等离子焊接系统在不锈钢焊管中的应用

  先进的自动焊接工艺和与之相配套的专机设备可以大幅度提高产品质量，提高生产效率，降低制造成本，改善工人的劳动条件。然而，早先国内焊管生产线目前仍处于比较落后的状态，由于国内原先还没有很好的不锈钢焊管成套焊接系统，所以大多数厂家采用手工电弧焊和手工氩弧焊，这两种焊接方法应用不锈钢焊管生产线有很多缺点：1.板材焊前坡口制备成本高；2.焊接效率慢；3.由于是手工操作，焊接质量得不到保证，产品合格率低；4.热输入量大，工件变形大等。与之相比，等离子焊接由于能量集中，不开坡口，一次可实现8mm不锈钢单面焊双面成型，大大减少了焊前准备工作，保证了质量，提高了效率。目前，国内焊管生产量达到1660×104t，其中70%以上仍停留在落后的生产设备和工艺，所以大力推广等离子焊接系统在不锈钢焊管行业中的应用势在必行。

1.等离子弧产生原理
等离子弧是离子气被电离产生高温离子化气体，并经过水冷喷嘴的机械压缩，从喷嘴中心小孔穿出而形成等离子电弧，其能量密度可达105-106W/cm2，比自由电弧（约105 W/cm2以下）高，
其温度可达18000-24000K， 图1等离子电弧产生原理
也高于自由电弧（5000-8000K）很多，等离子电弧焊接工艺的基本原理见图1。

2.等离子焊接工艺的优点
1) 穿透能力强，8mm以下板厚无须开坡口，大大减小了焊前准备 时间。
2) 电弧能量集中，焊接热影响区小，焊接变形小。
3) 焊接速度快，等离子比手工氩弧焊减小4-5倍时间。
4) 卓越的重复生产性。
5) 弧柱刚性大，采用小孔效应，可以实现稳定的单面焊双面成型。
6) 电极缩在喷嘴内，不易污染和烧损及电极寿命长，焊缝缺陷少。
7) 焊接质量好，可焊材料多。
8) 等离子弧具有良好的可控性和调节性等。
图2所示为TIG电弧与等离子电弧相比较，可以清楚的体现等离子电弧的优越性。从图可以看到，电弧在轴向增加20%弧柱截面积时，TIG焊只有0.12mm，而等离子弧却可以达到1.2mm，可见等离子弧更挺，能量更集中。 图2 TIG电弧与PLASMA电弧比较

3.等离子焊接设备介绍
等离子焊接设备包括焊接电源、焊枪、拖罩、专用制冷水箱、气路系统等部分组成见图3。
图3 等离子焊接设备
3.1焊接电源、
除焊接铝及其合金外，我们用直流电源见图4。
该焊接电源采用最新技术的数字化逆变电源，可以在网络电压上下波动20%情况下正常工作，特别适合我国的基本国情；数字化电源系统响应速度快，控制精度高，性能稳定；维弧电流可以单独调节，保证维弧稳定。在焊管行业我们选用电源型号为DC-P400，其额定电流为400A，20ºC时，暂载率为60%。 图4 等离子焊接电源
3.2等离子焊枪
等离子焊接时产生等离子电弧并用以进行焊接的工具称为等离子焊枪。如图5所示。焊枪的结构，制造的精度，制造的工艺等等，均会影响等离子焊枪的性能，也决定了等离子焊接的施焊工艺的难度。焊枪的冷却能力也是衡量等离子焊枪好坏的重要指标。焊枪的喷嘴，钨极夹必须得到充分的冷却。等离子焊接时，钨极一定要与喷嘴同心。内缩量可以自由调节是一把好等离子焊枪必须具备的能力。
等离子焊枪喷嘴尺寸，孔径大小，结构形式也是 图5 等离子焊枪
影响焊接效果的重要因素，孔径尺寸根据板厚及焊接电流来决定。
3.3专用制冷水箱
由于等离子弧温度高，所以喷嘴的冷却效果的好坏，直接影响焊接过程中能量的稳定性，即能否产生稳定的等离子电弧，从而影响到焊接效果。鉴于此，等离子焊接一定要配置专用的制冷水箱，提供恒定的水温。
3.4高精度可调节的等离子气表
等离子气流量的大小，直接影响焊接能量，在焊接过程中，提供稳定的等离子气流量至关重要。因而一般的流量表满足不了等离子焊接需要，所以等离子焊接应配置高精度的等离子气表，其精度为0.01L/min。

