数字焊机埋弧焊接工艺参数优化_李慧.pdf

工艺与设备第46卷 第3期2023年3月Vol.46 No.3Mar.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE数字焊机埋弧焊接工艺参数优化李慧，唐子金，曾德胜（中石化石油机械股份有限公司 沙市钢管分公司，湖北 荆州 434001）摘 要：为适应智能化制造的发展趋势，提高对数字焊机的焊接性能研究水平，建立了数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数数学模型并验证分析。结果表明，当焊缝面能量100 J/mm2Q220 J/mm2、内外焊焊缝重合量 1.5 mme3.0 mm、焊缝余高 0.5 mm2.5 mm时，数学模型的计算结果与实际生产情况相符合。此外，根据数学模型规范计算热输入量 Q，并与标准要求进行对比，冲击试验后发现，即使焊接过程中的热输入量较大，焊缝冲击功仍符合标准要求，焊缝的冲击韧性较好。该方法在提高工艺设计效率的同时降低了生产成本，并保证了钢管的生产质量，为数字化焊机在钢管焊接过程中的工艺参数优化提供参考。关键词：数字焊机；埋弧焊；焊缝坡口；冲击功中图分类号：TG457.6 文献标识码：B DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.03.008Parameter Optimization of Digital Welding Machine on Submerged Arc Welding ProcessLI Hui,TANG Zijin,ZENG Desheng(Shashi Steel Pipe Branch Company,Sinopec Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Jingzhou 434001,Hubei,China)Abstract:In order to adapt to the development trend of intelligent manufacturing and improve the research level of welding performance of digital welding machine,a method of establishing and optimizing the process parameter model of digital welding machine on SAW(Submerged Arc automatic Welding)steel pipe is introduced,and the mathematical model in the actual production process is verified.The results show that when the weld surface energy is 100 J/mm2Q220 J/mm2,the overlap of internal and external welds is 1.5 mme3.0 mm and the weld reinforcement is 0.5 mm2.5 mm,the calculation result of the mathematical model is consistent with the actual production situation.In addition,the heat input Q is calculated according to the mathematical model specification and compared with the standard requirements.After the impact test,it is found that even if the heat input during the welding process is large,the impact energy of the weld is not high,and the impact toughness of the weld is good.This method not only improves the efficiency of process design,but also reduces the production cost,and ensures the production quality of steel pipe.It provides a reference for the optimization of process parameters of digital welding machine in the process of steel pipe welding.Key words:digital welding machine;submerged arc welding;weld groove;impact energy0前 言本世纪初，日本松下公司在全球率先推出了数字焊机，焊接行业由此进入到全新的数字化时代1。随后关于数字焊机的研究一直在进行，秦克礼等针对我国制管行业现状，提出建设数字化智能焊管生产线并提供了相应的解决措施2。韩保材等3对直缝埋弧焊管生产线焊接工艺及设备进行了论述，研究表明，采用数字电源可节能20%左右，且数字电源适用于焊接复杂材质、大壁厚钢管。近年来，中石化集团所属钢管公司对埋弧焊数字焊机现场应用及其配套控制改造进行了研究4。尽管国内油气输送管方面的研究一直在不断进步和发展5-6，但关于采用数字焊机焊 412023年 第 46 卷焊 管接油气输送管的研究仍旧较少，随着油气输送管生产效率的不断提升，数字焊机在油气输送管的生产中逐渐得到应用。全数字焊机具有调节和采集焊接参数方便、焊缝形貌质量高、人力成本低、能耗低等优点，其推广应用将为实现智能化制造工厂提供有力保障7-9。