CN102151959A - 一种薄壁钢管高速焊接生产工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁钢管高速焊接生产工艺及装置，在焊接位置设置的前后两个独立的TIG焊接电源，将不锈钢带经过整形卷成钢管形连续输送至焊接位置，焊接位置处设置前后两个TIG焊接电源，先经第一TIG电弧焊接使焊缝完全焊透并保证钢管内表面的焊缝成形，随后经第二TIG电弧对第一TIG电弧形成的熔池后部进行加热，保证钢管外表面焊缝平整连续。本发明不仅可以实现薄壁钢管的高速焊接生产，而且可以生产处焊缝表面成形良好、达标，焊缝力学性能满足要求的钢管，从而解决了高焊接速度与高焊接质量难以兼得的问题。

Description

一种薄壁钢管高速焊接生产工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种钢管的焊接生产工艺及装置，特别是一种双TIG电弧的钢管新型焊接生产工艺，用该焊接方法能实现薄壁钢管的高速焊接以及厚壁钢管的打底焊。

背景技术

焊接技术是目前钢管生产的关键技术，其决定了钢管生产的质量和效率，各种不同焊接工艺方法焊接速度的限制成为提高钢管产量的主要难题。对于薄壁(壁厚≤3mm)钢管，直流TIG焊是其主要的焊接生产工艺之一。如对于工业用不锈钢管，既要求钢管焊缝完全焊透且内外表面成形美观，又要求焊缝具有较高的力学性能。因此，焊接速度成为不锈钢管焊接产量提高的瓶颈。在不考虑钨极烧损的条件下，采用大电流施焊，对于壁厚1.5mm不锈钢管焊接生产，焊接速度最高仅为1.8m/min，对于1.0mm厚的不锈钢管，其焊接生产速度最高可达2.5m/min。如果为了提高不锈钢管产量再进一步提高焊接速度，则会造成焊缝表面咬边、凹坑、驼峰焊道等表面成形缺陷并影响焊缝力学性能，从而造成钢管质量不达标。因此，在保证焊缝表面成形和力学性能达到标准要求的条件下，提高焊接速度成为薄壁钢管生产企业提高产量共同面对的难题。

尽管高频电阻焊可以达到很高的焊接速度，但由于管内壁的飞边难于清除，不能满足对焊缝内表面成形的要求，限制了其在对管内壁焊缝成形有一定要求的工业钢管生产中的应用。作为一种高能量密度的焊接工艺方法，等离子弧焊也可以实现较高速度的焊接，但是在速度超过2～3m/min之后，其焊缝表面成形与TIG焊一样也会出现诸如咬边、凹坑、驼峰等成形缺陷。另外，高频电阻焊和等离子弧焊相对TIG焊来说，其焊接设备的成本要高的多。

对于不锈钢等钢铁材料来说，由于液态金属的粘度大，在高速TIG焊接条件下，在电弧力的排斥作用和运动惯性作用下，熔池金属主要向熔池后方堆积。由于焊接速度快，熔池冷却速度也快，堆积到熔池后方的液态金属还未来得及回流填充塌陷的熔池时便凝固成形，从而造成咬边、凹坑以及驼峰焊道等表面成形缺陷，有这些缺陷存在的焊缝一方面表面成形不达标，另一方面也严重降低了焊缝的力学性能。根据焊缝表面成形缺陷形成的原因，采用附加热源来延长液态金属存在的时间，以便可以使其能够回流填充熔池的凹陷，形成平、表面平整连续的焊缝。

发明内容

本发明目的是提供一种薄壁钢管高速焊接生产工艺及装置，该工艺不仅可以实现薄壁钢管的高速、高效焊接生产，还可以实现厚壁钢管多层焊接生产中的高速打底焊，解决了薄壁钢管焊接生产产量低的技术难题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种薄壁钢管高速焊接生产工艺，将不锈钢带经过整形卷成钢管形连续输送至焊接位置，焊接位置处设置前后两个TIG焊接电源，先经第一TIG电弧焊接使焊缝完全焊透并保证钢管内表面的焊缝成形，随后经第二TIG电弧对第一TIG电弧形成的熔池后部进行加热，保证钢管外表面焊缝平整连续。

