一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置

《一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置》涉及一種鋼管的焊接生產工藝及裝置，特別是一種雙TIG電弧的鋼管新型焊接生產工藝，用該焊接方法能實現(xiàn)薄壁鋼管的高速焊接以及厚壁鋼管的打底焊。

截至2011年3月9日，焊接技術是鋼管生產的關鍵技術，其決定了鋼管生產的質量和效率，各種不同焊接工藝方法焊接速度的限制成為提高鋼管產量的主要難題。對于薄壁（壁厚≤3毫米）鋼管，直流TIG焊是其主要的焊接生產工藝之一。如對于工業(yè)用不銹鋼管，既要求鋼管焊縫完全焊透且內外表面成形美觀，又要求焊縫具有較高的力學性能。因此，焊接速度成為不銹鋼管焊接產量提高的瓶頸。在不考慮鎢極燒損的條件下，采用大電流施焊，對于壁厚1.5毫米不銹鋼管焊接生產，焊接速度最高僅為1.8米/分，對于1.0毫米厚的不銹鋼管，其焊接生產速度最高可達2.5米/分。如果為了提高不銹鋼管產量再進一步提高焊接速度，則會造成焊縫表面咬邊、凹坑、駝峰焊道等表面成形缺陷并影響焊縫力學性能，從而造成鋼管質量不達標。因此，在保證焊縫表面成形和力學性能達到標準要求的條件下，提高焊接速度成為薄壁鋼管生產企業(yè)提高產量共同面對的難題。

盡管高頻電阻焊可以達到很高的焊接速度，但由于管內壁的飛邊難于清除，不能滿足對焊縫內表面成形的要求，限制了其在對管內壁焊縫成形有一定要求的工業(yè)鋼管生產中的應用。作為一種高能量密度的焊接工藝方法，等離子弧焊也可以實現(xiàn)較高速度的焊接，但是在速度超過2～3米/分之后，其焊縫表面成形與TIG焊一樣也會出現(xiàn)諸如咬邊、凹坑、駝峰等成形缺陷。另外，高頻電阻焊和等離子弧焊相對TIG焊來說，其焊接設備的成本要高的多。

對于不銹鋼等鋼鐵材料來說，由于液態(tài)金屬的粘度大，在高速TIG焊接條件下，在電弧力的排斥作用和運動慣性作用下，熔池金屬主要向熔池后方堆積。由于焊接速度快，熔池冷卻速度也快，堆積到熔池后方的液態(tài)金屬還未來得及回流填充塌陷的熔池時便凝固成形，從而造成咬邊、凹坑以及駝峰焊道等表面成形缺陷，有這些缺陷存在的焊縫一方面表面成形不達標，另一方面也嚴重降低了焊縫的力學性能。根據焊縫表面成形缺陷形成的原因，采用附加熱源來延長液態(tài)金屬存在的時間，以便可以使其能夠回流填充熔池的凹陷，形成平、表面平整連續(xù)的焊縫。

圖1是《一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置》的焊接裝置結構圖；

圖2是用該焊接方法實現(xiàn)1.2毫米厚不銹鋼圓管焊接生產的示意圖；

圖3是雙TIG焊槍高速焊接焊縫表面成形形貌（焊接速度：5.6米/分，壁厚：1.5毫米）；

圖中：1、第一TIG焊槍，2、第一TIG焊槍噴嘴，3、第一TIG焊槍鎢極，4、第一TIG電弧，5、焊接的鋼管（或有色金屬管），6、第二TIG焊槍，7、第二TIG焊槍噴嘴，8、第二TIG焊槍鎢極，9、第二TIG電弧，10、焊縫，11、焊接方向。

2018年12月20日，《一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置》獲得第二十屆中國專利優(yōu)秀獎。

一種薄壁鋼管高速焊接生產裝置，包括鋼管輸送裝置、平焊焊接裝置，平焊焊接裝置包括在焊接位置設置的前后兩個獨立的TIG焊接電源，兩個TIG焊接電源分別產生第一TIG電弧4和第二TIG電弧9，第二TIG焊槍6與第一TIG焊槍1之間距離為0-60毫米，第二TIG焊槍6在第一TIG焊槍1在同一平面內，兩焊槍成0-90°夾角。

