提高管线钢管焊接质量的措施
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提高管线钢管焊接质量的措施
宗波，杨万霞，朱大权 （辽阳石油钢管厂，辽宁辽阳１１１０００）
摘要：介绍了在某管线钢管生产中，为了提高焊接质量而采取的４种措施，并详细说明了具 体的实施方法。‘这些措施包括：提高内焊焊接电流的输出能力，采用焊缝自动跟踪装置，加装 外焊电流显示装置，改进内焊送丝机构。实施结果证明，钢管的焊接质量得到明显的提高。
关键词：螺旋焊管；焊接电流；焊缝跟踪；焊接角度；送丝机构 中图分类号：ＴＧ４４５文献标志码：Ｂ文章编号：１００１—３９３８（２００８）０１—００７０—０３
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摘要：介绍了在某管线钢管生产中，为了提高焊接质量而采取的４种措施，并详细说明了具 体的实施方法。‘这些措施包括：提高内焊焊接电流的输出能力，采用焊缝自动跟踪装置，加装 外焊电流显示装置，改进内焊送丝机构。实施结果证明，钢管的焊接质量得到明显的提高。
关键词：螺旋焊管；焊接电流；焊缝跟踪；焊接角度；送丝机构 中图分类号：ＴＧ４４５文献标志码：Ｂ文章编号：１００１—３９３８（２００８）０１—００７０—０３
前言
２００６年，辽阳石油钢管厂承担了某管线部分钢管生产任务，钢管规格为直径２１９mm×１７．２ ｍｍ， 钢级为Ｘ７０，采用螺旋缝双面埋弧焊接。本次生产 工期紧、任务重，技术标准要求较高，技术规范制定 极为严格，对焊接质量提出的要求很高。 为了优 质、高效地完成生产任务，就需对焊接机组的焊接 电流、焊丝角度进行调整，对焊缝自动跟踪系统等 设备进行改进，以提高焊接质量，满足业主要求。
１外焊直流加装焊接电流显示装置
１．１加装焊接电流显示方案 焊接机组外焊直流的控制采用林肯ＮＡ一５ 控制箱，其焊接控制特性是ＣＶ（恒压控制），且能 预设包括焊接电压、送丝速度和焊接速度等焊接 参数。该控制箱面板上有焊接电压和送丝速度的 显示，没有焊接电流的显示，如图１所示。由于没 有焊接电流的准确显示，当监造和业主方需要知 图１ ＮＡ－５控制箱外观图 道焊接电流的大小时，只能用数字钳形电流表测 ５～６次，取其均值，测量过程时间长且误差大。 因此，决定加装电流表，用以显示焊接电流。
１．２ 实施方法 有３种方法可供选择：①采用指针式电流表； ②采用数字式电流表；③利用原有的电流传感器 设计数字显示装置。 指针式电流表具有经济实用、安装方便、易维 修、受环境影响小等特点，结合车间现场的实际情 况，并参照ＮＡ一３Ｓ和ＮＡ一４控制箱，决定采用 指针式电流表和分流器组成外焊直流显示装置。 电流表选用磁电式，型号为６３Ｃ１８，量程１ ５００ Ａ。 具体方法是：将电流表和分流器并联后，再串联到 焊把线中，如图２所示。加装此套装置后，操作者 可准确、直观地调整外焊焊接电流，从而实现对焊 接电流的有效监控。
２００６年，辽阳石油钢管厂承担了某管线部分钢管生产任务，钢管规格为直径２１９mm×１７．２ ｍｍ， 钢级为Ｘ７０，采用螺旋缝双面埋弧焊接。本次生产 工期紧、任务重，技术标准要求较高，技术规范制定 极为严格，对焊接质量提出的要求很高。 为了优 质、高效地完成生产任务，就需对焊接机组的焊接 电流、焊丝角度进行调整，对焊缝自动跟踪系统等 设备进行改进，以提高焊接质量，满足业主要求。
１外焊直流加装焊接电流显示装置
