預精焊機組多絲內焊起弧穩定性問題的研究

王晶晶，黃法春，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

預精焊機組多絲內焊起弧穩定性問題的研究

王晶晶，黃法春，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司，山東淄博255082）

簡述了螺旋縫焊管預精焊機組的內焊結構；介紹了數字化焊接系統的內焊一鍵式起弧過程及原理；分析了埋弧焊電弧自我調節過程及影響內焊起弧穩定性的因素，總結出提高起弧穩定性的措施。實踐證明：通過優化數字電焊機參數，調整最大送絲速度，結合實踐操作經驗，使內焊起弧穩定性得到大幅度提升，提高了螺旋縫焊管的質量。

螺旋縫焊管；預精焊機組；內焊；多絲焊；數字化焊接系統；起弧穩定性；數字化電焊機

隨著我國油氣產業的迅猛發展，對高鋼級、大壁厚螺旋縫焊管的生產效率和質量的要求也越來越高，為此國內幾家大型鋼管制造企業引進了目前世界上最先進的預精焊生產技術［1-2］。山東勝利鋼管有限公司（簡稱勝利鋼管）全套引進了德國PWS公司先進的預精焊工藝，有效解決了成型和焊接之間相互干擾的問題，實現了螺旋成型和焊接的分開進行［3］。但同時也遇到了新的挑戰：精焊內焊焊臂的設計長度超過16 m，焊接中遇到較小的外力就會造成焊臂大幅擺動；與傳統一步法工藝不同的一鍵式起弧方式，對起弧過程提出了更高的要求，一旦起弧不穩，就會造成焊絲前端與焊縫黏連，不僅影響焊接質量，還會降低勞動生產率，造成不必要的材料損耗。本文針對螺旋縫焊管精焊批量生產過程中出現的內焊起弧穩定性問題進行分析研究，通過優化數字電焊機起弧參數和相應的機械參數，總結出提高預精焊機組多絲內焊起弧穩定性的方法。

1 內焊結構

螺旋縫焊管預精焊機組內焊焊頭結構主要由送絲輪、焊劑輸送管、送絲軟管、送絲電機、檢測傳感器、焊劑儲料斗等組成。內焊有3把焊槍，分別是內焊直流（IWDC）焊槍，內焊交流1絲（IWAC1）焊槍和內焊交流2絲（IWAC2）焊槍，如圖1所示。

圖1 螺旋縫焊管預精焊機組內焊焊槍位置示意

2 內焊起弧過程

焊接電弧的引燃方式一般有接觸引弧和非接觸引弧。接觸引弧過程分為接觸、拉開和燃弧共3個階段。由于電極和工件表面都不是絕對平整，短路接觸時只有少數凸出點接觸，短路電流瞬間值很大，從而產生大量的電阻熱，使金屬電極表面發熱、熔化，引起強烈的熱發射和熱電離；進入空載階段，由于兩電極之間的間隙很小，空載電壓使兩電極之間的電場強度達到很大值，使陰極表面產生很強的電場發射，并伴隨著帶電粒子的加速運動、互相碰撞、氣體電離，由于上述過程的劇烈運行，形成具有強烈熱和光的焊接電弧現象，即電弧被引燃。非接觸引弧一般需要專門的引弧器才能實現［4］。

螺旋縫焊管埋弧焊采用的是短路接觸引弧。當精焊內焊采用多絲焊時，第2絲或第3絲會比第1絲延遲幾秒時間起弧，以此提高起弧成功率，這一階段叫做起弧延遲，相應的參數在焊接計劃中進行設定；開始送焊絲直到接觸鋼管這一階段為接觸段；然后是焊絲拉開和電弧引燃的過程。針對精焊數字焊接系統，可以將內焊起弧分為起弧延遲、接觸、拉開、燃弧共4個階段。

3 內焊起弧參數優化

3.1 起弧過程中遇到的問題

在目前的一步法工藝中，前后絲起弧過程是分開控制的，即首先按下前絲控制柜啟動按鈕，待前絲起弧穩定后，再按下后絲控制柜啟動按鈕。相對于一步法，勝利鋼管的預精焊機組采用的是一鍵式起弧模式，同時控制前后絲起弧過程，這對起弧過程的控制提出了更高的要求。

該預精焊機組采用的是外焊雙絲內焊三絲設計。內焊起弧時遇到的問題有：①前后絲均不能正常起弧；②前絲正常起弧，但后絲AC1、AC2相互影響較大，均不能正常起弧。

3.2 數字電焊機參數優化

分析認為：影響前后絲起弧穩定性的參數主要是起弧送絲速度和起弧電壓。通過調整送絲速度和起弧電壓，可以明顯改善前絲起弧穩定性。針對后絲起弧不穩現象，首先調節送絲速度和起弧電壓；然后針對預精焊一鍵式起弧特點，在起弧延遲階段設置起弧延遲時間，一般設置1～2 s形成起弧間隔，調整好雙絲間距，能夠提高后絲起弧成功率。

