等離子焊接系統在不銹鋼焊管中的應用

引言：用先進的自動焊接工藝和與之相配套的專機設備可以大幅度提高產品質量，提高生產效率，降低制造成本，改善工人的勞動條件。然而，早先國內焊管生產線目前仍處于比較落后的狀態，由于國內原先還沒有很好的不銹鋼焊管成套焊接系統，所以大多數廠家采用手工電弧焊和手工氬弧焊，這兩種焊接方法應用不銹鋼焊管生產線有很多缺點：1.板材焊前坡口制備成本高；2.焊接效率慢；3.由于是手工操作，焊接質量得不到保證，產品合格率低；4.熱輸入量大，工件變形大等。與之相比，等離子焊接由于能量集中，不開坡口，一次可實現8mm不銹鋼單面焊雙面成型，大大減少了焊前準備工作，保證了質量，提高了效率。目前，國內焊管生產量達到1660＆#215;104t，其中70以上仍停留在落后的生產設備和工藝，所以大力推廣等離子焊接系統在不銹鋼焊管行業中的應用勢在必行。

　　1.等離子弧產生原理

　　等離子弧是離子氣被電離產生高溫離子化氣體，并經過水冷噴嘴的機械壓縮，從噴嘴中心小孔穿出而形成等離子電弧，其能量密度可達105-106W/cm2，比自由電弧（約105W/cm2以下）高，其溫度可達18000-24000K，也高于自由電弧（5000-8000K）很多，等離子電弧焊接工藝的基本原理見圖1。

　　2.等離子焊接工藝的優點

　　1)穿透能力強，8mm以下板厚無須開坡口，大大減小了焊前準備時間。
　　2)電弧能量集中，焊接熱影響區小，焊接變形小。
　　3)焊接速度快，等離子比手工氬弧焊減小4-5倍時間。
　　4)卓越的重復生產性。
　　5)弧柱剛性大，采用小孔效應，可以實現穩定的單面焊雙面成型。
　　6)電極縮在噴嘴內，不易污染和燒損及電極壽命長，焊縫缺陷少。
　　7)焊接質量好，可焊材料多。
　　8)等離子弧具有良好的可控性和調節性等。

　　TIG電弧與等離子電弧相比較，可以清楚的體現等離子電弧的優越性。電弧在軸向增加20弧柱截面積時，TIG焊只有0.12mm，而等離子弧卻可以達到1.2mm，可見等離子弧更挺，能量更集中。

　　3.等離子焊接設備介紹

　　等離子焊接設備包括焊接電源、焊槍、拖罩、專用制冷水箱、氣路系統等部分組成。

　　3.1焊接電源

　　除焊接鋁及其合金外，我們用直流電源見圖4。

　　該焊接電源采用最新技術的數字化逆變電源，可以在網絡電壓上下波動20情況下正常工作，特別適合我國的基本國情；數字化電源系統響應速度快，控制精度高，性能穩定；維弧電流可以單獨調節，保證維弧穩定。在焊管行業我們選用電源型號為DC-P400，其額定電流為400A，20ºC時，暫載率為60。

　　3.2等離子焊槍

　　等離子焊接時產生等離子電弧并用以進行焊接的工具稱為等離子焊槍。如圖5所示。焊槍的結構，制造的精度，制造的工藝等等，均會影響等離子焊槍的性能，也決定了等離子焊接的施焊工藝的難度。焊槍的冷卻能力也是衡量等離子焊槍好壞的重要指標。焊槍的噴嘴，鎢極夾必須得到充分的冷卻。等離子焊接時，鎢極一定要與噴嘴同心。內縮量可以自由調節是一把好等離子焊槍必須具備的能力。

　　等離子焊槍噴嘴尺寸，孔徑大小，結構形式也是影響焊接效果的重要因素，孔徑尺寸根據板厚及焊接電流來決定。

　　3.3專用制冷水箱

　　由于等離子弧溫度高，所以噴嘴的冷卻效果的好壞，直接影響焊接過程中能量的穩定性，即能否產生穩定的等離子電弧，從而影響到焊接效果。鑒于此，等離子焊接一定要配置專用的制冷水箱，提供恒定的水溫。

