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摘 要：本文結(jié)合大口徑不銹鋼焊管行業(yè)對(duì)自動(dòng)化焊接裝備的需求，根據(jù)不同板厚選擇相應(yīng)的焊接工藝，根據(jù)不同要求的焊管制定相應(yīng)的焊接裝備，本文著重介紹了自動(dòng)化裝備和焊接技術(shù)在該焊管行業(yè)中的應(yīng)用。
前 言
不銹鋼焊管具有較好的耐腐蝕性能，目前不銹鋼焊管的運(yùn)用主要集中在石油、化工、電力、造船、醫(yī)藥、食品、軍工、機(jī)械、水處理等行業(yè), 隨著不銹鋼焊管工藝的日漸成熟，其需求領(lǐng)域正逐步擴(kuò)大。目前我國(guó)是全球最大的不銹鋼焊管生產(chǎn)國(guó)，據(jù)中國(guó)鋼管協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)大約有2000家不銹鋼焊管生產(chǎn)企業(yè)，2012年產(chǎn)量達(dá)107820噸；在這些企業(yè)當(dāng)中，不少規(guī)模企業(yè)正在加大自身技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)品研發(fā)力度，在增強(qiáng)自身影響力的同時(shí)，也加大了我國(guó)在國(guó)際上的影響力。
用先進(jìn)的自動(dòng)焊接工藝和與之相配套的自動(dòng)化裝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(dòng)條件。然而，早先國(guó)內(nèi)焊管生產(chǎn)線目前仍處于比較落后的狀態(tài)，由于國(guó)內(nèi)原先還沒有很好的大口徑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(yīng)用不銹鋼焊管生產(chǎn)線有很多缺點(diǎn)：板材焊前坡口制備成本高；焊接效率慢；由于是手工操作, 焊接質(zhì)量得不到保證，產(chǎn)品合格率低；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(shí)現(xiàn)8mm不銹鋼一次單面焊雙面成形，大大減少了焊前準(zhǔn)備工作，保證了質(zhì)量，提高了效率，所以大力推廣自動(dòng)化焊接工藝和裝備在大口徑不銹鋼焊管行業(yè)中的應(yīng)用勢(shì)在必行。
1、大口徑不銹鋼焊管制造工藝、工件情況及焊接質(zhì)量要求
國(guó)內(nèi)不銹鋼焊管生產(chǎn)主要采用連續(xù)成型機(jī)組和UOE方法生產(chǎn)，本文介紹的大口徑不銹鋼焊管由于口徑比較大，不易采用連續(xù)焊管線方式進(jìn)行制造，采用圖1工藝流程進(jìn)行制造。
圖1 工藝流程
根據(jù)市場(chǎng)及運(yùn)輸?shù)纫笤摽趶胶腹苤圃扉L(zhǎng)度一般為6000mm，但也有12000mm，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼/鐵素體/雙相不銹鋼如304（1）, 316（1），321，2205等，一般應(yīng)用用工業(yè)。材料厚度在3~14mm，直徑一般在Φ133~Φ1220mm，焊縫質(zhì)量要求外觀成型美觀，X射線探傷二級(jí)合格，有些行業(yè)要求內(nèi)表面成形平整光滑，產(chǎn)品示意圖見圖2。
圖2 產(chǎn)品
2、焊接工藝
根據(jù)工件材質(zhì)和壁厚情況，以及焊縫質(zhì)量要求，采用高能束等離子焊接工藝為主來解決該類焊管焊接是比較合理和先進(jìn)的。由于壁厚在3mm以上，利用等離子能量集中，穿透能力強(qiáng)（不銹鋼3~8mm可不開坡口，一次焊透）的優(yōu)點(diǎn), 提高焊管效率和質(zhì)量；如果壁厚在8mm以上可以采用工件開坡口留鈍邊的方式，應(yīng)用等離子打底，等離子蓋面/TIG蓋面/埋弧焊蓋面（根據(jù)壁厚和焊接工藝進(jìn)行選擇）；目前根據(jù)客戶產(chǎn)量需求應(yīng)用較多的是以下工藝。
單槍等離子（PAW），主要應(yīng)用于壁厚在6mm以下；
等離子/氬弧焊切換（P/T），主要應(yīng)用于壁厚在8mm以下，需要適當(dāng)填焊絲的情況；
等離子 氬弧焊冷絲或者熱絲（P T），主要應(yīng)用于壁厚在8~10mm以下，可以提高生產(chǎn)效率30%以上和獲得更加美觀的外觀成形；
