摘要:为解决传统等离子焊接平台气囊夹紧力不足、焊枪行走机构精度差、焊接控制系统输出不稳定、无法实时观察问题,以及造成的对接焊缝错边、咬边、焊偏等质量问题,设计了一种数字化等离子焊接系统。该系统通过改进液压夹紧装置、设计焊枪控制系统、熔池监控装置、焊机自动定位装置及气体保护装置,实现了数字化焊接,提升了焊接质量,提高了生产效率。实际应用表明,采用设计的数字化等离子焊接系统,生产效率提升15%以上,斜焊缝一次通过率提高约8%。
随着我国不断加大对低渗透、超低渗透油田及页岩油的开发,斜井、水平井等日渐增多[1],作业用连续油管长度也在不断增加,生产油管用钢带长度及钢带对接头的数量也在对应的增加,这就对钢带对接头的焊接质量和生产效率提出更高的要求。而在工业生产和油田现场作业中,连续油管偶尔出现钢带对接对头处的焊缝缺陷,会造成整盘油管失效事故。
传统的连续油管钢带焊接平台数字化、自动化程度低[2],使用过程中出现焊接平台夹紧力不足、焊枪行走机构精度差、焊接控制系统输出功率不稳定、无法实时观察熔池变化等问题,造成错边、咬边、焊偏、气孔、焊接变形等缺欠和缺陷[3],尤其是CT110以上高钢级钢带对焊生产中效率低下,焊缝一次通过率低等问题。
为解决上述问题,设计了一款数字化等离子焊接平台,配备高效的等离子焊枪,具有电弧能量集中、穿透能力强、焊接熔深大、热影响区窄等优点[4-5];同时将伺服控制、熔池监控、焊缝自动焊接定位装置等应用于该平台,使用效果良好。
1、传统等离子焊接平台的特点
传统等离子焊接平台结构简单,数字化、自动化程度低[6],由组对台、电驱小车、焊枪、模拟控制系统组成,使用过程中主要存在四方面问题:①对接钢带无法精确就位在焊接平台正中心,焊接过程中需要人工实时修正焊枪,易造成焊偏等缺陷;②人工采用焊帽观察熔池及焊丝等情况[7],使用过程中调整修正存在一定的滞后性;③夹具压紧力小,不能彻底消除对头处错边、咬边等问题;④钢带对接焊缝在制管机组成型后,焊缝缺陷频发。焊接接头缺陷如下图1所示。
图1 焊接接头缺陷照片
2、数字化等离子焊接系统的设计和组成
2.1 设计思路
为解决传统等离子焊接平台在连续管钢带对接中出现的缺陷,提升产品质量,减少焊接操作对质量的影响,亟需设计一款可靠稳定的数字化等离子焊接系统。考虑到该系统主要用于低碳微合金和高合金钢带的组对焊接,结合等离子电源的特性,选用直流等离子焊接电源[8]。该系统由焊缝组对平台、等离子焊枪及控制系统、熔池监控装置、焊缝自动焊接定位装置、气体控制装置等组成。具体设计思路如下。
(1)设计新型的焊接平台液压夹紧装置,将夹紧力由50 N提高到500 N确保先行钢带的尾部及后行钢带的头部夹紧,解决焊接错边问题。
(2)设计焊枪控制系统,按照PLC自动控制程序,控制焊枪的工作流程。
(3)设计熔池监控装置,解决实时观察熔池的问题。
(4)设计焊机自动定位装置,据两点直线原理设计的轨迹拟合自动焊接系统,通过焊缝上的两点定位进行自动焊接,确保等离子弧始终位于焊缝的正上方,解决焊偏问题。
(5)设计气体保护装置,提供焊后保护气和背部保护气,解决低碳微合金、高合金钢带的焊缝焊接氧化问题。
2.2 焊缝组对平台的设计
焊缝组对平台由一体式液压夹具、横梁平台、进出接料装置、对中装置、气路系统、送丝机构等组成。机座具有足够刚性以承受夹紧力,机床配有水冷衬条,背部留有保护气进气接口,可以满足宽度1 000 mm以下、厚度8 mm以下钢板的拼缝组对焊接,其中夹紧装置采用同步液压缸夹紧,最大夹紧力可达到500 N,可以根据材质、厚度的不同,选用不同的夹紧力,有效消除焊接过程中的焊接变形问题,图2所示为焊缝组对平台示意图。