１．１加装焊接电流显示方案 焊接机组外焊直流的控制采用林肯ＮＡ一５ 控制箱，其焊接控制特性是ＣＶ（恒压控制），且能 预设包括焊接电压、送丝速度和焊接速度等焊接 参数。该控制箱面板上有焊接电压和送丝速度的 显示，没有焊接电流的显示，如图１所示。由于没 有焊接电流的准确显示，当监造和业主方需要知 图１ ＮＡ－５控制箱外观图 道焊接电流的大小时，只能用数字钳形电流表测 ５～６次，取其均值，测量过程时间长且误差大。 因此，决定加装电流表，用以显示焊接电流。
１．２ 实施方法 有３种方法可供选择：①采用指针式电流表； ②采用数字式电流表；③利用原有的电流传感器 设计数字显示装置。 指针式电流表具有经济实用、安装方便、易维 修、受环境影响小等特点，结合车间现场的实际情 况，并参照ＮＡ一３Ｓ和ＮＡ一４控制箱，决定采用 指针式电流表和分流器组成外焊直流显示装置。 电流表选用磁电式，型号为６３Ｃ１８，量程１ ５００ Ａ。 具体方法是：将电流表和分流器并联后，再串联到 焊把线中，如图２所示。加装此套装置后，操作者 可准确、直观地调整外焊焊接电流，从而实现对焊 接电流的有效监控。
２焊缝自动跟踪系统
２．１ 改进方案
原焊缝自动跟踪装置精度低，实时性差，响应 时间长，还需操作人员配合，不能满足本次生产焊 接工艺的要求。因此，决定在内、外焊分别加装英国Ｍｅｔａ公司的Ｖｉｓｔａ wｅｌｄ焊缝自动跟踪系统。
２．２系统组成
Ｖｉｓｔａ Ｗｅｌｄ焊缝自动跟踪系统由传感器部件、 伺服电机执行机构、工业计算机图像处理部分、控 制器部件等组成。该系统以激光条纹为工作介质， 当摄像头采集到激光条纹图像后，送入计算机进行 图像处理，得出结果后由执行机构来完成动作。该 装置具有系统可靠性高、工作稳定、结构简单、安装 维护方便等优点。系统结构框图如图３所示。
２．３工作原理
激光结构光法视觉传感工作原理如图４所 示，这里只画出一条激光条纹，另两条与此相同。 本系统属于采用激光作为主动光源的结构光法视 觉传感焊缝跟踪系统。激光管发出点光源经柱状 镜转换为条形光源，投射到工件焊缝坡口上，激光 条纹发生相应的变形，并向工件上方漫反射。 ＣＣＤ摄像机接收从工件上漫反射的反映坡口形 状的激光条纹，通过图像采集和图像处理环节，便 可知激光条纹变形处的中心位置，即焊缝中心线 位置。 ＣＣＤ摄像机采集到激光条纹图像送计算机 进行图像处理，并与设定的中心位置相比较，当两者有偏差时，系统发出校正指令，经ＰＬＣ和控制 器控制伺服电机动作，完成校正跟踪过程。该结 构光法不仅能检测出焊缝的中心位置，而且还能 获得焊缝截面的形状和尺寸等特征参数，适合于 不同的焊缝和各种焊接方法。经生产现场实际使用证明，该自动跟踪系统 可纠正焊接过程中出现的微小偏差，大大减少了 焊偏、未熔合等焊接缺陷，提高了焊接质量。 与传 统跟踪设备和人工操作相比，该系统具有跟踪精 度高、响应速度快、操作简单方便、人机界面友好 等优点，完全满足了钢管成型焊接的要求。激光 跟踪系统现场应用照片如图５所示。 图５激光跟踪系统的现场应用
２．４存在的问题
如果工作环境粉尘较大，特别是粉尘中含有 大量的铁磁颗粒时，将导致触摸屏显示器出现故 障，触摸功能失效。如果显示器安装位置距离管 体较近，还会受到电磁干扰，易出现图形失真，使 显示器的清晰度下降。 有时因为板材轧制的原因，导致对头前后跟 踪效果不好：这时要将手控盒打到“手动调整”状 态，用手动来调整跟踪系统。
３提高内焊直流电焊机输出能力
