螺旋焊管預精焊機組內焊臂振動的ANSYS分析

付 超，張繼健，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司 工藝技術研究中心，山東 淄博255082）

螺旋焊管預精焊機組內焊臂振動的ANSYS分析

付 超，張繼健，羅天寶

（山東勝利鋼管有限公司 工藝技術研究中心，山東 淄博255082）

為了解決螺旋焊管預精焊機組精焊內焊臂振動導致的內焊縫質量問題，分析了預精焊機組精焊內焊臂在焊接過程中的振動原因，利用ANSYS 15.0 workbench有限元分析軟件，模擬了內焊臂由于電弧不穩定引起的振動問題。結合模擬數據與實際生產情況，設計了一套精焊內焊臂自動穩定機構，同時配合控制預焊縫的飛濺物、氧化物、燒穿、斷弧等缺陷的修磨以及引熄弧板的穩定過渡，減少了焊接過程中的振動問題，提高了精焊內焊縫的焊接質量。

ANSYS；預精焊；懸臂梁；內焊臂

隨著我國油氣管網建設的逐步深入，螺旋焊管預精焊工藝得到了推廣。經過幾年的發展，我國預精焊技術已達到國際領先水平，業內也有大量的關于預精焊技術的設備、工藝、焊縫質量控制等方面的研究[1-5]，使預精焊工藝的自動化程度高、焊縫性能優異、殘余應力小、成型焊接互不干擾等優勢得以充分體現。但是，隨著對該技術的深入研究以及實際生產經驗，該工藝也存在一定的缺點，如預焊縫缺陷對精焊質量的影響、管端質量的影響因素較多等[6]。

山東勝利鋼管有限公司的預精焊機組是引進德國的先進設備，自動化程度高，預焊可實現8～12 m/min的MAG焊接，精焊實現了內外焊5絲埋弧焊接，生產效率高[7]，高質量完成了西氣東輸三線、中亞管線、中緬管線、委內瑞拉管線等多個國內外大型管線管的生產任務。然而在實際生產過程中，預精焊機組也存在一些影響質量的因素，較為明顯的是焊接過程中內焊臂的振動問題。精焊機內焊臂長度達16.5 m，焊接過程中遇到預焊縫打點處、飛濺物堆積處或者焊縫不規則處，由于電弧的弧長急劇變化，電焊機反饋送絲驅動容易引起內焊頭的振動，往往會導致內焊縫不規則，甚至引起焊絲粘拉焊頭、斷弧等缺陷，影響焊縫的一次合格率。

1 內焊臂振動原因分析

精焊內焊結構如圖1所示。內焊臂長16.5 m，一端固定，另一端裝配送絲系統調節、偏心距調節、高度調節以及焊槍等設備，鋼管由底部螺旋驅動輥傳送進入內焊臂，可焊接鋼管最大長度為15 m，內焊三絲縱向排列，焊接高度設定范圍26～30mm。

預焊縫為高速MAG焊縫，不可避免地存在一些飛濺或者弧坑缺陷，管端引熄弧板的過渡都有可能形成類似過渡臺階。精焊焊接電源為數字電源，采用恒流控制，變速送絲埋弧工藝，通過電壓信號的變化，反饋給電焊機內部微處理器，做出指令給送絲驅動，調節送絲速度以穩定電壓。

恒流控制原理如圖2所示，預焊縫在B點處存在較大弧坑，焊絲由A點到B點時，電流不變，電壓突然升高（有時變化可達3～5 V），為使電壓保持穩定，電焊機做出反饋加快送絲速度，瞬間可達到2 m/min，甚至更高，形成電弧擺動，導致內臂振動。若送絲速度過快，電流來不及全部熔化焊絲，可能導致焊絲瞬間沖擊鋼管，形成瞬時熄弧起弧，大臂振動更為嚴重，還有可能形成短路、粘拉焊頭、斷弧等缺陷。

圖1 精焊內焊結構簡圖

圖2 恒流控制原理圖

2 內焊臂振動的有限元模擬

ANSYS 15.0有限元軟件是一個多用途的有限元計算機設計程序，可用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題，因此可應用于航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械制造等工業領域[7]。本研究采用ANSYS 15.0 workbench模擬內焊臂的振動位移和頻率。

2.1 建模與網格劃分

內焊臂的材料為鑄鋼，截面形狀如圖1所示。設定材料時選擇材料基本屬性添加進數據庫，其中主要數據包括彈性模量（2.06 GPa）、泊松比（0.3）、密度（7.8×103kg/m3）等。網格劃分如圖3所示。

圖3 內焊臂網格劃分圖

2.2 約束及載荷

[8]～[10]中對內焊臂的載荷與約束設定如圖4所示。A處標準重力加速度為9.8 m/s2，用于考慮內焊臂的自重；B處固定，由于焊接過程中，內焊臂移動是由PLC程序鎖定的（BHM，beam height motor鎖定），故在大臂固定端設定x、y、z三個方向全約束；C處載荷為583.87 N。