图2 焊缝组对平台示意图
2.3 等离子焊枪及控制系统的设计
2.3.1 焊枪的设计
焊枪是等离子焊接中最重要的组成元件,通过焊枪产生高能量密度等离子电弧,实现稳定可靠的焊接[9]。焊枪针对8 mm以下薄板焊接设计,通过对头处预留缝隙,实现小孔型等离子弧焊,在不开坡口的情况下,一次可实现单面焊双面成型,大大减少了焊前准备,保证了焊接质量,提高了焊接效率[10]。
该焊枪输出能量密度最高为1 200 kW/cm2;电弧输出稳定高效,热影响区小,焊接变形小,焊接速度快;扩散角和挺直度好[10];离子弧具有良好的可控性和调节性。钨极与喷嘴同心度好,内缩量可以自由调节,配备多规格的钨极和喷嘴,满足不同材质、不同钢级、不同厚度板材的对头焊接,能够获得良好的等离子焊接质量[11]。
焊枪额定输出电流450 A,钨极最大规格为Φ4.8 mm,焊接过程电弧输出持续稳定,根据钢带厚度的不同,在钢带对接处预留0.1~0.15 mm的缝隙,等离子电弧可产生稳定的小孔效应,成功解决了8 mm以下厚度、CT110以上钢级钢板无需开坡口焊接,实现高效稳定的单面焊双面成型。等离子焊枪结构如图3所示。
图3 等离子焊枪结构图
2.3.2 PAW焊接控制系统的设计
控制系统是数字化焊接系统的重要组成单元,支持PAW、TIG、MIG等多种焊接工艺。系统选用PLC为主控单元、HMI为人机交互界面[12],具有通讯、程序管理、参数设定、监控界面、手工界面和报警界面等8个界面功能。
图4为焊接控制系统界面,系统可显示当前正在使用的程序信息,还包括程序新建、查询、调用、删除、存储等功能。可将所有钢级、不同厚度钢板的焊接参数输入系统,根据生产需要调用、调整,有效提高生产效率,减少因工作失误造成的参数错误;具备开机自检功能,彻底解决简易焊接平台烧坏喷嘴、损坏焊枪的问题;显示和编辑方便,满足灵活调整焊接参数;外配备自检和报警功能,清楚显示报警部位和报警原因,降低了故障的发生[13]。
图4 焊接控制系统界面图
2.4 熔池监控装置的设计
设计用于PAW焊接的熔池监控装置,可实时监测焊接前、焊接过程中熔池情况,代替用手持焊接面罩进行熔池观察,减轻了操作人员劳动强度。
装置选用彩色1英寸COMS相机,COMS相机具有视野广阔,放大倍数大等优点[14],可观察1 m范围内的物体,动态范围高达160 dB以上,可以清晰观察熔池、焊丝熔化变化,画面不受电弧光的影响。熔池监控工作原理如图5所示。
图5 熔池监控装置原理图
2.5 自动焊接定位装置的设计
为减少焊接人员对焊接定位的影响,在焊接控制系统的基础上嵌入自动焊接定位装置,装置根据线性代数两点确定一条直线的原理设计。焊接准备阶段,通过激光点和配套系统锁定目标焊缝上的两点,启动焊接系统后,焊枪按照自动定位装置模拟的轨迹完成自动焊接,彻底消除了焊枪行走线路和目标焊缝两线不重合造成的焊偏、咬边等问题。其工作原理如图6所示。
图7为实操钢带1和钢带2对缝自动定位图,通过自动焊接定位装置任意锁定目标点A和点B(对应图6焊接定位系统原理图上的A点和B点),通过直线AB向两侧延伸到引熄弧板1和引熄弧板2上,锁定最终焊接轨迹(焊枪行走路线),实现高效精准焊接。
图6 焊接定位系统原理图
图7 焊接定位实物图
2.6 气体控制装置设计
在钢带组对焊接过程中,气体控制装置分别供给焊枪等离子气、熔池保护气、焊后保护气、背部保护气四路,每路气体由氩气汇流排提供,通过数字式气体流量计控制气体流量输出,具体设计原理如图8所示。