３．１ 改进方案
该管线钢管规格为直径ｌ ２１９ ｍｍ×１７．２ ｍｍ，材质为Ｘ７０级管线钢，正常生产时内焊直流的焊接 电流可达到１３５０～ｌ４００Ａ，已接近电焊机的最大输出电流。生产初期内焊直流用１台电焊机，当 需要输出较大焊接电流时，调节旋钮已调到极限， 同时电焊机的温升和故障率明显增加，导致内焊 焊接质量下降。因此，将内焊电流改为由２台电 焊机并联输出，以增大输出电流，提高焊接质量。
３．２实施方法
将２台林肯焊机（ＤＣ一１５００）并联，接成一主 一辅的形式。内部控制按林肯焊机相关原理接线， ．主机的４号和３１号线与辅机相对应的４号和３１号线相连 接，主机的７５号，７６号和７７号线与林肯焊机控制箱NA 一3s相连接，外部接成并联输出，如图６所示。现场使用证明，采用２台焊机并联后，内焊直 流的电流输出能力显著提高，电流调节范围加大， 夹渣、未焊透等焊接缺陷明显减少，使焊接质量有 较大的提高。投入运行后，焊机工作平稳可靠，温 升正常，没有发生故障。
４改进内焊送丝机构
原有的内焊送丝机构是２根送丝杆固定在支 架上，其上没有角度标定，操作者每次调整焊丝角 度时，花费时间长，且很难控制调整角度。有时送 丝杆还会因固定不牢随着大桥摆动，从而发生焊 点偏移，为此，设计了一套新的送丝机构。新送丝 机构由扇形板、送丝杆、连接角钢等组成，扇形板 上开有４个弧形槽，连接角钢一边与弧形槽相连， 一边与送丝杆相连，如图７所示。 送丝机构改进后，送丝杆固定牢固可靠，使焊 点不再发生偏移，同时还制作了标准角度样板。当更换送丝嘴时，如果焊丝角度产生偏移，就可用 标准角度样板对照测量，从而能更快、更准地调整 焊丝角度、焊丝间距、焊丝的前后和左右偏移等参 数。采用此套装置操作方便，大大提高了焊接稳 定性。 该规格管线钢管正常连续生产时，送丝机构 参数设置为：１号丝上部距板边２５ ｍｍ，１旽丝下部距 板边３８ ｍｍ；２号丝上部距板边２８ ｍｍ，２号丝下部距 板边１６ ｍｍ；两丝夹角２７度。
２．１ 改进方案
原焊缝自动跟踪装置精度低，实时性差，响应 时间长，还需操作人员配合，不能满足本次生产焊 接工艺的要求。因此，决定在内、外焊分别加装英国Ｍｅｔａ公司的Ｖｉｓｔａ wｅｌｄ焊缝自动跟踪系统。
２．２系统组成
Ｖｉｓｔａ Ｗｅｌｄ焊缝自动跟踪系统由传感器部件、 伺服电机执行机构、工业计算机图像处理部分、控 制器部件等组成。该系统以激光条纹为工作介质， 当摄像头采集到激光条纹图像后，送入计算机进行 图像处理，得出结果后由执行机构来完成动作。该 装置具有系统可靠性高、工作稳定、结构简单、安装 维护方便等优点。系统结构框图如图３所示。
２．３工作原理
激光结构光法视觉传感工作原理如图４所 示，这里只画出一条激光条纹，另两条与此相同。 本系统属于采用激光作为主动光源的结构光法视 觉传感焊缝跟踪系统。激光管发出点光源经柱状 镜转换为条形光源，投射到工件焊缝坡口上，激光 条纹发生相应的变形，并向工件上方漫反射。 ＣＣＤ摄像机接收从工件上漫反射的反映坡口形 状的激光条纹，通过图像采集和图像处理环节，便 可知激光条纹变形处的中心位置，即焊缝中心线 位置。 ＣＣＤ摄像机采集到激光条纹图像送计算机 进行图像处理，并与设定的中心位置相比较，当两者有偏差时，系统发出校正指令，经ＰＬＣ和控制 器控制伺服电机动作，完成校正跟踪过程。该结 构光法不仅能检测出焊缝的中心位置，而且还能 获得焊缝截面的形状和尺寸等特征参数，适合于 不同的焊缝和各种焊接方法。经生产现场实际使用证明，该自动跟踪系统 可纠正焊接过程中出现的微小偏差，大大减少了 焊偏、未熔合等焊接缺陷，提高了焊接质量。 与传 统跟踪设备和人工操作相比，该系统具有跟踪精 度高、响应速度快、操作简单方便、人机界面友好 等优点，完全满足了钢管成型焊接的要求。激光 跟踪系统现场应用照片如图５所示。 图５激光跟踪系统的现场应用