等離子/氬弧焊/埋弧焊（P/T/SAW），主要應(yīng)用于10~14mm為主的管徑，采用等離子打底，SAM蓋面提高生產(chǎn)效率。
針對(duì)不銹鋼焊管，等離子和TIG保護(hù)氣建議使用氬氫混和氣體，氫氣含量在5%，加入氫氣一方面提高電弧能量，另一方面更重要的是提高保護(hù)效果，因?yàn)闅錃馐沁原性氣體，不銹鋼中含Cr量比較多，在帶有還原性的氣體保護(hù)下，可以避免氧化現(xiàn)象，增加熔池的流動(dòng)性，從而得到更加好的保護(hù)效果及焊縫成形，尤其是等離子溫度高，氧化傾向大，如果后面有TIG蓋面, 等離子焊縫氧化嚴(yán)重，會(huì)使得TIG焊縫無法成形。
對(duì)于厚度大于8mm的工件，建議開如圖3的坡口。
圖3 坡口型式
3、自動(dòng)化焊接裝備配置
結(jié)合客戶的工件狀況和華恒公司在該行業(yè)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，有單一解決方案和綜合解決方案，具體介紹如下：
3.1大型焊接拼板裝備
由于目前單張不銹鋼寬度最大在2200mm， 所以直徑在Ф700mm以下可以選擇單張板下料卷制而成，對(duì)于直徑大于該范圍的需兩張板拼接后進(jìn)行卷制，如果采用簡(jiǎn)易方式或在平臺(tái)上焊接，一方面無法實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型效果，另一方面焊接變形非常大，焊接完成在卷制前還需打磨和整形，工作量比較大而且效果不佳。
為了保證拼接質(zhì)量，建議采用專門的焊接裝備來完成，即采用大型琴鍵式拼接裝備來完成（見圖4），一方面該裝置有進(jìn)出料平臺(tái)，對(duì)中機(jī)構(gòu), 可以實(shí)現(xiàn)兩張板輕松組對(duì)，在琴鍵壓指下進(jìn)行壓緊，無需點(diǎn)焊；另一方面該拼板設(shè)備可以很好的導(dǎo)熱，與板材接觸的地方全部采用導(dǎo)熱性能好的紫銅或銅合金，下面的紫銅襯墊還通水冷卻，提高冷卻能力，再加上采用高能束等離子工藝，板材拼接后變形量會(huì)小，而且可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊雙面成型效果，對(duì)于解決兩張板拼接是非常理想的焊接裝備。
圖4 拼板設(shè)備
3.2邊梁縱環(huán)縫焊管裝備
邊梁縱環(huán)縫焊管裝備主要由邊梁行走機(jī)構(gòu)，管件芯軸支架和內(nèi)保護(hù)機(jī)構(gòu)以及配套的焊接電源及焊槍系統(tǒng)等組成，能很好的解決大口徑焊管工件尺寸不是很大，但焊縫長(zhǎng)的問題，具有占地面積小，工件吊裝方便等特點(diǎn)。見圖5，目前該方式普遍應(yīng)用于該行業(yè)。
圖5 邊梁焊管裝備
邊梁橫梁經(jīng)精加工而成，橫梁上安裝有小車和直線導(dǎo)軌，小車載著焊槍系統(tǒng)做直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行縱縫焊接，焊槍不動(dòng)，滾輪架帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行環(huán)縫焊接；與之配套的管件芯軸支架，可以升降適應(yīng)不同直徑管徑支撐，同時(shí)芯軸支架內(nèi)有槽和軌道，安裝有內(nèi)保護(hù)小車通保護(hù)氣體。在焊接時(shí)焊槍和內(nèi)保護(hù)裝置同步行走，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單面焊接雙面成形工藝。
3.3 焊管內(nèi)焊縱縫裝備
在某些場(chǎng)合下，需要對(duì)管子焊接內(nèi)焊縫進(jìn)行重熔工藝，以獲得更加平滑的焊縫；或者通過加絲填充來修補(bǔ)如咬邊等缺陷，以獲得符合優(yōu)質(zhì)焊管的焊縫。還有對(duì)一些厚度大的管子，可以先內(nèi)部封底焊，再在正面進(jìn)行填充蓋面。在這些情況下，就需要焊管內(nèi)焊裝備。