• 實施例1

下面以1.2毫米厚不銹鋼管焊接生產對焊接工藝過程及結果進行分析說明。

所用兩臺TIG焊接電源，一臺為數(shù)字逆變直流焊接電源，為第一TIG電弧提供能源；另一臺為普通的逆變直流焊接電源，為第二TIG電弧提供能源。第一TIG電弧焊接電流為192安，電弧電壓為16.2伏，保護氣為Ar氣，流量為6升/分；第二TIG電弧焊接電流為124安，電弧電壓為15.8安，保護氣為5升/分流量的Ar氣，兩把焊槍鎢極之間的距離為7毫米，焊接速度為5.1米/分；兩焊槍的夾角為30°，不銹鋼管壁厚為1.2毫米。兩把TIG焊槍固定不動，焊接位置為從鋼管外面對接處平焊。不銹鋼帶經過整形之后卷成圓形鋼管狀，連續(xù)不斷地輸送焊接位置，先有第一TIG電弧焊接，使得焊縫完全熔透并保證背面具有良好的成形，在第一TIG電弧形成的熔池尾部引燃第二TIG電弧對液態(tài)熔池進行繼續(xù)加熱，使其繼續(xù)保持液態(tài)，從而可以有足夠的時間回流、鋪張、填充熔池形成的凹陷，得到平整連續(xù)的焊縫，焊接完成的鋼管待焊縫冷卻一段時間后進行整圓處理，然后按規(guī)定尺寸截取成品管。一支6米長的鋼管，其生產節(jié)拍可以達到1分11秒/支。

對采用該焊接工藝生產的鋼管作膨脹實驗，結果表明在膨脹率達到15.2％的條件下，經過宏觀監(jiān)測和表面著色探傷均未發(fā)現(xiàn)鋼管開裂，完全滿足膨脹率10％的企業(yè)標準。

• 實施例2

以圓形鋼管為例說明雙TIG焊槍生產鋼管的焊接工藝步驟：

1、鋼管焊接生產制造采用工裝夾具將鋼帶縱向整形，橫截面成圓形，鋼帶的兩邊水平對接，以便于采用平焊的方式焊接成型。

2、焊接工藝采用兩把TIG焊槍前后列置、不填充焊絲的方式，第一TIG電弧確保焊縫完全焊透并保證鋼管內表面的焊縫成形，隨其后的第二TIG電弧對第一TIG電弧形成的熔池后部進行加熱，保證鋼管外表面焊縫平整連續(xù)。

3、該方法使用兩臺獨立的TIG焊接電源，兩臺電源既可以同型號同規(guī)格，也可以不同型號不同規(guī)格；既可以是數(shù)字化焊接電源，也可以是普通的逆變TIG焊接電源、晶閘管TIG焊接電源。

4、兩TIG電弧焊接工藝參數(shù)協(xié)調控制：不銹鋼壁厚為1.5毫米，焊接速度為6.1米/分，第一TIG焊槍與鋼管的水平對接焊縫85°的姿態(tài)，根據生產鋼管的壁厚，確定第一TIG電弧的焊接電流在270安、電弧電壓在16.5伏之間，鎢極尖端到對接邊上表面的距離為0.3毫米。根據第一TIG電弧形成的熔池尺寸及焊縫表面成形調節(jié)第二TIG焊槍的姿態(tài)為與鋼管水平對接焊縫成70°、第二TIG焊槍與第一TIG焊槍之間的距離為8毫米、第二TIG電弧的焊接電流為156安、電弧電壓為17.1伏等工藝參數(shù)，鎢極尖端到對接邊上表面的距離為0.5毫米。