數字電焊機接觸段參數設置：

起弧送絲速度1.00 m/min

起弧電壓25.0 V

電源自身調節靈敏特性0.1 V/100 A

焊時送絲速度1.50 m/min

起弧電流1 000 A

起源電壓調節斜率15

起弧空載電流900 A

內焊三絲焊中的兩個后絲都是采用交流電源，AC1、AC2之間的輸出相位影響較大，通過調整其輸出相位，使相位角相差90°，設置AC1為主、AC2為輔，消除交流之間的相位干擾，調整送絲速度和起弧電壓，起弧延遲時間設置為1 s，最終成功實現了螺旋縫埋弧內焊三絲焊［5］。

3.3 電弧調節過程

埋弧焊一般選用變速送絲控制系統。變速送絲控制往往是利用電弧電壓作為反饋量來調節送絲速度，當弧長增大時，電弧電壓升高，相應的電壓反饋量增大，迫使送絲速度加快，使弧長得以恢復；當弧長減小時，電弧電壓降低，相應的電壓反饋量減小，迫使送絲速度減慢，使弧長得以恢復［6-7］。內焊電弧和電源特性曲線如圖2所示，設定初始弧長是L1，其穩定工作點為A0，若干擾使弧長變長為L2，穩定工作點也由A0變為A1；與A0點相比，A1點電流變小，電壓升高，此時送絲系統會增大送絲速度，使弧長得以恢復，回到穩定工作點A0。

送絲速度參數設置見表1。當起弧時弧長波動范圍較大，送絲系統需要以較快的送絲速度才能使弧長穩定，而如果需要的送絲速度超過最大設定值，將無法通過自身調節來穩定電弧，也無法正常起弧；因此，最大送絲速度的合理設置也是提高起弧穩定性的重要參數。

圖2 內焊電弧和電源特性曲線示意

表1 送絲速度參數設置

3.4 實際操作過程中的優化

預精焊技術又稱作兩步法工藝［8］，在預焊處將管筒切割成規定長度的管坯，再輸送到精焊處進行焊接。精焊每焊完1根鋼管都要剪一次焊絲，將焊絲前端燃燒不充分或殘留的較大的過渡熔滴剪掉。由實踐經驗可知，將剪子傾斜一定的角度，將焊絲前端剪出尖狀，以減小引弧時的接觸面積，增加接觸點電阻和電流密度，從而產生更大的熱量，有助于焊絲快速融化，有利于引弧；剪完焊絲后，內焊焊臂會發生顫動，此時要先將焊臂扶穩，待其穩定后再進行焊接操作，能夠提高起弧的穩定性。

4 結語

針對螺旋縫焊管預精焊機組內焊特有的較長焊臂結構，提高內焊起弧穩定性的措施有：①優化數字電焊機起弧接觸段參數，尤其是送絲速度與起弧電壓的匹配；②選擇合適的起弧延遲時間，合適的相位輸出角；③設定合適的最大送絲速度；④優化實際操作，剪焊絲時將前端剪出尖狀，以減小引弧時的接觸面積，保證起弧時內焊焊臂的穩定。

［1］王鳳成，崔曉峰，王國勝，等.螺旋縫焊管預焊缺陷對精焊質量的影響與控制［J］.鋼管，2012，41（2）：49-52.

［2］Choy Tuchyin，王奕超，鄭利民.PWS公司螺旋埋弧焊管預精焊生產中的現代化技術［J］.焊管，2011，34（2）：17-20.

［3］程紹忠，陳其衛，陳英蓮.螺旋埋弧焊管兩步法生產工藝技術的應用探討［J］.鋼管，2007，36（5）：36-40.

［4］胡繩蓀.現代弧焊電源及其控制［M］.北京：機械工業出版社，2006：9-10.

［5］付超，代志健，雷小兵.螺旋縫埋弧焊管預精焊工藝內焊三絲的應用［J］.鋼管，2013，42（5）：20-25.

［6］姜煥中.電弧焊及電渣焊［M］.北京：機械工業出版社，1988：114-116.

［7］黃石生.電子控制的弧焊電源［M］.機械工業出版社，1991：192-193.

［8］毛周團，尹志遠，王少華，等.螺旋埋弧焊管預精焊生產工藝［J］.焊管，2010，33（3）：52-55.（收稿日期：2013-11-07；修定日期：2014-08-25）

Research on Problem Concerning Instability of Arcing during Multiwire Internally-welding Process of Two-step Pipe Welding Mill

WANG Jingjing，HUANG Fachun，LUO Tianbao
（Shandong Shengli Steel Pipe Corporation Ltd.，Zibo 255082，China）

Briefly described here in the essay is the structure of the internally-welding unit of the SAWH pipe two-step（pre-welding and finish welding）operation line.And elaborated are the one-key type arcing process and principle of the internally-welding function of the digital welding system.Also analyzed are the SAW arc selfadjustment process，and elements that may affect arcing stability of internally-welding operation，based on which，measures aiming at improving the arcing stability are determined，and taken.Relevant practice shows that the arcing stability of the internally-welding process is obviously improved，and so is quality of the SAWH pipe due to implementing such measures as optimizing parameters of the digital welder，setting the maximum wire-feeding speed，and taking the actual operation experience into consideration，etc.

SAWH pipe；two-step welding operation line；internally-welding；multi-wire welding；digital welding system；arcing stability；digital welder

TG441.4

B

1001-2311（2014）06-0058-03

王晶晶（1985-），男，碩士，主要從事螺旋縫焊管設備與焊接材料研究工作。