该气体控制装置可根据焊接材质不同、板材厚度的不同,分别单独调整四路气体的压力和流量。该装置操作调整简单,控制精度高(0.01 L/min),可根据不同钢级、厚度、材质选用不同流量的等离子气和保护气体,还可以分焊接阶段,控制预融流量、焊接流量、焊后衰减流量及各阶段流量的开启与结束时间,完美代替了传统浮子流量计调节精度差,观察不直观等问题。另外可根据生产需要设置气体流量报警上限和报警下限,有效降低劳动强度。
图8 气体控制装置原理图
3、数字化等离子焊接系统的应用
2023年,新系统已成功应用于某管厂,目前已完成从CT70~CT150钢级,约1.5万t低碳微合金钢带的在线对接;系统投用以来,未出现由于钢带对焊头失效造成的连续油管质量问题;同时焊接缺陷少,可焊材料多,焊接质量高等优点[15]。
使用传统焊接平台,每班月对接钢带约410 t,平均对接钢带接头99个,但对超高强度和硬度的CT110钢级及以上钢级的对头焊缝一次通过率约87%,低于平均标准;采用数字化等离子焊接系统后,每班月对接钢带约475 t,平均对接钢带接头114个,CT110及以上钢级对接接头焊缝一次通过率提高至95%;CT110及以上钢级钢带对接接头区域的镰刀弯由每1 m不超过3 mm减少为每1 m不超过1.5 mm;CT110钢级5.2 mm厚钢带对头的平均错边量提升一半以上。如图9所示,1#试样在传统平台焊接,焊偏量((A-B)/2)0.24 mm,满足标准要求;2#试样在数字化平台焊接,焊偏量0.11 mm,远高于内控标准要求。
图9 钢带对接接头金相照片
通过实践应用,该系统不仅成功解决了焊接平台压紧力小、焊接过程中人工修正焊枪轨迹造成的错边咬边、焊缝扭曲变形问题,还同时解决了在制管过程中出现的焊缝开裂等质量问题。
目前,该设备已成功应用于高合金对焊材料,如200不锈钢、2205双相不锈钢、304和316L系列奥氏体不锈钢带的对焊;同时解决了钛合金(TA18)焊接中的焊缝表面氧化严重的问题,图10为不同试验平台焊接的钛合金(TA18)试样,图10(a)为传统焊接平台焊接1#试样,焊缝表面氧化严重;图10(b)为内数字化等离子焊接平台焊接2#试样,由于可以分阶段精确控制离子气、焊接保护气体的流量,因此焊缝表面较光滑,氧化层较少。对焊接后的试样选用5T板厚的弯心直径进行弯曲试验,结果如图11所示,可见,1#试样弯曲后焊缝与热影响区出现明显裂纹;2#试样未发现明显裂纹。从而说明数字化等离子焊接平台优于传统焊接平台。
图1 0 钛合金(TA18)对接焊缝试样
图1 1 钛合金(TA18)弯曲试样
4、结论
(1)数字化等离子焊接系统通过提升焊接平台夹紧力、改进气体控制装置,增加自动焊接定位装置,解决了传统焊接平台夹紧力不足、数字化水平低、参数设置调整复杂、等离子气与保护气无法精确调节、无法实时观察焊接熔池、焊枪行走轨迹与焊缝存在偏差等问题。
(2)数字化等离子焊接系统投用后,每班月生产能力从410 t提升至475 t以上,生产效率提升15%;CT110以上钢级对接焊缝一次通过率从87%提高至95%,提高8%左右,每年产生经济效益约一百万元。
(3)数字化等离子焊接系统的设计及应用,不仅成功替代了传统的焊接平台,而且提高了生产效率及焊缝一次通过率,有效解决了连续管钢带对焊过程出现的缺陷,为油田的勘探开发提供优质的连续管产品奠定了基础。
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文章来源:马星,魏志荣,张顺博,等.数字化等离子焊接系统在连续油管钢带对接中的设计与应用[J].焊管,2024,47(09):57-61+68.
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