２．４存在的问题
如果工作环境粉尘较大，特别是粉尘中含有 大量的铁磁颗粒时，将导致触摸屏显示器出现故 障，触摸功能失效。如果显示器安装位置距离管 体较近，还会受到电磁干扰，易出现图形失真，使 显示器的清晰度下降。 有时因为板材轧制的原因，导致对头前后跟 踪效果不好：这时要将手控盒打到“手动调整”状 态，用手动来调整跟踪系统。
３提高内焊直流电焊机输出能力
３．１ 改进方案
该管线钢管规格为直径ｌ ２１９ ｍｍ×１７．２ ｍｍ，材质为Ｘ７０级管线钢，正常生产时内焊直流的焊接 电流可达到１３５０～ｌ４００Ａ，已接近电焊机的最大输出电流。生产初期内焊直流用１台电焊机，当 需要输出较大焊接电流时，调节旋钮已调到极限， 同时电焊机的温升和故障率明显增加，导致内焊 焊接质量下降。因此，将内焊电流改为由２台电 焊机并联输出，以增大输出电流，提高焊接质量。
３．２实施方法
将２台林肯焊机（ＤＣ一１５００）并联，接成一主 一辅的形式。内部控制按林肯焊机相关原理接线， ．主机的４号和３１号线与辅机相对应的４号和３１号线相连 接，主机的７５号，７６号和７７号线与林肯焊机控制箱NA 一3s相连接，外部接成并联输出，如图６所示。现场使用证明，采用２台焊机并联后，内焊直 流的电流输出能力显著提高，电流调节范围加大， 夹渣、未焊透等焊接缺陷明显减少，使焊接质量有 较大的提高。投入运行后，焊机工作平稳可靠，温 升正常，没有发生故障。
４改进内焊送丝机构
原有的内焊送丝机构是２根送丝杆固定在支 架上，其上没有角度标定，操作者每次调整焊丝角 度时，花费时间长，且很难控制调整角度。有时送 丝杆还会因固定不牢随着大桥摆动，从而发生焊 点偏移，为此，设计了一套新的送丝机构。新送丝 机构由扇形板、送丝杆、连接角钢等组成，扇形板 上开有４个弧形槽，连接角钢一边与弧形槽相连， 一边与送丝杆相连，如图７所示。 送丝机构改进后，送丝杆固定牢固可靠，使焊 点不再发生偏移，同时还制作了标准角度样板。当更换送丝嘴时，如果焊丝角度产生偏移，就可用 标准角度样板对照测量，从而能更快、更准地调整 焊丝角度、焊丝间距、焊丝的前后和左右偏移等参 数。采用此套装置操作方便，大大提高了焊接稳 定性。 该规格管线钢管正常连续生产时，送丝机构 参数设置为：１号丝上部距板边２５ ｍｍ，１旽丝下部距 板边３８ ｍｍ；２号丝上部距板边２８ ｍｍ，２号丝下部距 板边１６ ｍｍ；两丝夹角２７度。
５结论
以上几种改进方案实施后，经过现场使用证 明，不仅提高了焊接质量，而且在降低员工劳动强 度、提高设备利用率、减小操作误差等方面，都取 得了较好的效果，满足了监造和业主的要求，圆满 完成了该管线的生产任务。
以上几种改进方案实施后，经过现场使用证 明，不仅提高了焊接质量，而且在降低员工劳动强 度、提高设备利用率、减小操作误差等方面，都取 得了较好的效果，满足了监造和业主的要求，圆满 完成了该管线的生产任务。
河北龙马钢管制造股份有限公司
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