焊管內(nèi)焊裝備由管件支撐機(jī)構(gòu)，內(nèi)焊行走機(jī)構(gòu)和微型焊槍和機(jī)制性機(jī)構(gòu)、監(jiān)視系統(tǒng)等組成。目前有兩種內(nèi)焊方式，一種剛性橫梁，在溜板里直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)焊槍移動(dòng)，但是橫梁需要一定的剛性，由于焊管比較長(zhǎng)，所以管徑受到一定的限制；另外一種方式采用柔性的鋼絲繩在拉緊狀態(tài)下做剛性行走軌道，小車在剛性機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下沿鋼絲繩軌道行走進(jìn)行焊接，這種方式可以適應(yīng)更小直徑焊管內(nèi)焊。這兩種裝備見圖6、7。
圖6 內(nèi)焊裝備一（橫梁移動(dòng)方式）
圖7 內(nèi)焊裝備二（鋼絲繩方式）
3.4焊管綜合一體式縱環(huán)縫焊接裝備
以上介紹的是單一解決方案，下面介紹的是焊管綜合解決方案，該裝備既可以進(jìn)行焊管外直縫和外環(huán)縫的焊接，又可以實(shí)現(xiàn)焊管內(nèi)直縫和內(nèi)環(huán)縫的焊接，同時(shí)內(nèi)支撐系統(tǒng)還可以作為外焊時(shí)的內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)，所以該裝備（見圖8） 是焊管綜合式裝備，有望在該行業(yè)得到大力推廣和應(yīng)用。
圖8 綜合焊管焊接裝備
該裝備采用焊接系統(tǒng)不動(dòng)，工件行走的方式來實(shí)現(xiàn)，即焊管防置在可移動(dòng)的滾輪加上，外焊系統(tǒng)放置在操作機(jī)上，根據(jù)管徑大小，橫梁上下移動(dòng)到位，內(nèi)焊系統(tǒng)放置在一剛性懸臂支桿上，為了減小懸臂桿的剛性和重量，在懸臂桿的端頭裝有萬向鋼球可以支撐鋼管內(nèi)表面，此外在懸臂桿下面配有可移動(dòng)支撐托架。滾輪架的移動(dòng)為了適應(yīng)精密焊接需求，采用精密導(dǎo)軌配合齒輪齒條嚙合來實(shí)現(xiàn)。
3.5 應(yīng)用大口徑焊管的焊接技術(shù)
在上面介紹的裝備上，無論哪一種方式，都可能應(yīng)用等離子焊接技術(shù)、冷熱絲TIG焊接技術(shù)、埋弧焊技術(shù)，此外與之配套的還有等離子焊槍技術(shù)、弧長(zhǎng)跟蹤技術(shù)、離子氣控制及衰減技術(shù)、焊槍橫擺技術(shù)、自動(dòng)送絲技術(shù)、熱絲技術(shù)、攝像監(jiān)視技術(shù)、雙槍焊接時(shí)的抗干擾技術(shù)、焊槍與背保護(hù)同步技術(shù)、不銹鋼焊接保護(hù)技術(shù)等，這里這些技術(shù)不做重點(diǎn)介紹。
4、實(shí)際應(yīng)用及焊接效果
下面通過圖片（圖9、10、11、12、13、14） 展示在大口徑不銹鋼焊管的裝備及技術(shù)應(yīng)用。
圖9 拼板設(shè)備
圖10 邊梁焊管設(shè)備
圖11 焊管內(nèi)焊設(shè)備
圖12 綜合式焊管設(shè)備
圖13 焊縫正面外觀成形
圖14 焊縫背面外觀成形
5、結(jié)束語
中國(guó)的不銹鋼焊管行業(yè)經(jīng)過20多年的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的進(jìn)步，不僅滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部分需要，而且出口到世界上許多國(guó)家和地區(qū)，我國(guó)已成為不銹鋼焊管的出口大國(guó)。
我們僅僅在中低端出口市場(chǎng)占有一定的份額，尤其是裝飾焊管，但在工業(yè)大口徑焊管以及高端產(chǎn)品不僅很少出口，國(guó)內(nèi)許多高端的不銹鋼焊管還需要進(jìn)口。面對(duì)國(guó)內(nèi)工業(yè)蓬勃發(fā)展的局面,自動(dòng)化焊接裝備企業(yè)和廣大的焊管生產(chǎn)企業(yè)共同努力，用先進(jìn)的等離子技術(shù)和裝備技術(shù)焊接不銹鋼焊管取代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，
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(guó)不銹鋼焊管生產(chǎn)線的落后狀態(tài)，為我國(guó)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(shù)及設(shè)備革新，真正成為世界不銹鋼大口徑焊管的大國(guó)和強(qiáng)國(guó)。
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