5、鋼管焊縫冷卻至400℃以下后進行整圓處理，然后檢驗合格后包裝入庫。

該方法所使用的母材既可以是不銹鋼材料，也可以碳鋼、合金鋼等黑色金屬以及鋁合金等有色金屬，所焊接生產的鋼管及有色金屬管可以是圓形管、方形管及其他異型管。

• 實施例3

下面以2.0毫米厚不銹鋼管焊接生產對焊接工藝過程及結果進行分析說明。

所用兩臺TIG焊接電源，一臺為數(shù)字逆變直流焊接電源，為第一TIG電弧提供能源；另一臺為普通的逆變直流焊接電源，為第二TIG電弧提供能源。第一TIG電弧焊接電流為285安，電弧電壓為16.8伏，保護氣為Ar氣，流量為6升/分；第二TIG電弧焊接電流為172安，電弧電壓為16安，保護氣為6升/分流量的Ar氣，兩把焊槍鎢極之間的距離為9.0毫米，焊接速度為4.8米/分；兩焊槍的夾角為35°，不銹鋼管壁厚為2.0毫米。兩把TIG焊槍固定不動，焊接位置為從鋼管外面對接處平焊。不銹鋼帶經過整形之后卷成圓形鋼管狀，連續(xù)不斷地輸送焊接位置，先有第一TIG電弧焊接，使得焊縫完全熔透并保證背面具有良好的成形，在第一TIG電弧形成的熔池尾部引燃第二TIG電弧對液態(tài)熔池進行繼續(xù)加熱，使其繼續(xù)保持液態(tài)，從而可以有足夠的時間回流、鋪張、填充熔池形成的凹陷，得到平整連續(xù)的焊縫，焊接完成的鋼管待焊縫冷卻一段時間后進行整圓處理，然后按規(guī)定尺寸截取成品管。一支6米長的鋼管，其生產節(jié)拍可以達到1分15秒/支。

一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置專利目的

《一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置》目的是提供一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置，該工藝不僅可以實現(xiàn)薄壁鋼管的高速、高效焊接生產，還可以實現(xiàn)厚壁鋼管多層焊接生產中的高速打底焊，解決了薄壁鋼管焊接生產產量低的技術難題。

一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置技術方案

《一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置》解決其技術問題所采用的技術方案為：

一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝，將不銹鋼帶經過整形卷成鋼管形連續(xù)輸送至焊接位置，焊接位置處設置前后兩個TIG焊接電源，先經第一TIG電弧焊接使焊縫完全焊透并保證鋼管內表面的焊縫成形，隨后經第二TIG電弧對第一TIG電弧形成的熔池后部進行加熱，保證鋼管外表面焊縫平整連續(xù)。

所述的焊接速度為1.0-8.0米/分，鋼管壁厚范圍0.5-6毫米。

所述的第一TIG電弧由第一TIG焊槍產生，第二TIG電弧由第二TIG焊槍產生。

所述的第二TIG焊槍與第一TIG焊槍之間距離為0-60毫米。

所述的第一TIG焊槍在鋼管對接坡口平面內與鋼管的水平對接焊縫成40-90°夾角的姿態(tài)，第一TIG電弧的焊接電流在30-400安、電弧電壓在10-40伏之間，鎢極尖端到對接邊上表面的距離為0.1-5毫米。

所述的第二TIG焊槍與第一TIG焊槍在同一平面內，在鋼管對接坡口平面內與鋼管的水平對接焊縫成60-90°夾角，第二TIG電弧的焊接電流為30-350安、電弧電壓為10-40伏，鎢極尖端到對接邊上表面的距離為0.1-5毫米。

所述的鋼管為圓形管或方形管或橢圓形管及其他異型管。

一種薄壁鋼管高速焊接生產裝置，包括鋼管輸送裝置、平焊焊接裝置，平焊焊接裝置包括在焊接位置設置的前后兩個獨立的TIG焊接電源，兩個TIG焊接電源分別產生第一TIG電弧和第二TIG電弧，第二TIG焊槍與第一TIG焊槍在同一個平面內，且位于其后面，兩焊槍之間距離為0-60毫米，成0-90°夾角。

