大功率高頻接觸焊雙焊腳結(jié)構(gòu)的改進與應用

張新民，王海峰，儲程國

(中海石油金洲管道有限公司，浙江 湖州313000)

大功率高頻接觸焊雙焊腳結(jié)構(gòu)的改進與應用

張新民，王海峰，儲程國

(中海石油金洲管道有限公司，浙江 湖州313000)

為了解決大壁厚、中大直徑HFW鋼管在生產(chǎn)過程中焊腳電極搭接處出現(xiàn)的“打火”及電極燒損現(xiàn)象，分析了傳統(tǒng)接觸焊焊腳結(jié)構(gòu)存在的問題以及影響，發(fā)現(xiàn)材料選擇不當、尺寸過小、安裝不當、冷卻不良、異常刮擦和自然磨損等是降低電極使用壽命的重要因素。通過對主要原因進行分析，介紹了一種雙焊腳的設計方案，并對其原理、使用方法進行了論述。通過在實際生產(chǎn)中進行應用，發(fā)現(xiàn)該雙焊腳設計能夠有效解決此類問題。

焊管；高頻焊管；接觸焊；焊腳；雙焊腳

中大直徑HFW鋼管常用的焊接方式有感應焊和接觸焊兩種。接觸焊因其顯著的節(jié)能優(yōu)勢，更加受到生產(chǎn)廠家的推崇。傳統(tǒng)接觸焊均采用雙側(cè)單個焊腳導電的形式，結(jié)構(gòu)精巧而復雜。在中大直徑、大壁厚HFW鋼管的生產(chǎn)過程中，由于焊腳電極傳輸?shù)暮附与娏鞣浅４螅改_電極搭接處容易出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象，電極容易快速燒損，并造成鋼管焊縫兩側(cè)與電極接觸位置產(chǎn)生“燒坑”。這一問題影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，制約了接觸焊的廣泛應用，多數(shù)廠家還是以能耗較高的感應焊方式生產(chǎn)HFW焊管。

1 傳統(tǒng)接觸焊焊腳結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)接觸焊焊腳工作特點

焊腳及電極的主要功能是傳輸焊接過程需要的強大電流，因此對焊腳及電極的要求較高。焊腳及電極材料通常采用具有良好導電性、耐磨性和經(jīng)濟性的銅合金材料；焊腳的機械結(jié)構(gòu)須轉(zhuǎn)動靈活，方便操作時上下調(diào)節(jié)；焊腳與管體必須保證足夠的接觸面積和適當?shù)慕佑|壓力；焊腳必須進行充分冷卻，以帶走電流通過時產(chǎn)生的熱量；兩個焊腳之間還應當保持良好的絕緣。

1.2 傳統(tǒng)接觸焊焊腳存在的問題

常用接觸焊采用雙側(cè)單個焊腳的結(jié)構(gòu)，通過焊接V形角形成閉環(huán)回路，如圖1所示。生產(chǎn)中焊腳及電極出現(xiàn)損壞并產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因較多，如材料選擇不當、尺寸過小、安裝不當、冷卻不良、異常刮擦和自然磨損等。正常磨損情況下，電極的使用壽命約為500～1 000 min，但在異常情況下，焊腳電極使用壽命只有幾十分鐘或更少。經(jīng)過對生產(chǎn)過程的研究與分析，發(fā)現(xiàn)由于成型邊沿波浪形變化的不穩(wěn)定性，引起接觸面壓力變化，從而導致接觸不良而產(chǎn)生電極電弧放電打火，使焊腳電極局部溫升過快而迅速熔化，是焊腳電極異常損壞的最主要原因。

圖1 雙側(cè)單焊腳結(jié)構(gòu)示意圖

焊腳電極異常損壞時產(chǎn)生的不良影響主要集中在以下幾個方面：①焊腳電極異常熔化燒壞，導致生產(chǎn)中斷，生產(chǎn)材料損耗，成本顯著增加，生產(chǎn)效率降低；②接觸面處“打火”使焊接電流不穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性；③管體與其接觸表面造成“燒坑”，影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量；④熔化的焊腳電極銅元素進入焊縫，影響焊縫的物理性能。這些問題制約了接觸焊的廣泛應用，致使不少廠家不得不選擇能耗較高的感應焊接方式。

