袁亮文，陳克選，魏萬(wàn)奎，王 江

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌737100）

鎳直縫焊管自動(dòng)焊接設(shè)備研制

袁亮文1，陳克選1，魏萬(wàn)奎1，王 江2

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌737100）

鎳具有良好的高溫耐蝕性、高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度的特點(diǎn)。但鎳管在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)熱裂紋、表面成形差、氣孔等缺陷。依據(jù)鎳直縫焊管焊縫的主要特點(diǎn)與焊接工藝流程，設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心，并配備參數(shù)預(yù)置人機(jī)界面等單元組成的等離子-TIG復(fù)合焊接設(shè)備。經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、操控簡(jiǎn)便、焊縫成形好、強(qiáng)度達(dá)到要求，應(yīng)用在鎳直縫焊管焊接成型生產(chǎn)線上。

PLC控制；人機(jī)界面；等離子-TIG復(fù)合；工藝參數(shù)

0 前言

隨著材料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備的不斷提升以及鎳的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，鎳管新的應(yīng)用不斷被開發(fā)。鎳管在制堿行業(yè)、海水淡化、氯堿化工及有機(jī)氯化物的生產(chǎn)、海上石油開采和海濱電站等行業(yè)被廣泛使用，具有很大的市場(chǎng)潛力[1]。鎳具有良好的高溫耐蝕性、高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度等特點(diǎn)。鎳可與許多金屬組成合金，如銅、鐵、鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等元素[2-3]。同時(shí)鎳有很好的抗腐蝕性，堿類不能與鎳作用，硫酸、鹽酸、有機(jī)酸對(duì)鎳的作用甚微。但是，成套生產(chǎn)鎳直縫焊管的自動(dòng)焊接設(shè)備幾乎沒(méi)有。因此，鎳直縫焊管自動(dòng)焊接設(shè)備的研制成為當(dāng)今重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

由于直縫焊管的材料選擇范圍廣，拉伸變形的加工性能好，使之逐漸替代無(wú)縫管。鎳直縫焊管的生產(chǎn)及工藝部分包括上料→開卷→成型→焊接→定徑→定尺寸切斷→收料→后續(xù)工序檢測(cè)等。焊管成型機(jī)將鎳帶卷成定長(zhǎng)的管坯，然后在鎳直縫焊管機(jī)上對(duì)管坯兩邊配合最緊、錯(cuò)邊最小的地方進(jìn)行直縫焊接。其中，焊管機(jī)由送管輥、導(dǎo)向輥、壓邊輥、壓緊輥等組成。本實(shí)驗(yàn)采用直縫焊管成型機(jī)，保證焊管成型自然，降低了軋制摩擦，提高了成品管表面質(zhì)量[4-5]。

在鎳管直縫焊接中，焊接是保證焊管質(zhì)量最重要的一部分。本研究采用的鎳板厚為5 mm，成型管直徑為112 mm，要求實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊縫均勻、美觀。本研究主要對(duì)鎳直縫管的焊接方法選擇、復(fù)合焊接設(shè)備組成、焊接過(guò)程控制與驗(yàn)證性工藝試驗(yàn)進(jìn)行了前期的科學(xué)論證。有研究表明，鎳板拼焊一般采用等離子弧焊[6-7]，在焊接過(guò)程中由于易出現(xiàn)氣孔、咬邊、裂紋等缺陷以及焊縫強(qiáng)度低、焊縫表面不美觀，都是普遍采用適量填充金屬焊接，增加了設(shè)備的復(fù)雜性，此方法不適合鎳直縫焊管的焊接。在保證焊管質(zhì)量、焊接效率的前提下，在此開展了等離子-TIG復(fù)合焊接設(shè)備研發(fā)與工藝研究。

1 鎳直縫焊管的焊接方法選擇

鎳的密度比低碳鋼和不銹鋼的都大，但屈服強(qiáng)度比較低，熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于低碳鋼和不銹鋼。因此，鎳和低碳鋼及不銹鋼相比，材質(zhì)比較軟，液態(tài)下黏度比較大，流動(dòng)性差，凝固速度快，熔池容易形成氣孔。同時(shí)，鎳具有單相組織，在焊接時(shí)比較容易出現(xiàn)焊接熱裂紋、未熔合、變形量過(guò)大、咬邊等缺陷[8-9]。