采用前后兩TIG電弧列置的方式，第一TIG電弧確保焊縫完全焊透并保證鋼管內表面的焊縫成形，隨其后的第二TIG電弧提供輔助熱源，對第一TIG電弧形成的熔池尾部進行加熱，并使其保持液態(tài)狀態(tài)，延長鋼管外表面液態(tài)熔池的存在時間，使其有充足的時間可以回流填充熔池的下塌，從而可以形成表面平整連續(xù)的焊縫。在《一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置》技術方案中，前后兩TIG電弧具有明確的分工：第一TIG電弧確保焊縫能夠完全焊透以及鋼管內表面的焊縫成形，第二TIG電弧保證鋼管外面的焊縫成形，且不能使鋼管外表面熔池金屬過熱造成晶粒過分粗大。第二TIG電弧提供輔助熱源，延長了液態(tài)熔池金屬的存在時間，為熔池后部堆積的液態(tài)金屬回流提供了充足的時間，是在高速焊接條件下不銹鋼獲得表面平整連續(xù)焊縫的關鍵。該方法采用兩臺獨立的TIG焊接電源，既可以同型號同規(guī)格，也可以不同型號不同規(guī)格；既可以是數(shù)字化焊接電源，也可以是普通的逆變TIG焊接電源、晶閘管TIG焊接電源。該方法所使用的母材既可以是不銹鋼材料，也可以碳鋼、合金鋼等黑色金屬以及鋁合金、鈦合金等有色金屬，所焊接生產的鋼管及有色金屬管可以是圓形管、方形管及其他異型管。焊接過程中，根據生產不銹鋼管的壁厚，確定第一TIG焊槍的姿態(tài)以及焊接電流、電弧電壓等參數(shù)，并以此形成的熔池尺寸調節(jié)第二TIG焊槍的姿態(tài)及其與第一TIG焊槍之間的距離以及焊接電流、電弧電壓等工藝參數(shù)，以便達到最佳的焊縫表面成形效果進行鋼管的焊接生產。

一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝及裝置改善效果

通過該焊接工藝方法可以實現(xiàn)薄壁（壁厚≤3毫米）鋼管的高速、高效焊接生產，還可以實現(xiàn)厚壁鋼管多層焊接生產中的高速打底焊。該焊接工藝方法不需要特別設計焊接裝置，只需在原有的鋼管焊接生產線上，緊鄰原有的TIG焊槍后面安裝一把姿態(tài)位置均可調節(jié)的TIG焊槍，通過調節(jié)兩把TIG焊槍之間的距離以及合理匹配兩TIG電弧電壓和焊接電流，就可以實現(xiàn)鋼板的高速高效焊接生產。另外，該焊接工藝方法不僅可以實現(xiàn)薄壁鋼管的高速焊接生產，還可以實現(xiàn)厚壁鋼管多層多道焊焊接生產過程中的高速打底焊以及鋁合金、鈦合金、鎂合金等有色金屬管的高速焊接生產。用該焊接工藝方法，對1.2毫米后的不銹鋼管生產中，在5米/分的焊接速度下，可以生產處焊縫表面成形良好、達標，焊縫力學性能滿足要求的鋼管，雙TIG焊槍高速焊接焊縫表面形貌見附圖3。

1.一種薄壁鋼管高速焊接生產工藝，其特征是，將不銹鋼帶經過整形卷成鋼管形連續(xù)輸送至焊接位置，焊接位置處設置前后兩個TIG焊接電源，先經第一TIG電弧焊接使焊縫完全焊透并保證鋼管內表面的焊縫成形，隨后經第二TIG電弧對第一TIG電弧形成的熔池后部進行加熱，保證鋼管外表面焊縫平整連續(xù)，焊接速度為1.0-8.0米/分，鋼管壁厚范圍0.5-6毫米，所述的第一TIG電弧由第一TIG焊槍產生，第二TIG電弧由第二TIG焊槍產生，所述的第二TIG焊槍與第一TIG焊槍之間距離為0-60毫米；所述的第一TIG焊槍在鋼管對接坡口平面內與鋼管的水平對接焊縫成40-90°夾角的姿態(tài)，第一TIG電弧的焊接電流在30-400安、電弧電壓在10-40伏之間，鎢極尖端到對接邊上表面的距離為0.1-5毫米；所述的第二TIG焊槍在鋼管對接坡口平面內與鋼管的水平對接焊縫成60-90°夾角，第二TIG電弧的焊接電流為30-350安、電弧電壓為10-40伏，鎢極尖端到對接邊上表面的距離為0.1-5毫米。