　　3.4高精度可調節的等離子氣表

　　等離子氣流量的大小，直接影響焊接能量，在焊接過程中，提供穩定的等離子氣流量至關重要。因而一般的流量表滿足不了等離子焊接需要，所以等離子焊接應配置高精度的等離子氣表，其精度為0.01L/min。

　　4.等離子焊接工藝

　　影響等離子焊接的工藝參數很多，焊接電流、焊接速度、等離子氣流量、噴嘴孔道比、噴嘴孔徑、鎢極形狀尺寸、鎢極內縮量、送絲速度、冷卻水溫度、環境溫度、背面保護氣、正面保護氣等都不同程度會影響等離子焊接的接頭質量，圖6所示為固化噴嘴孔道比、噴嘴孔徑、鎢極形狀尺寸、冷卻水溫度后焊接電流、焊接速度、等離子氣流量對中厚板焊縫成型的影響。不銹鋼中厚板

　　等離子焊接的主要影響因素為焊接電流、焊接速度、等離子氣流量，其焊接工藝參數見表一。

　　5.等離子焊接系統在不銹鋼焊管中的應用

　　此行業生產的承壓管長度一般為6000mm，材質為奧氏體不銹鋼如304（l），316（l），321等，厚度≥3mm，直徑≥Φ133mm，焊縫質量要求外觀成型美觀，X射線探傷二級合格。我們采取的工藝是3-8mm等離子單面焊雙面一次成型；>8mm開Y型坡口，留5-6mm鈍邊，采用等離子焊接打底，氬弧焊或等離子蓋面，也有采用埋弧蓋面。

　　5.1設備配置

　　該系統由等離子焊接電源，等離子焊槍，專用制冷水箱，送絲機構，可編程控制箱，邊梁行走機構，管件芯軸支架和內保護機構等組成。

　　5.2邊梁行走機構

　　該機構采用在立柱上固定橫梁，橫梁上面裝有矩形導軌，側面安裝齒條，小車安裝在橫梁導軌上移動。由于采取多組滾動軸承，小車運行輕便靈活。小車運行由直流電機經微型減速器，再經齒輪，齒條實現直線運動。直流電極為無級調速。

　　5.3芯軸支架

　　芯軸上有槽，槽內通保護氣體。在焊接不同直徑工件時，可通過旋轉手輪，調整芯軸高度，適應不同工件直徑焊接。

　　5.4內保護裝置

　　此裝置設計的好壞，直接影響焊接效果，我們有兩種形式：

　　方式一：管內拖罩通過專門的行走機構與焊接小車同步來通氣。

　　方式一：整個背保護裝置中通氣。

　　方式一結構復雜，省氣；方式二結構簡單。

　　5.5送絲機構

　　該機構由直流電機驅動，送絲輪上方有壓緊輪，通過彈簧杠桿壓緊，可送焊絲直徑Φ0.8-Φ1.6mm。

　　5.6可編程控制器

　　除焊接電源提供電流以外，焊接工裝如行走小車、十字滑架和送絲等動作均由焊接控制器來控制。

　　5.7實際應用及焊接效果

　　某焊管廠材質為321，厚度為14mm，傳統的焊接工藝采用TIG焊接工藝，每人每天只可以生產0.5根管子。利用等離子焊接設備后，采用等離子打底，TIG蓋面。焊接生產率為每人每天3根，返修率減少到接近于0。

　　5.7焊管的生產步驟

　　6結束語

　　用等離子自動焊接不銹鋼焊管取代傳統的手工焊接方法，不僅可以大大降低制造成本，而且提高了焊接質量及生產效率，有利于改善目前我國不銹鋼焊管生產線的落后狀態，為我國迅速發展的石油，化工，電建等行業提供大管徑焊管，從而加快焊管行業的技術及設備革新，提高焊管的產量。