所述的焊接速度为1.0-8.0m/min，钢管壁厚范围0.5-6mm。

所述的第一TIG电弧由第一TIG焊枪产生，第二TIG电弧由第二TIG焊枪产生。

所述的第二TIG焊枪与第一TIG焊枪之间距离为0-60mm。

所述的第一TIG焊枪在钢管对接坡口平面内与钢管的水平对接焊缝成40-90°夹角的姿态，第一TIG电弧的焊接电流在30-400A、电弧电压在10-40V之间，钨极尖端到对接边上表面的距离为0.1-5mm。

所述的第二TIG焊枪与第一TIG焊枪在同一平面内，在钢管对接坡口平面内与钢管的水平对接焊缝成60-90°夹角，第二TIG电弧的焊接电流为30-350A、电弧电压为10-40V，钨极尖端到对接边上表面的距离为0.1-5mm。

所述的钢管为圆形管或方形管或椭圆形管及其他异型管。

一种薄壁钢管高速焊接生产装置，包括钢管输送装置、平焊焊接装置，平焊焊接装置包括在焊接位置设置的前后两个独立的TIG焊接电源，两个TIG焊接电源分别产生第一TIG电弧和第二TIG电弧，第二TIG焊枪与第一TIG焊枪在同一个平面内，且位于其后面，两焊枪之间距离为0-60mm，成0-90°夹角。

采用前后两TIG电弧列置的方式，第一TIG电弧确保焊缝完全焊透并保证钢管内表面的焊缝成形，随其后的第二TIG电弧提供辅助热源，对第一TIG电弧形成的熔池尾部进行加热，并使其保持液态状态，延长钢管外表面液态熔池的存在时间，使其有充足的时间可以回流填充熔池的下塌，从而可以形成表面平整连续的焊缝。在本技术方案中，前后两TIG电弧具有明确的分工：第一TIG电弧确保焊缝能够完全焊透以及钢管内表面的焊缝成形，第二TIG电弧保证钢管外面的焊缝成形，且不能使钢管外表面熔池金属过热造成晶粒过分粗大。第二TIG电弧提供辅助热源，延长了液态熔池金属的存在时间，为熔池后部堆积的液态金属回流提供了充足的时间，是在高速焊接条件下不锈钢获得表面平整连续焊缝的关键。该方法采用两***立的TIG焊接电源，既可以同型号同规格，也可以不同型号不同规格；既可以是数字化焊接电源，也可以是普通的逆变TIG焊接电源、晶闸管TIG焊接电源。该方法所使用的母材既可以是不锈钢材料，也可以碳钢、合金钢等黑色金属以及铝合金、钛合金等有色金属，所焊接生产的钢管及有色金属管可以是圆形管、方形管及其他异型管。焊接过程中，根据生产不锈钢管的壁厚，确定第一TIG焊枪的姿态以及焊接电流、电弧电压等参数，并以此形成的熔池尺寸调节第二TIG焊枪的姿态及其与第一TIG焊枪之间的距离以及焊接电流、电弧电压等工艺参数，以便达到最佳的焊缝表面成形效果进行钢管的焊接生产。

本项发明的有益效果

通过该焊接工艺方法可以实现薄壁(壁厚≤3mm)钢管的高速、高效焊接生产，还可以实现厚壁钢管多层焊接生产中的高速打底焊。该焊接工艺方法不需要特别设计焊接装置，只需在原有的钢管焊接生产线上，紧邻原有的TIG焊枪后面安装一把姿态位置均可调节的TIG焊枪，通过调节两把TIG焊枪之间的距离以及合理匹配两TIG电弧电压和焊接电流，就可以实现钢板的高速高效焊接生产。另外，该焊接工艺方法不仅可以实现薄壁钢管的高速焊接生产，还可以实现厚壁钢管多层多道焊焊接生产过程中的高速打底焊以及铝合金、钛合金、镁合金等有色金属管的高速焊接生产。用该焊接工艺方法，对1.2mm后的不锈钢管生产中，在5m/min的焊接速度下，可以生产处焊缝表面成形良好、达标，焊缝力学性能满足要求的钢管，双TIG焊枪高速焊接焊缝表面形貌见附图3。

