程中遇到預(yù)焊縫打點(diǎn)處、飛濺物堆積處或者焊縫不規(guī)則處，由于電弧的弧長(zhǎng)急劇變化，電焊機(jī)反饋送絲驅(qū)動(dòng)容易引起內(nèi)焊頭的振動(dòng)，往往會(huì)導(dǎo)致內(nèi)焊縫不規(guī)則，甚至引起焊絲粘拉焊頭、斷弧等缺陷，影響焊縫的一次合格率。

1 內(nèi)焊臂振動(dòng)原因分析

精焊內(nèi)焊結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)焊臂長(zhǎng)16.5 m，一端固定，另一端裝配送絲系統(tǒng)調(diào)節(jié)、偏心距調(diào)節(jié)、高度調(diào)節(jié)以及焊槍等設(shè)備，鋼管由底部螺旋驅(qū)動(dòng)輥傳送進(jìn)入內(nèi)焊臂，可焊接鋼管最大長(zhǎng)度為15 m，內(nèi)焊三絲縱向排列，焊接高度設(shè)定范圍26～30mm。

預(yù)焊縫為高速M(fèi)AG焊縫，不可避免地存在一些飛濺或者弧坑缺陷，管端引熄弧板的過(guò)渡都有可能形成類(lèi)似過(guò)渡臺(tái)階。精焊焊接電源為數(shù)字電源，采用恒流控制，變速送絲埋弧工藝，通過(guò)電壓信號(hào)的變化，反饋給電焊機(jī)內(nèi)部微處理器，做出指令給送絲驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)送絲速度以穩(wěn)定電壓。

恒流控制原理如圖2所示，預(yù)焊縫在B點(diǎn)處存在較大弧坑，焊絲由A點(diǎn)到B點(diǎn)時(shí)，電流不變，電壓突然升高（有時(shí)變化可達(dá)3～5 V），為使電壓保持穩(wěn)定，電焊機(jī)做出反饋加快送絲速度，瞬間可達(dá)到2 m/min，甚至更高，形成電弧擺動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)臂振動(dòng)。若送絲速度過(guò)快，電流來(lái)不及全部熔化焊絲，可能導(dǎo)致焊絲瞬間沖擊鋼管，形成瞬時(shí)熄弧起弧，大臂振動(dòng)更為嚴(yán)重，還有可能形成短路、粘拉焊頭、斷弧等缺陷。

圖1 精焊內(nèi)焊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 恒流控制原理圖

2 內(nèi)焊臂振動(dòng)的有限元模擬

ANSYS 15.0有限元軟件是一個(gè)多用途的有限元計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題，因此可應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械制造等工業(yè)領(lǐng)域[7]。本研究采用ANSYS 15.0 workbench模擬內(nèi)焊臂的振動(dòng)位移和頻率。

2.1 建模與網(wǎng)格劃分

內(nèi)焊臂的材料為鑄鋼，截面形狀如圖1所示。設(shè)定材料時(shí)選擇材料基本屬性添加進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中主要數(shù)據(jù)包括彈性模量（2.06 GPa）、泊松比（0.3）、密度（7.8×103kg/m3）等。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 內(nèi)焊臂網(wǎng)格劃分圖

2.2 約束及載荷

[8]～[10]中對(duì)內(nèi)焊臂的載荷與約束設(shè)定如圖4所示。A處標(biāo)準(zhǔn)重力加速度為9.8 m/s2，用于考慮內(nèi)焊臂的自重；B處固定，由于焊接過(guò)程中，內(nèi)焊臂移動(dòng)是由PLC程序鎖定的（BHM，beam height motor鎖定），故在大臂固定端設(shè)定x、y、z三個(gè)方向全約束；C處載荷為583.87 N。

圖4 內(nèi)焊臂約束及載荷

數(shù)字電焊機(jī)采集的送絲扭矩如圖5所示。數(shù)字電焊機(jī)可實(shí)時(shí)采集內(nèi)焊3個(gè)焊絲的送絲驅(qū)動(dòng)扭矩信息，據(jù)此可計(jì)算得到焊絲的驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)了某一管線生產(chǎn)時(shí)內(nèi)焊臂振動(dòng)較為嚴(yán)重時(shí)的送絲扭矩，考慮到自由端還受焊接過(guò)程中電弧力、熔滴力等其他因素的影響，設(shè)定載荷為580 N的力作用在內(nèi)焊1#焊絲上（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知內(nèi)焊臂的振動(dòng)主要是因?yàn)?#焊絲的電弧波動(dòng)引起的），用于模擬電弧波動(dòng)時(shí)作用在焊絲上的力。本研究不考慮內(nèi)焊臂在振動(dòng)過(guò)程中與鋼管的相互作用，施加約束和載荷后，即得到一個(gè)自由端受集中力的懸臂梁振動(dòng)模型。