2 焊腳結(jié)構(gòu)改進的設計思路

通過研究分析，中海石油金洲管道有限公司(以下簡稱“金洲管道”)設計了一種雙焊腳的結(jié)構(gòu)形式。在傳統(tǒng)雙側(cè)單焊腳的基礎上，改進為雙側(cè)雙獨立焊腳的結(jié)構(gòu)，也就是在焊縫的同一側(cè)前后布置兩個焊腳，并聯(lián)在焊機的同一個輸出端，共同分擔輸出電流。兩個焊腳可以單獨轉(zhuǎn)動，如果焊縫處板邊出現(xiàn)鼓包或波浪形時，可以使任意一個焊腳電極保證與板邊貼合，確保電流正常傳導，雙側(cè)雙焊腳結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙側(cè)雙焊腳結(jié)構(gòu)示意圖

電弧放電的原理是當電源提供較大功率的電能時，若電極間電壓不高，回路中有較小間隙時，間隙的氣體或金屬蒸氣中可持續(xù)通過較強的電流，并發(fā)出強烈的光輝，產(chǎn)生幾千至上萬攝氏度高溫，表現(xiàn)為“打火”現(xiàn)象。

由于生產(chǎn)工藝的需要，傳輸?shù)暮附庸β屎碗娏鳠o法隨意減小，而通過增加焊腳電極導電面積，可以同比例地減小單位面積傳送的電流。采用雙側(cè)雙焊腳的方式，正常情況下可以使單個焊腳電極承受的電流減小一半。另外，采用雙焊腳結(jié)構(gòu)形式，當一個焊腳電極接觸不良時，電流通過另一焊腳電極傳送，可保證電流傳輸回路暢通，使焊接電流穩(wěn)定，可以有效避免電弧放電現(xiàn)象。

3 雙焊腳結(jié)構(gòu)設計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，雙焊腳結(jié)構(gòu)整體包括左右對稱的兩個單元，分別壓在焊縫的兩側(cè)，其中每個單元從上至下依次是與高頻連接的上連接塊、上下連接耳座、中間銷軸、前后焊腳、電極以及拉簧等。連接塊起承上啟下作用，其上部與高頻焊機的輸出端固定，下面與焊腳連接耳座連接；耳座下面固定的是焊腳；耳座中間是圓形銷軸，在傳輸電流時可以使焊腳靈活轉(zhuǎn)動，在拉簧的拉緊力作用下，即使板邊出現(xiàn)波浪形變化，焊腳上的電極都可以緊貼在板邊表面，使焊接順利進行，雙焊腳結(jié)構(gòu)的詳細設計和連接形式如圖3所示。

圖3 雙焊腳結(jié)構(gòu)設計圖

3.2 導電回路

焊腳及電極最主要的作用是傳輸焊機的輸出電流，良好的導電性能是設計的關(guān)鍵。因此，所有的材料均采用導電性能優(yōu)良的銅合金，各部件的連接面通過精加工保證接觸良好。焊腳整體通過焊接連接塊與高頻輸出端用不銹鋼螺栓緊固，電流通過連接塊傳輸?shù)胶改_耳座，經(jīng)過中間的銷軸傳輸分別到焊腳耳座，焊腳耳座上分別固定有前后焊腳，電流繼續(xù)向下傳輸至焊腳上的4個獨立的電極塊，此時電極塊與板邊通過4個獨立的拉簧壓緊接觸，使得電流可以傳輸?shù)桨暹叀?/p>

3.3 隨動功能

合適的接觸壓力是焊腳正常工作的重要條件。隨動功能的主要目的是給焊腳一個向下的預緊壓力，使得板邊出現(xiàn)波浪或褶皺時能上下浮動，保證焊腳電極始終緊貼板邊以確保電流傳輸。該功能由安裝在后側(cè)的拉簧來實現(xiàn)，拉簧材質(zhì)為普通彈簧鋼，拉簧上部的固定塊和下部與焊腳固定部分采用絕緣材料制成。