4.等离子焊接工艺
影响等离子焊接的工艺参数很多，焊接电流、焊接速度、等离子气流量、喷嘴孔道比、喷嘴孔径、钨极形状尺寸、钨极内缩量、送丝速度、冷却水温度、环境温度、背面保护气、正面保护气等都不同程度会影响等离子焊接的接头质量，图6所示为固化喷嘴孔道比、喷嘴孔径、钨极形状尺寸、冷却水温度后焊接电流、焊接速度、等离子气流量对中厚板焊缝成型的影响。不锈钢中厚板 图6 各参数对焊缝成型的影响
等离子焊接的主要影响因素为焊接电流、焊接速度、等离子气流量，其焊接工艺参数见表一。
表1 焊接工艺参数表
参数板厚 离子气L/min 焊接速度mm/min 焊接电流A 送丝速度mm/min
3 1.0-3.5 200-400 80-180 根据工件状态决定送丝速度的大小
4 2.0-4.2 120-350 100-220
5 2.5-4.5 110-350 120-250
6 2.5-4.5 90-370 140-280
8 3.0-5.5 150-350 170-300
*备注：保护气的种类可选择Ar+H2混合气体，有利于提高电弧的能量。

5.等离子焊接系统在不锈钢焊管中的应用
此行业生产的承压管长度一般为6000mm，材质为奥氏体不锈钢如304（l），316（l），321等，厚度≥3mm，直径≥Φ133mm，焊缝质量要求外观成型美观，X射线探伤二级合格。我们采取的工艺是3-8mm等离子单面焊双面一次成型；>8mm开Y型坡口，留5-6mm钝边，采用等离子焊接打底，氩弧焊或等离子盖面，也有采用埋弧盖面。
5.1设备配置
该系统由等离子焊接电源，等离子焊枪，专用制冷水箱，送丝机构，可编程控制箱，边梁行走机构，管件芯轴支架和内保护机构等组成，见图7。
5.2边梁行走机构
该机构采用在立柱上固定横梁，横梁上面装有矩形导轨，侧面安装齿条，小车安装在横梁导轨上移动。由于采取多组滚动轴承，小车运行轻便灵活。小车运行由直流电机经微型减速器，再经齿轮，齿条实现直线 图7 焊接工装示意图
运动。直流电极为无级调速
5.3 芯轴支架
芯轴上有槽，槽内通保护气体。在焊接不同直径工件时，可通过旋转手轮，调整芯轴高度，适应不同工件直径焊接。
5.4内保护装置
此装置设计的好坏，直接影响焊接效果，我们有两种形式：
方式一：管内拖罩通过专门的行走机构与焊接小车同步来通气。
方式一：整个背保护装置中通气。
方式一结构复杂，省气；方式二结构简单。
5.5送丝机构
该机构由直流电机驱动，送丝轮上方有压紧轮，通过弹簧杠杆压紧，可送焊丝直径Φ0.8-Φ1.6mm。
5.6可编程控制器
除焊接电源提供电流以外，焊接工装如行走小车、十字滑架和送丝等动作均由焊接控制器来控制。
5.7实际应用及焊接效果
某焊管厂材质为321，厚度为14mm，传统的焊接工艺采用TIG焊接工艺，每人每天只可以生产0.5根管子。利用等离子焊接设备后，采用等离子打底，TIG盖面。焊接生产率为每人每天3根，返修率减少到接近于0。
5.7焊管的生产步骤

6.
用等离子自动焊接不锈钢焊管取代传统的手工焊接方法，不仅可以大大降低制造成本，而且提高了焊接质量及生产效率，有利于改善目前我国不锈钢焊管生产线的落后状态，为我国迅速发展的石油，化工，电建等行业提供大管径焊管，从而加快焊管行业的技术及设备革新，提高焊管的产量。