目前，焊接鎳及鎳合金管的主要方法有鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、自動(dòng)埋弧焊、等離子弧焊等方法。鎢極氬弧焊主要用于焊接3 mm厚以下薄板，其氬氣具有極好的保護(hù)作用，能有效地隔絕周圍空氣，大大減低鎳被氧化的可能性；鎢極電弧非常穩(wěn)定，即使在很小電流情況下（<10 A）仍可穩(wěn)定燃燒，其自由電弧有良好的覆蓋能力；由于填充焊絲不通過(guò)電流，故不產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。熔化極氬弧焊適合焊接中等厚度的板材，但是由于焊絲的填充，焊縫的余高較高，應(yīng)力較集中，飛濺較TIG焊大。自動(dòng)埋弧焊由于熱輸入量高易產(chǎn)生過(guò)熱和粗晶，使得焊縫及熱影響區(qū)脆性增強(qiáng)，強(qiáng)度降低。等離子弧焊是應(yīng)用廣泛的高能束流焊接方法，與鎢極氬弧焊相比，等離子弧焊的電弧能量更集中，等離子電弧的射流速度可以達(dá)到3×102～2×103m/s，等離子電弧由于受到壓縮，能量密度可達(dá)103～105W/cm2，而自由狀態(tài)下TIG電弧能量密度為50～100 W/mm2，弧柱中心溫度為2.4×104K以上，而TIG電弧弧柱中心溫度為5.0×103～8.0×103K。等離子弧焊與其他焊接方法相比，電弧較集中，焊縫熱影響區(qū)窄；不開坡口，大大減少焊絲用量和焊前坡口制備，可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形；焊接過(guò)程電弧挺度好，電弧容易控制；在焊接薄板時(shí)，殘余應(yīng)力和焊接變形小。

因此，在鎳直縫管的焊接中采用等離子-TIG復(fù)合焊。充分發(fā)揮等離子弧焊的穿孔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形；TIG焊自由電弧良好的覆蓋能力，達(dá)到成形美觀、焊接效率高的目的。

2 等離子-TIG復(fù)合焊設(shè)備系統(tǒng)組成

如圖1所示，該套設(shè)備的等離子主弧電源采用逆變式直流電源，為恒流外特性；維弧采用逆變電源供電，其內(nèi)部有引弧器，兩者參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；由于兩者互不干擾，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性；另加一臺(tái)逆變式直流焊接電源，此焊接電源專門為TIG弧提供能量；PLC控制整個(gè)焊接過(guò)程的工作時(shí)序，完成自動(dòng)焊接；行走控制系統(tǒng)主要用于電機(jī)控制，行走小車?yán)秒妱?dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動(dòng)小車，小車直線行走帶動(dòng)工件移動(dòng)；氣路提供可調(diào)節(jié)的離子氣、保護(hù)氣和背部保護(hù)氣；水路主要為焊槍提供冷卻水，需要配備可靠的冷卻水箱，以防止無(wú)水或水流量不足時(shí)燒壞焊槍。為了防止意外發(fā)生，利用硬件和軟件雙重保護(hù)，在編寫PLC控制程序時(shí)采用互鎖原理，即只有在循環(huán)水開啟時(shí)，整套控制系統(tǒng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，等離子-TIG復(fù)合焊PLC控制時(shí)序如圖2所示。

在焊接過(guò)程中，等離子弧采用直流正接，利用等離子弧的小孔可以保證鎳合金板的熔透，同時(shí)減少鎢電極的燒損，進(jìn)而提升等離子弧的穩(wěn)定性。TIG電弧也采用直流正接，有利于電弧的穩(wěn)定與減少鎢電極的燒損。

由于在等離子-TIG復(fù)合弧焊過(guò)程中參數(shù)調(diào)節(jié)較多，尤其對(duì)焊接過(guò)程時(shí)序的控制比較復(fù)雜，選用歐姆龍CP1H型PLC作為控制核心。等離子-TIG復(fù)合弧焊系統(tǒng)的PLC控制功能模塊如圖3所示。

焊接時(shí)有預(yù)置和自動(dòng)兩個(gè)檔位可供選擇，焊前準(zhǔn)備時(shí)按下預(yù)置按鈕可以調(diào)節(jié)離子氣、保護(hù)氣、背部保護(hù)氣流量大小，小車的行走速度、焊接電流、電壓等焊接參數(shù)。在調(diào)節(jié)完參數(shù)后，恢復(fù)到自動(dòng)檔位，此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕進(jìn)行自動(dòng)焊接；在焊接過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，在焊接即將結(jié)束時(shí)按下停止按鈕即可停止焊接。本控制系統(tǒng)設(shè)置了急停處理按鈕，若出現(xiàn)緊急情況可按下急停按鈕，則可立即中斷程序及電源停止焊接。PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。