目前埋弧焊机行业通常采用数字化焊机，数字焊机是在传统模拟焊机的基础上增加一些数字化控制的元器件和系统10-11，从而提高模拟焊机参数精度；但受到模拟焊机本身器件和控制器件的性能影响，焊接质量提高效果不明显。相比较而言，数字焊机是全新设计的新型数字智能埋弧焊机，其结构稳定、寿命长、采用微处理器进行控制，只需修改软件便可增加新的功能，不需要增加逻辑电路。数字焊机代表了埋弧焊机行业的未来发展方向。目前国内专利和文献所描述的数字焊机均通过在原有焊机的基础上加一些控制电路系统以表明其先进性12-13，而目前市场上有能力生产和销售数字焊机的均为国外大型企业（如日本松下公司、德国西马克公司和美国林肯公司等），但这些企业的设备硬件和软件都是不公开的，从而导致其原理和扩展性能不明确，价格和维护也较贵。为顺应智能制造的发展趋势，提高对数字焊机焊接性能的研究水平，需要对数字焊机的焊接性能进行试验和研究。本研究重点介绍数字焊机管线钢埋弧焊工艺的数学模型建立及其工艺参数优化方案，并以中石化集团所属钢管公司的实际生产为例验证该数学模型，从而优化设计出数字焊机埋弧自动焊焊接规范以及焊接工艺参数。1数学模型建立1.1模型概述本数学模型首先通过焊接电流、电压、焊接速率等工艺参数并结合钢管本身厚度等参数计算焊接工艺中焊缝面能量Q，在焊缝面能量满足条件的情况下，通过焊接坡口、工艺参数及焊接试验数据等计算焊缝重合量e及焊缝余高，同时结合焊缝面能量、焊缝重合量及焊缝余高的取值范围进行综合分析，建立埋弧焊工艺规范数学模型14，其中焊缝面能量的取值范围为100 J/mm2 d1/(2tan1)，d/(2tan1)，C1)（5）式中：H1焊缝熔深，mm；h1平板熔深，mm；C1焊缝坡口高度，mm；1焊缝坡口角度，（）；d1焊缝一丝焊丝直径，mm；ifexcel中的数学函数。当坡口需要先预焊再进行焊接时，焊缝熔深可根据公式（6）计算得出H2=h2+C2-if(C3 d2/(2tan2)，C3，d2/(2tan2)（6）式中参数含义与公式（5）相同，只是数学函数不同，且公式（6）中的符号所表示的参数与图2中的坡口参数相对应。根据实际工况，内外焊重合量e的取值范围为1.53.0 mm；当计算结果不满足要求时，需要调整焊接工艺参数，重新进行焊接面能量和焊缝重合量的计算。1.3焊缝余高的优化传统表面圆冠形焊缝面积S的计算公式为S=2/3B（7）式中：S焊缝面积，mm2；B焊缝宽度，mm；焊缝余高，mm。由公式（7）可知，B与的乘积与表面积S成正比。为进一步验证公式（7）的适用性，进行现场试验，记录试验数据共计122组，所有试验数据经拟合后如图5所示。根据图5，经过回归分析得到实际焊缝面积S的计算方法为S=0.21+0.638 8B（8）根据公式（8）可以得到直缝圆冠形焊缝余高的计算方法为图3试样焊缝酸洗后宏观形貌图4-20 在不同焊接工艺下焊缝冲击功图5所有数据拟合后的S-B曲线 44第3期李慧等：数字焊机埋弧焊接工艺参数优化HAN GUAN =(G/(0.007 85v)-C2tan-0.21+C3(C3-0.5)tan)/(0.638 8B)（9）式中：焊缝余高，mm；G焊缝单位时间熔敷金属量，g/min；v焊接速度，mm/min；C焊缝坡口深度，mm；C3预焊高度，mm，当无预焊时C3=0；焊接坡口角度，（）；B焊缝宽度，mm。在理论计算时，焊缝宽度 B=11.42+0.654t，在进行实测时，代入焊缝宽度实测值能计 算局部余高。单位时间熔敷金属重量G计算方法如下：Gi=exp(11.198+3.529lnI-0.146(lnI)2-0.117lnU+0.163lnP-0.478(lnP)2+0.183lnZ+0.602lnK-0.021lnF)（10）式中：K多丝焊系数，K=（1+if（i1，Ii/I1，0），i=1，2n，Ii表示第i丝的电流。当 0.5 mm 2.0 mm 时，对应的焊接工艺符合要求。根据计算的这3个参数，综合分析这些参数的取值范围，优化设计出数字焊机埋弧自动焊焊接规范以及焊接工艺参数。但在实际生产过程中，管体加工成形涉及多个岗位，从铣边、预弯、成型、预焊、预焊精整，这些岗位的操作工艺都对内外焊的焊缝形貌和内在质量有明显的影响。因此，在理论计算时，需要对各个岗位的参数进行简化，纳入到具体的公式中进行计算，从而建立数学模型。2数学模型验证建立了数学模型并计算获取相关试验参数后，通过生产实践案例对建立的数学模型进行验证，进一步证明该模型在焊接工艺优化方面的可行性。设备采用林肯AC/DC 1000SD数字焊机及配套设备，前丝采用直流，后丝采用交流方波9，交流间采用90相位角。采用 1 016 mm30.4 mm L485M 直缝钢管和 610 mm9 mm L450M 直缝钢管进行试验验证。1 016 mm30.4 mm钢管先进行预焊，预焊高度为6.0 mm，再分别进行1道次内4丝埋弧焊和1道次外4丝埋弧焊，焊速均为1.10 m/min，焊丝直径均为4 mm，钝边为9.5 mm；610 mm9 mm钢管分别通过 1道次内 3丝埋弧焊、1道次外 3丝埋弧焊进行焊接，焊速均为 1.50 m/min，焊丝直径均为3 mm，钝边为4.0 mm。焊接所用占空比和电流偏置均为 1，频率为 120200 Hz。内焊和外焊采用的焊接工艺以及焊接坡口参数见表3。以1 016 mm30.4 mm管线钢为例进行计算，首先计算外焊的焊接面能量Q，将对应数据带入公式（1），得到Q=210 J/mm2，Q220 J/mm2，满足规范要求，其值属于适用数值。其次计算焊缝重合量e，先计算内外焊熔深H1和H2；将表3及文中的相关数据代入公式（5）、公式（6）分别计算得到，内焊熔深H1=16.8 mm，外焊熔深 H2=16.4 mm。焊缝重合量 e=2.8 mm，而根据规范要求，焊缝重合量的取值范围为1.5 mm e 3.0 mm，因此，e也属于适用数值。最后计算焊缝余高，先计算焊缝单位时间焊丝熔敷量 G，将表 3 及文中的相关数据代表3内外焊焊接电流/电压及