2.根據權利要求1所述的薄壁鋼管高速焊接生產工藝，其特征是，所述的鋼管為圓形管或方形管或橢圓形管。

3.應用在權利要求1所述的工藝中的裝置，包括鋼管輸送裝置、平焊焊接裝置，其特征是，所述的平焊焊接裝置包括在焊接位置設置的前后兩個獨立的TIG焊接電源，兩個TIG焊接電源分別產生第一TIG電弧和第二TIG電??；第二TIG焊槍與第一TIG焊槍在同一個平面內，兩焊槍之間距離為0-60毫米，成0-90°夾角。

一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法專利目的

《一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法》的目的是提供一種管內外壓力平衡、密封性能好、焊弧表面光滑平整、焊弧穩(wěn)定和焊弧紋路均勻美觀的細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法。

一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法技術方案

《一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法》可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種細薄壁管平衡焊接裝置，包括脈沖信號發(fā)生器和真空箱，所述的真空箱內設有主軸箱、固定機構、第一細薄壁管、第二細薄壁管、尾座壓緊機構和保護氣管，所述的主軸箱輸出軸與固定機構連接，固定機構用于固定保護套管，保護套管與第一細薄壁管連接，所述的尾座壓緊機構的一端與第二細薄壁管滑動連接，第二細薄壁管可在尾座壓緊機構上左右滑動，尾座壓緊機構的另一端與保護氣管連接，保護氣管內充有保護氣體，保護氣管上設有控制氣速和/或氣量的電磁閥，所述的主軸箱和焊槍分別與脈沖信號發(fā)生器電連接。

該發(fā)明細壁管平衡焊接裝置中保護氣管以及保護氣管內充有保護氣體的方案設計，在保護氣管內充設保護氣體，使其與保護氣管外真空箱的氣壓保持平衡，從而達到要焊接的細薄壁管管內外壓力的平衡，有效確保焊接質量，使焊接焊弧穩(wěn)定，焊弧外表面平整光滑，焊接質量高；脈沖信號發(fā)生器的設置，主軸箱和焊槍分別與脈沖信號發(fā)生器連接，并由脈沖信號發(fā)生器控制焊槍的焊接脈沖頻率與主軸箱內的伺服電機旋轉脈沖頻率達到同步，使焊弧表面紋路均勻美觀；尾座壓緊機構的設置，使第二細薄壁管可在其上進行左右移動，安裝第二細薄壁管時，首先通過外力將第二細薄壁管按入尾座壓緊機構，并調整尾座壓緊機構的高度使第二細薄壁管的高度與第一細薄壁管的高度一致，然后釋放外力，尾座壓緊機構即會在自身的作用力下將第二細薄壁管向外推移，直至壓緊第一細薄壁管，使第二細薄壁管可由第一細薄壁管帶動實現(xiàn)同步旋轉，提升焊接的均勻度和焊接質量。

進一步地，所述的尾座壓緊機構包括尾座和氣缸，所述的尾座底部與氣缸連接，氣缸設于氣缸固定座上，所述的尾座內部中空，尾座內設有臺階圓筒，臺階圓筒與尾座滑動連接，臺階圓筒的外圓周臺階與尾座之間設有彈簧，臺階圓筒的內圓周臺階處設有旋轉固定頭，旋轉固定頭與臺階圓筒的內圓周臺階之間的兩端部均設有軸承，兩軸承之間設有襯套，旋轉固定頭的里端伸出內圓周臺階一定距離，旋轉固定頭的外端部與第二細薄壁管按壓式連接。臺階圓筒的外圓周臺階與尾座之間彈簧的設置，使第二細薄壁管在彈簧的作用下向外移動直至壓緊第一細薄壁管，進而實現(xiàn)第二細薄壁管由第一細薄壁管帶動進行同步旋轉，有效提升焊接的均勻度和焊接質量。