圖4 內焊臂約束及載荷

數字電焊機采集的送絲扭矩如圖5所示。數字電焊機可實時采集內焊3個焊絲的送絲驅動扭矩信息，據此可計算得到焊絲的驅動力。根據實際情況統計了某一管線生產時內焊臂振動較為嚴重時的送絲扭矩，考慮到自由端還受焊接過程中電弧力、熔滴力等其他因素的影響，設定載荷為580 N的力作用在內焊1#焊絲上（根據經驗可知內焊臂的振動主要是因為1#焊絲的電弧波動引起的），用于模擬電弧波動時作用在焊絲上的力。本研究不考慮內焊臂在振動過程中與鋼管的相互作用，施加約束和載荷后，即得到一個自由端受集中力的懸臂梁振動模型。

圖5 數字電焊機采集的送絲扭矩

2.3 結果分析

經過ANSYS計算，可以得到內焊臂的位移、應力與應變云圖（大臂振動位移云圖如圖6所示），以及內焊臂振動的動畫模型、內焊臂的各階振動頻率 （其中一階為2.595 8 Hz）。計算得到的y方向（即焊接高度方向）自由端最大位移為0.004 7 m，而實際設定的焊接高度變化范圍為±5mm，+5mm的波動電弧被拉的過長會引起斷弧，-5mm的波動電弧被壓得過短會形成焊縫不規則，或者焊絲粘拉焊頭。該模擬振動未考慮與鋼管的相互作用，是大臂自由端自由振動的位移。

圖6 大臂振動位移云圖

3 內焊臂自動穩定機構的設計

結合ANSYS 15.0的模擬數據，設計了一套穩定精焊內焊臂的機構，內焊臂下共布置了4臺升降器，每臺升降器主要包括1個距離檢測傳感器、1個電磁閥、1個氣缸和1個萬向球等零件。由傳感器檢測鋼管離開該位置時，電磁閥控制氣路導通，氣缸自動升起，頂部萬向球支撐內焊臂，可有效緩沖內焊臂的振動，減小其振幅與振動時間，提高內焊縫質量。

此外為了減少內焊臂的振動，還應要求預修補崗位嚴格按照工藝卡要求修磨預焊縫的飛濺物、氧化物、燒穿、斷弧等缺陷，以保證精焊焊接時電弧波動平穩。尤其應該注意的是起弧過程中的內焊臂振動，因為內焊兩個交流焊絲延時起弧，對直流焊絲電弧會形成干擾，加之起弧過程由起弧板過渡到鋼管，更易造成內焊臂的不穩定。引熄弧板與鋼管也應處于同一個平面，防止產生過渡臺階，對接焊縫應盡量平緩，也可適當加大引弧板尺寸，使起弧過程穩定之后再過渡到鋼管。

4 結 語

預精焊技術經過國內幾年的發展已經逐漸完備，甚至已經達到國際領先水平，但是隨著研究的深入以及大壁厚高強鋼螺旋焊管對焊接質量要求的提高，預精焊工藝仍存在改進的余地。本研究利用ANSYS 15.0軟件分析了精焊內焊臂在焊接過程中由于電弧波動形成的振動，設計了一套穩定內焊臂的機構，有助于提高預精焊焊縫質量。

參考文獻：

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[3]付超，楊振鐸，羅天寶.螺旋縫埋弧焊管預精焊生產線全自動精焊設備[J].現代焊接，2014（12）：95-98.

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[9]楊帆，宋小軍.懸臂梁的有限元分析[J].科技廣場，2008（5）：131-132.

[10]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

Welding Arm Vibration ANSYS Analysis of SAWH Pipe Tack-finish Welding Unit

FU Chao，ZHANG Jijian，LUO Tianbao
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.，Ltd.，Zibo 255082，Shandong，China）

In order to solve the quality problem of inside weld caused by inside welding arm vibration of SAWH pipe tack-finish welding unit，it analyzed the vibration reason.It simulated the welding vibration caused by electric arc instability utilizing the finite element analysis software ANSYS workbench 15.0，designed a set of automatic stabilization mechanism for finish welding inside welding arm combined with the simulated data and actual production conditions，at the same time cooperated with control tack welding spatter,oxide,burn through，defects grinding such as arc breaking，and the stable transition of up arc tab/down arc tab，which can reduce the vibration problem in welding process，improve the welding quality of finish welding inside weld.

ANSYS；tack-finish welding；cantilever beam；inside welding arm

TG409 文獻標志碼：B DOI：10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.04.010

付 超（1987—），男，工程師，在讀博士，主要從事預精焊工藝與高強鋼螺旋焊管的研究。

2015-12-05

黃蔚莉