由于CP1H型PLC的輸入端口有24個(gè)，輸出端口有16個(gè)。因此在對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行I/O口的分配時(shí)以盡量少占用端口為原則。外部設(shè)備的I/O口地址分配如表1所示。

圖1 等離子-TIG復(fù)合設(shè)備原理Fig.1 Schematics of the plasma-TIG welding equipment

圖2 等離子-TIG復(fù)合焊接控制時(shí)序Fig.2 Control timing diagram of the plasma-TIG welding

圖3 PLC控制功能模塊Fig.3 PLC controller function module diagram

3 焊接過(guò)程程序設(shè)計(jì)

等離子-TIG復(fù)合焊接系統(tǒng)程序包括PLC程序和人機(jī)界面組態(tài)程序設(shè)計(jì)，編程軟件分別采用歐姆龍CX-Programmer與威綸通EasyBuilder8000組態(tài)軟件。以PLC控制單元作為系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算，并向外圍設(shè)備發(fā)出命令。

等離子-TIG復(fù)合焊接所需要調(diào)節(jié)的參數(shù)與時(shí)序控制都比較復(fù)雜。本系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線將設(shè)定的參數(shù)值發(fā)送至焊接過(guò)程控制系統(tǒng)（PLC控制器），采用可視化的人機(jī)交互系統(tǒng)，焊接參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，焊接過(guò)程顯示直觀，操作更為靈活，等離子-TIG復(fù)合焊人機(jī)界面如圖5所示。觸摸屏組態(tài)程序設(shè)計(jì)有開機(jī)主畫面、焊接參數(shù)設(shè)定與顯示、故障報(bào)警顯示等，在滿足等離子-TIG復(fù)合自動(dòng)焊接過(guò)程的同時(shí)，用戶可以調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。本系統(tǒng)焊接過(guò)程有自動(dòng)焊接與手動(dòng)焊接，調(diào)至自動(dòng)焊接時(shí)，整個(gè)焊接過(guò)程根據(jù)PLC設(shè)定的程序依次進(jìn)行。

圖4 PLC控制系統(tǒng)Fig.4 PLC control system

表1 I/O地址分配Tab.1 The I/O address allocation

圖5 等離子-TIG復(fù)合焊人機(jī)界面Fig.5 Interface of the plasma-TIG welding

4 等離子-TIG復(fù)合焊驗(yàn)證性工藝試驗(yàn)

采用等離子-TIG復(fù)合焊焊接工藝進(jìn)行試驗(yàn)，可以更加有效地提高焊接質(zhì)量和效率。等離子弧焊具有穿孔效應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形；TIG焊的自由電弧有良好的覆蓋能力，達(dá)到正面成形美觀的效果，焊接效率大大提高。對(duì)于壁厚8 mm以下不銹鋼板、壁厚10 mm以下鈦、鎳合金板不開坡口可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，在焊接鎳直縫管過(guò)程中更具優(yōu)越性。

4.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料采用工業(yè)純鎳N6板材，所含主要成分見表2。尺寸分別為200 mm×120 mm×5 mm的N6純鎳板兩塊，焊前對(duì)試板待焊區(qū)進(jìn)行機(jī)械打磨去除表面氧化層，再用酒精或丙酮溶液擦拭，去除表面的油污，雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為等離子焊機(jī)和TIG焊機(jī)，采用等離子-TIG復(fù)合焊接。

表2 純鎳N6化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of pure nickel N6 %

采用等離子-TIG雙槍復(fù)合焊接，等離子焊槍與TIG焊槍在同一條焊縫上行走。等離子焊槍在前，保證板材的熔透；TIG槍在后，主要作用是使得焊縫金屬再次重熔，減少氣孔、雜質(zhì)等缺陷，提高焊縫成形效果。最終達(dá)到單面焊雙面成形、焊縫正面成形美觀的效果。等離子-TIG雙槍設(shè)備如圖6所示。

圖6 等離子-TIG雙槍設(shè)備Fig.6 Double torch of the plasma-TIG welding

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析后，最終得到了焊接純鎳N6的最佳工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 parameters of welding process

等離子-TIG復(fù)合焊焊縫外觀如圖7所示；由圖7可知，等離子-TIG復(fù)合焊實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形。等離子弧具有穿孔效應(yīng)，保證熔透；TIG焊的自由電弧有良好的覆蓋能力，使得正面焊縫表面金屬的重熔，保證焊縫正面的美觀，其焊縫強(qiáng)度達(dá)到要求；最終，通過(guò)等離子-TIG復(fù)合焊接工藝實(shí)現(xiàn)鎳直縫焊管的焊接。

