等離子焊接系統(tǒng)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(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，改善工人的勞動條件。然而，早先國內(nèi)焊管生產(chǎn)線目前仍處于比較落后的狀態(tài)，由于國內(nèi)原先還沒有很好的不銹鋼焊管成套焊接系統(tǒng)，所以大多數(shù)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(chǎn)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(zhì)量得不到保證，產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)量，提高了效率。目前，國內(nèi)焊管生產(chǎn)量達到1660＆#215;104t，其中70以上仍停留在落后的生產(chǎn)設備和工藝，所以大力推廣等離子焊接系統(tǒng)在不銹鋼焊管行業(yè)中的應用勢在必行。

　　1.等離子弧產(chǎn)生原理

　　等離子弧是離子氣被電離產(chǎn)生高溫離子化氣體，并經(jīng)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(yōu)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(qū)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(chǎn)性。
　　5)弧柱剛性大，采用小孔效應，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成型。
　　6)電極縮在噴嘴內(nèi)，不易污染和燒損及電極壽命長，焊縫缺陷少。
　　7)焊接質(zhì)量好，可焊材料多。
　　8)等離子弧具有良好的可控性和調(diào)節(jié)性等。

　　TIG電弧與等離子電弧相比較，可以清楚的體現(xiàn)等離子電弧的優(yōu)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(tǒng)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(shù)字化逆變電源，可以在網(wǎng)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(shù)字化電源系統(tǒng)響應速度快，控制精度高，性能穩(wěn)定；維弧電流可以單獨調(diào)節(jié)，保證維弧穩(wěn)定。在焊管行業(yè)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(chǎn)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(nèi)縮量可以自由調(diào)節(jié)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(jù)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(wěn)定性，即能否產(chǎn)生穩(wěn)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(diào)節(jié)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(wěn)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(shù)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(nèi)縮量、送絲速度、冷卻水溫度、環(huán)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(zhì)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(shù)見表一。

　　5.等離子焊接系統(tǒng)在不銹鋼焊管中的應用

　　此行業(yè)生產(chǎn)的承壓管長度一般為6000mm，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼如304（l），316（l），321等，厚度≥3mm，直徑≥Φ133mm，焊縫質(zhì)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(tǒng)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(nèi)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(jīng)微型減速器，再經(jīng)齒輪，齒條實現(xiàn)直線運動。直流電極為無級調(diào)速。

　　5.3芯軸支架

　　芯軸上有槽，槽內(nèi)通保護氣體。在焊接不同直徑工件時，可通過旋轉(zhuǎn)手輪，調(diào)整芯軸高度，適應不同工件直徑焊接。

　　5.4內(nèi)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(nèi)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(qū)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(zhì)為321，厚度為14mm，傳統(tǒng)的焊接工藝采用TIG焊接工藝，每人每天只可以生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)步驟

　　6結束語

　　用等離子自動焊接不銹鋼焊管取代傳統(tǒng)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(zhì)量及生產(chǎn)效率，有利于改善目前我國不銹鋼焊管生產(chǎn)線的落后狀態(tài)，為我國迅速發(fā)展的石油，化工，電建等行業(yè)提供大管徑焊管，從而加快焊管行業(yè)的技術及設備革新，提高焊管的產(chǎn)量。