附图说明

图1是本发明的焊接装置结构图；

图2是用该焊接方法实现1.2mm厚不锈钢圆管焊接生产的示意图；

图3是双TIG焊枪高速焊接焊缝表面成形形貌(焊接速度：5.6m/min，壁厚：1.5mm)；

图中：1、第一TIG焊枪，2、第一TIG焊枪喷嘴，3、第一TIG焊枪钨极，4、第一TIG电弧，5、焊接的钢管(或有色金属管)，6、第二TIG焊枪，7、第二TIG焊枪喷嘴，8、第二TIG焊枪钨极，9、第二TIG电弧，10、焊缝，11、焊接方向。

具体实施方式

一种薄壁钢管高速焊接生产装置，包括钢管输送装置、平焊焊接装置，平焊焊接装置包括在焊接位置设置的前后两个独立的TIG焊接电源，两个TIG焊接电源分别产生第一TIG电弧4和第二TIG电弧9，第二TIG焊枪6与第一TIG焊枪1之间距离为0-60mm，第二TIG焊枪6在第一TIG焊枪1在同一平面内，两焊枪成0-90°夹角。

实施例1

下面以1.2mm厚不锈钢管焊接生产对焊接工艺过程及结果进行分析说明。

所用两台TIG焊接电源，一台为数字逆变直流焊接电源，为第一TIG电弧提供能源；另一台为普通的逆变直流焊接电源，为第二TIG电弧提供能源。第一TIG电弧焊接电流为192A，电弧电压为16.2V，保护气为Ar气，流量为6L/min；第二TIG电弧焊接电流为124A，电弧电压为15.8A，保护气为5L/min流量的Ar气，两把焊枪钨极之间的距离为7mm，焊接速度为5.1m/min；两焊枪的夹角为30°，不锈钢管壁厚为1.2mm。两把TIG焊枪固定不动，焊接位置为从钢管外面对接处平焊。不锈钢带经过整形之后卷成圆形钢管状，连续不断地输送焊接位置，先有第一TIG电弧焊接，使得焊缝完全熔透并保证背面具有良好的成形，在第一TIG电弧形成的熔池尾部引燃第二TIG电弧对液态熔池进行继续加热，使其继续保持液态，从而可以有足够的时间回流、铺张、填充熔池形成的凹陷，得到平整连续的焊缝，焊接完成的钢管待焊缝冷却一段时间后进行整圆处理，然后按规定尺寸截取成品管。一支6米长的钢管，其生产节拍可以达到1分11秒/支。

对采用该焊接工艺生产的钢管作膨胀实验，结果表明在膨胀率达到15.2％的条件下，经过宏观监测和表面着色探伤均未发现钢管开裂，完全满足膨胀率10％的企业标准。

实施例2

以圆形钢管为例说明双TIG焊枪生产钢管的焊接工艺步骤：

1、钢管焊接生产制造采用工装夹具将钢带纵向整形，横截面成圆形，钢带的两边水平对接，以便于采用平焊的方式焊接成型。

2、焊接工艺采用两把TIG焊枪前后列置、不填充焊丝的方式，第一TIG电弧确保焊缝完全焊透并保证钢管内表面的焊缝成形，随其后的第二TIG电弧对第一TIG电弧形成的熔池后部进行加热，保证钢管外表面焊缝平整连续。

3、该方法使用两***立的TIG焊接电源，两台电源既可以同型号同规格，也可以不同型号不同规格；既可以是数字化焊接电源，也可以是普通的逆变TIG焊接电源、晶闸管TIG焊接电源。

4、两TIG电弧焊接工艺参数协调控制：不锈钢壁厚为1.5mm，焊接速度为6.1m/min，第一TIG焊枪与钢管的水平对接焊缝85°的姿态，根据生产钢管的壁厚，确定第一TIG电弧的焊接电流在270A、电弧电压在16.5V之间，钨极尖端到对接边上表面的距离为0.3mm。根据第一TIG电弧形成的熔池尺寸及焊缝表面成形调节第二TIG焊枪的姿态为与钢管水平对接焊缝成70°、第二TIG焊枪与第一TIG焊枪之间的距离为8mm、第二TIG电弧的焊接电流为156A、电弧电压为17.1V等工艺参数，钨极尖端到对接边上表面的距离为0.5mm。