圖7 焊縫外觀Fig.7 Weld appearance

通過(guò)工藝試驗(yàn)結(jié)果分析，主要焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響如下。

（1）PAW焊接電流。

PAW焊接電流主要決定了焊接過(guò)程中的熱輸入量，由于鎳及鎳合金導(dǎo)熱系數(shù)大，固液相溫度間距小，因此，熱輸入量過(guò)大會(huì)造成收縮變形、焊接應(yīng)力過(guò)大。PAW焊接電流對(duì)等離子的熔透能力有很大影響，電流過(guò)大，熔池質(zhì)量增加，熔池金屬塌陷；電流過(guò)小不能熔透板材。所以，焊接電流的選擇一定要恰當(dāng)，對(duì)焊縫成形至關(guān)重要。

（2）等離子槍與TIG槍之間的距離L。

距離L主要決定焊接過(guò)程中熱作用對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。隨著焊槍距離L增大，焊縫表面質(zhì)量變差、氣孔增多；分析其原因?yàn)榫嚯x增加后影響了焊縫金屬的重熔效果，沒(méi)有將其殘留在焊縫內(nèi)的氣泡、雜質(zhì)等溢出。一般說(shuō)來(lái)，焊槍之間的距離越小越好。在實(shí)際焊接過(guò)程中選擇距離約100 mm，有利于氣孔的溢出以及焊縫成形美觀。

（3）保護(hù)氣與離子氣。

保護(hù)氣對(duì)焊縫起到保護(hù)的作用，防止焊接過(guò)程空氣中的活性氣體進(jìn)入焊縫，形成氧化物，降低焊縫的強(qiáng)度。離子氣的大小對(duì)等離子弧的穿透能力影響很大，隨著等離子氣流量的增大，氣流速度變快，等離子流力增大。通過(guò)增加等離子氣流量可以很好地克服焊縫凹陷。

（4）焊接速度。

焊接速度是影響焊接線能量的參數(shù)，在一定程度上是和焊接電流呈互補(bǔ)的關(guān)系。焊接速度過(guò)快，線能量小，不足以形成“小孔”效應(yīng)或者出現(xiàn)未熔合、咬邊等缺陷。反之，速度太慢，使母材過(guò)熱而導(dǎo)致熔池質(zhì)量增大，小孔直徑增大，則使焊縫產(chǎn)生下陷。所以焊接速度應(yīng)與焊接電流、等離子流量相匹配。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種基于歐姆龍CP1H-PLC為主要控制核心，并結(jié)合MT6070iH3觸摸屏的等離子-TIG復(fù)合自動(dòng)焊接設(shè)備。采用可視化的人機(jī)交互系統(tǒng)，焊接參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，焊接過(guò)程顯示直觀，操作更為靈活、自動(dòng)化程度高。

（2）經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)，該系統(tǒng)控制過(guò)程穩(wěn)定、焊縫成形良好，可以代替手工焊接，提高了焊接效率。

（3）采用的等離子-TIG復(fù)合焊接工藝，可達(dá)到單面焊雙面成形，焊縫成形美觀，焊縫強(qiáng)度滿足要求；在鎳直縫焊管焊接成型生產(chǎn)線上具有較高的使用價(jià)值。

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Development of nickel longitudinal welded pipe automatic equipment

YUAN Liangwen1，CHEN Kexuan1，WEI Wankui1，WANG Jiang2
（1.School of Materials Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2. Jinchuan Group Co.，Ltd.，Jinchang 737100，China）

High temperature corrosion resistance，high temperature strength，good creep strength are characteristics of nickel.But nickel pipe may produce easily heat crack，poor surface forming，stomata defects and etc in the process of welding.According to the main characteristics of nickel and nickel alloy pipe and welding procedure，plasma-TIG composite welding equipment with PLC as the control core is designed and included preset parameter human-machine interface.After process tests，this system shows which has high degree of automation，simple controls，and good weld shape，strength to meet the requirement.It will be applied in nickel longitudinal welded pipe welding production line.

PLC control；human-machineinterface；plasma-TIG；welding parameters

TG409

：A

：1001-2303（2015）10-0017-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.04

2015-04-16；

：2015-06-16

袁亮文（1989—），男，甘肅武威人，碩士，主要從事等離子弧焊設(shè)備及工藝方面的研究工作。