進一步地，所述的尾座內設有彈簧的一端部設有尾座墊和密封套，所述的密封套與保護氣管密封連接，尾座墊和密封套的設置，有效確保保護氣管與尾座之間的密封，密封性能好。進一步地，所述的旋轉固定頭的里端與臺階圓筒內壁之間設有密封圈，密封圈的設置，有效確保旋轉固定頭與臺階圓筒之間的密封。

進一步地，所述的固定機構為三爪卡盤，也可以為其它具有旋轉固定功能的旋轉固定臺。進一步地，所述的第一細薄壁管與保護套管連接的一端設有泄壓堵頭，泄壓堵頭的設置，用于在保護氣管內壓力超出預定壓力值時，進行泄壓。進一步地，所述的保護氣體為惰性氣體。

一種使用上述細薄壁管平衡焊接裝置進行焊接的焊接方法，包括如下步驟：

第一．對齊第一細薄壁管和第二細薄壁管并壓緊，首先將第一細薄壁管和第二細薄壁管分別固定在三爪卡盤和旋轉固定頭上，通過氣缸調整第二細薄壁管的高度與第一細薄壁管的高度一致，然后通過移動旋轉固定頭使第二細薄壁管與第一細薄壁管壓緊；

第二．向管內充保護氣體，通過保護氣管向第一細薄壁管和第二細薄壁管內進行充保護氣體，由電磁閥控制保護氣體的速度和氣量，當管內管外壓力保持平衡后，停止充氣；

第三．調整焊槍的位置，使其焊槍頭位于第一細薄壁管和第二細薄壁管連接處；

第四．啟動主軸箱，由主軸箱驅動第一細薄壁管進行旋轉，由第一細薄壁管帶動第二細薄壁管進行同步旋轉；

第五．調整脈沖進行焊接，調整焊槍的焊接脈沖使其與主軸的旋轉脈沖達到同步，開始焊接，焊接1.25圈后進行收弧，收弧尾部為尖的，完成焊接，關閉電源。

一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法有益效果

《一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法》的有益效果：

第一、保護氣管以及保護氣管內充有保護氣體的方案設計，在保護氣管內充設保護氣體，通過電磁閥控制并調整管內保護氣體使其與保護氣管外真空箱的氣壓保持平衡，從而達到要焊接的細薄壁管管內外壓力的平衡，有效確保焊接質量，使焊接焊弧穩(wěn)定，焊弧外表面平整光滑，在充足的惰性氣體的保護下不會產生氣孔、凹陷等缺陷，焊接質量高；

第二、脈沖信號發(fā)生器的設置，主軸箱和焊槍分別與脈沖信號發(fā)生器連接，并由脈沖信號發(fā)生器控制焊槍的焊接脈沖頻率與主軸箱內的伺服電機旋轉脈沖頻率達到同步，使焊弧表面紋路均勻美觀，有效保證焊縫覆蓋完全；

第三、尾座壓緊機構的設置，使第二細薄壁管可在其上進行左右移動，安裝第二細薄壁管時，首先通過外力將第二細薄壁管按入尾座壓緊機構，并調整尾座壓緊機構的高度使第二細薄壁管的高度與第一細薄壁管的高度一致，然后釋放外力，尾座壓緊機構即會在自身的作用力下將第二細薄壁管向外推移，直至壓緊第一細薄壁管，使第二細薄壁管可由第一細薄壁管帶動實現(xiàn)同步旋轉，提升焊接的均勻度和焊接質量。

2021年11月，《一種細薄壁管平衡焊接裝置及焊接方法》獲得第八屆廣東專利獎優(yōu)秀獎。

2014年前，中國國內的專用焊接裝置一般都是針對大厚壁管的焊接，主要包括真空箱，焊接操作在真空箱內進行，由于大厚壁管壁厚，采用焊槍進行焊接即可完成。然而，此類焊接裝置對于細薄壁管的焊接則不適用，由于細薄壁管壁薄，焊槍焊接過程中管內外壓力不平衡，容易造成焊弧壓力、凹坑或焊穿等缺陷，嚴重影響焊接的焊弧外觀和焊弧質量。