5、钢管焊缝冷却至400℃以下后进行整圆处理，然后检验合格后包装入库。

该方法所使用的母材既可以是不锈钢材料，也可以碳钢、合金钢等黑色金属以及铝合金等有色金属，所焊接生产的钢管及有色金属管可以是圆形管、方形管及其他异型管。

实施例3

下面以2.0mm厚不锈钢管焊接生产对焊接工艺过程及结果进行分析说明。

所用两台TIG焊接电源，一台为数字逆变直流焊接电源，为第一TIG电弧提供能源；另一台为普通的逆变直流焊接电源，为第二TIG电弧提供能源。第一TIG电弧焊接电流为285A，电弧电压为16.8V，保护气为Ar气，流量为6L/min；第二TIG电弧焊接电流为172A，电弧电压为16A，保护气为6L/min流量的Ar气，两把焊枪钨极之间的距离为9.0mm，焊接速度为4.8m/min；两焊枪的夹角为35°，不锈钢管壁厚为2.0mm。两把TIG焊枪固定不动，焊接位置为从钢管外面对接处平焊。不锈钢带经过整形之后卷成圆形钢管状，连续不断地输送焊接位置，先有第一TIG电弧焊接，使得焊缝完全熔透并保证背面具有良好的成形，在第一TIG电弧形成的熔池尾部引燃第二TIG电弧对液态熔池进行继续加热，使其继续保持液态，从而可以有足够的时间回流、铺张、填充熔池形成的凹陷，得到平整连续的焊缝，焊接完成的钢管待焊缝冷却一段时间后进行整圆处理，然后按规定尺寸截取成品管。一支6米长的钢管，其生产节拍可以达到1分15秒/支。

Claims (8)

1.一种薄壁钢管高速焊接生产工艺，其特征是，将不锈钢带经过整形卷成钢管形连续输送至焊接位置，焊接位置处设置前后两个TIG焊接电源，先经第一TIG电弧焊接使焊缝完全焊透并保证钢管内表面的焊缝成形，随后经第二TIG电弧对第一TIG电弧形成的熔池后部进行加热，保证钢管外表面焊缝平整连续。

2.根据权利要求1所述的薄壁钢管高速焊接生产工艺，其特征是，所述的焊接速度为1.0-8.0m/min，钢管壁厚范围0.5-6mm。

3.根据权利要求1所述的薄壁钢管高速焊接生产工艺，其特征是，所述的第一TIG电弧由第一TIG焊枪产生，第二TIG电弧由第二TIG焊枪产生，所述的第二TIG焊枪与第一TIG焊枪之间距离为0-60mm。

4.根据权利要求3所述的薄壁钢管高速焊接生产工艺，其特征是，所述的第一TIG焊枪在钢管对接坡口平面内与钢管的水平对接焊缝成40-90°夹角的姿态，第一TIG电弧的焊接电流在30-400A、电弧电压在10-40V之间，钨极尖端到对接边上表面的距离为0.1-5mm。

5.根据权利要求3所述的薄壁钢管高速焊接生产工艺，其特征是，所述的第二TIG焊枪在钢管对接坡口平面内与钢管的水平对接焊缝成60-90°夹角，第二TIG电弧的焊接电流为30-350A、电弧电压为10-40V，钨极尖端到对接边上表面的距离为0.1-5mm。

6.根据权利要求1所述的薄壁钢管高速焊接生产工艺，其特征是，所述的钢管为圆形管或方形管或椭圆形管。

7.一种薄壁钢管高速焊接生产装置，包括钢管输送装置、平焊焊接装置，其特征是，所述的平焊焊接装置包括在焊接位置设置的前后两个独立的TIG焊接电源，两个TIG焊接电源分别产生第一TIG电弧和第二TIG电弧。

8.根据权利要求7所述的薄壁钢管高速焊接生产装置，其特征是，第二TIG焊枪与第一TIG焊枪在同一个平面内，两焊枪之间距离为0-60mm，成0-90°夹角。

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