3.4 冷卻回路

在電流通過焊腳時會不可避免地產(chǎn)生大量的熱能，使焊腳整體發(fā)熱而損壞，為防止這一問題出現(xiàn)，金洲管道在焊腳各部件的內(nèi)部加工了導通管路，見圖3(a)中各部件的虛線部分。工作時將冷卻液從端口接入即可進行內(nèi)部循環(huán)流動，同時在外面直接噴灑冷卻液，從而可以從里到外全方位對焊腳進行冷卻。

3.5 使用方法

雙焊腳的各部件組裝成一個整體安裝于高頻設備的輸出端，兩側(cè)焊腳及電極之間用絕緣板隔開，如圖4所示。工作時焊腳整體在高頻輸出端氣缸推動下快速落下至鋼管表面，繼續(xù)下壓后使焊腳的電極平面與板邊水平貼緊，此時拉簧受力，給前端電極產(chǎn)生預壓力，同時當板邊有起伏時焊腳可隨動起伏，使電極始終緊貼板邊，保證焊接正常進行；工作結(jié)束時焊腳則隨焊機輸出端一起抬起，與板邊脫離接觸。當焊腳電極達到正常磨損極限后可松開焊腳固定螺栓進行電極塊的更換。

圖4 雙側(cè)雙焊腳使用現(xiàn)場

4 雙焊腳結(jié)構(gòu)應用效果

雙焊腳結(jié)構(gòu)是在原單焊腳的基礎上每側(cè)各增加了一個焊腳，保證板邊出現(xiàn)波動時始終有一個焊腳與其接觸，保證焊接電流能正常通過；同時，增加的焊腳可以在焊接過程中將焊接電流分成兩路傳遞到鋼管，使單位面積上通過焊腳的電流減少，避免了因接觸不良造成的電弧放電“打火”現(xiàn)象，提高了焊縫整體質(zhì)量，如圖5所示。另外，兩個焊腳同時使用，通過每個焊腳的電流減少，使電極損壞較少，使用壽命得到成倍提高，如圖6所示。

圖5 焊縫兩側(cè)無“打火”、“燒坑”現(xiàn)象

圖6 雙焊腳電極工作狀況

5 結(jié) 語

對高頻直縫焊管的生產(chǎn)來說，一方面要保證鋼管的焊縫質(zhì)量，另一方面是要降低鋼管的生產(chǎn)成本。接觸焊相比感應焊，電能消耗可有效降低，對節(jié)能降耗具有重要的意義。通過實踐證明，雙焊腳結(jié)構(gòu)的改進和應用，是一種良好的創(chuàng)新實踐，在中大直徑HFW焊管生產(chǎn)中值得推廣。

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Improvement and Application of High-power High-frequency Contact Welding Double Leg Structure

ZHANG Xinmin,WANG Haifeng,CHU Chengguo
(Cnooc Jinzhou Pipes Co.,Ltd.,Huzhou 313000,Zhejiang,China)

In order to solve the problems occurred in welding leg overlap joint during manufacture procedure of thick-wall and large diameter HFW pipe,such as strike a light and electrode burning loss,it analyzed the existing problems and influence of traditional contact welding leg structure,and found the important factors reducing electrode service life,including improper material selection,undersize,poor cooling,abnormal scratch,natural wear and so on.Through analysis on main reasons,it introduced a kind of double welding leg design scheme,and expounded its working theory and using method.Through practical application,it found this double welding leg design can effectively solve such problems.

welded pipe;high frequency welded pipe;contact welding;welding leg;double leg welding

TG431

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.007

張新民(1967—)，男，高級工程師，中海石油金洲管道有限公司總經(jīng)理助理，目前主要從事HFW焊管生產(chǎn)設備與生產(chǎn)管理工作。

2016-03-16

張 歌