圖5 數(shù)字電焊機(jī)采集的送絲扭矩

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)ANSYS計(jì)算，可以得到內(nèi)焊臂的位移、應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D（大臂振動(dòng)位移云圖如圖6所示），以及內(nèi)焊臂振動(dòng)的動(dòng)畫(huà)模型、內(nèi)焊臂的各階振動(dòng)頻率 （其中一階為2.595 8 Hz）。計(jì)算得到的y方向（即焊接高度方向）自由端最大位移為0.004 7 m，而實(shí)際設(shè)定的焊接高度變化范圍為±5mm，+5mm的波動(dòng)電弧被拉的過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起斷弧，-5mm的波動(dòng)電弧被壓得過(guò)短會(huì)形成焊縫不規(guī)則，或者焊絲粘拉焊頭。該模擬振動(dòng)未考慮與鋼管的相互作用，是大臂自由端自由振動(dòng)的位移。

圖6 大臂振動(dòng)位移云圖

3 內(nèi)焊臂自動(dòng)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

結(jié)合ANSYS 15.0的模擬數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定精焊內(nèi)焊臂的機(jī)構(gòu)，內(nèi)焊臂下共布置了4臺(tái)升降器，每臺(tái)升降器主要包括1個(gè)距離檢測(cè)傳感器、1個(gè)電磁閥、1個(gè)氣缸和1個(gè)萬(wàn)向球等零件。由傳感器檢測(cè)鋼管離開(kāi)該位置時(shí)，電磁閥控制氣路導(dǎo)通，氣缸自動(dòng)升起，頂部萬(wàn)向球支撐內(nèi)焊臂，可有效緩沖內(nèi)焊臂的振動(dòng)，減小其振幅與振動(dòng)時(shí)間，提高內(nèi)焊縫質(zhì)量。

此外為了減少內(nèi)焊臂的振動(dòng)，還應(yīng)要求預(yù)修補(bǔ)崗位嚴(yán)格按照工藝卡要求修磨預(yù)焊縫的飛濺物、氧化物、燒穿、斷弧等缺陷，以保證精焊焊接時(shí)電弧波動(dòng)平穩(wěn)。尤其應(yīng)該注意的是起弧過(guò)程中的內(nèi)焊臂振動(dòng)，因?yàn)閮?nèi)焊兩個(gè)交流焊絲延時(shí)起弧，對(duì)直流焊絲電弧會(huì)形成干擾，加之起弧過(guò)程由起弧板過(guò)渡到鋼管，更易造成內(nèi)焊臂的不穩(wěn)定。引熄弧板與鋼管也應(yīng)處于同一個(gè)平面，防止產(chǎn)生過(guò)渡臺(tái)階，對(duì)接焊縫應(yīng)盡量平緩，也可適當(dāng)加大引弧板尺寸，使起弧過(guò)程穩(wěn)定之后再過(guò)渡到鋼管。

4 結(jié) 語(yǔ)

預(yù)精焊技術(shù)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)幾年的發(fā)展已經(jīng)逐漸完備，甚至已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，但是隨著研究的深入以及大壁厚高強(qiáng)鋼螺旋焊管對(duì)焊接質(zhì)量要求的提高，預(yù)精焊工藝仍存在改進(jìn)的余地。本研究利用ANSYS 15.0軟件分析了精焊內(nèi)焊臂在焊接過(guò)程中由于電弧波動(dòng)形成的振動(dòng)，設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定內(nèi)焊臂的機(jī)構(gòu)，有助于提高預(yù)精焊焊縫質(zhì)量。

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Welding Arm Vibration ANSYS Analysis of SAWH Pipe Tack-finish Welding Unit

FU Chao，ZHANG Jijian，LUO Tianbao
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.，Ltd.，Zibo 255082，Shandong，China）

In order to solve the quality problem of inside weld caused by inside welding arm vibration of SAWH pipe tack-finish welding unit，it analyzed the vibration reason.It simulated the welding vibration caused by electric arc instability utilizing the finite element analysis software ANSYS workbench 15.0，designed a set of automatic stabilization mechanism for finish welding inside welding arm combined with the simulated data and actual production conditions，at the same time cooperated with control tack welding spatter,oxide,burn through，defects grinding such as arc breaking，and the stable transition of up arc tab/down arc tab，which can reduce the vibration problem in welding process，improve the welding quality of finish welding inside weld.

ANSYS；tack-finish welding；cantilever beam；inside welding arm

TG409 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.010

付 超（1987—），男，工程師，在讀博士，主要從事預(yù)精焊工藝與高強(qiáng)鋼螺旋焊管的研究。

2015-12-05

黃蔚莉