等離子切割系統(tǒng)在螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組中的應(yīng)用

劉海鵬 劇樹(shù)生 李利利 楊亭亭

1.概述

螺旋焊管制造業(yè)是將鋼帶按一定的螺旋線(xiàn)的角度卷成管，然后將管縫焊接制成鋼管，當(dāng)鋼管長(zhǎng)度達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)（8～12m），需要將鋼管從連續(xù)的生產(chǎn)線(xiàn)上切斷。由于鋼管的生產(chǎn)速度較慢（約1.5m/min），所以一般采用氧乙炔火焰切割或等離子切割。

2011年公司從德國(guó)引進(jìn)一套螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組，該機(jī)組生產(chǎn)的螺旋焊管具有管徑大、壁厚大、材質(zhì)高、生產(chǎn)速度快等 特點(diǎn)，例如預(yù)精焊機(jī)組生產(chǎn)φ1219mm×18.4mm、X80的鋼管，鋼管生產(chǎn)速度為8.0m/min，最高可達(dá)12m/min。因此，在鋼管連續(xù)高速的生產(chǎn)過(guò)程中，普通的氧乙炔火焰切割或等離子切割系統(tǒng)就難以完成切割，需要一種新型的鋼管切割系統(tǒng)進(jìn)行鋼管高速生產(chǎn)過(guò)程中的切割。

2.技術(shù)難點(diǎn)

由于鋼板材質(zhì)、壁厚等因素，必然會(huì)影響鋼管的切割速度與質(zhì)量。預(yù)精焊機(jī)組預(yù)焊生產(chǎn)鋼管速度非常快，以及現(xiàn)場(chǎng)一些設(shè)備自身的限制，在保證鋼管正常連續(xù)生成的前提下，如何高質(zhì)量的完成在線(xiàn)切割成為首要解決的難題。此外，在高速切割過(guò)程中精確運(yùn)動(dòng)控制也顯得尤為重要。

3.引進(jìn)的系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)鋼管高速生產(chǎn)過(guò)程中在線(xiàn)切割，引進(jìn)了一套鋼管切割系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），該系統(tǒng)主要分為等離子和控制設(shè)備兩部分（見(jiàn)圖2），其中等離子設(shè)備采用伊薩的，包括等離子電源系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)及割炬等。等離子電源系統(tǒng)主要為該設(shè)備提供所需的電源。冷卻循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)水循環(huán)給割炬降溫，該系統(tǒng)的循環(huán)水為去離子水。流量控制系統(tǒng)可以根據(jù)切割不同厚度的鋼管，調(diào)節(jié)切割過(guò)程中的切割水、切割氣的流量。在等離子切割中，等離子割炬內(nèi)部的電極與鋼管之間產(chǎn)生弧光放電，將氣體等離子化，進(jìn)而通過(guò)包圍電極的噴嘴，將等離子弧收縮變細(xì)，形成高溫高速的射流，吹到鋼管上進(jìn)行熱熔切割。此時(shí)等離子流溫度超過(guò)20 000℃，其速度達(dá)到3 000m/s。

圖1 預(yù)精焊機(jī)組的鋼管切割系統(tǒng)

圖2 控制設(shè)備

控制設(shè)備由西門(mén)子PLC、控制從站、力士樂(lè)伺服驅(qū)動(dòng)器以及人機(jī)界面等組成。西門(mén)子PLC與控制從站通過(guò)力士樂(lè)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子設(shè)備的精確運(yùn)動(dòng)控制，保證鋼管高速生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量切割。人機(jī)界面可以調(diào)整機(jī)器參數(shù)以便實(shí)現(xiàn)對(duì)各種鋼管的切割，此外HMI還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，并在一些意外狀況發(fā)生的時(shí)候能夠加以處理。

4.應(yīng)用情況

（1）優(yōu)點(diǎn) 該套等離子切割系統(tǒng)需要根據(jù)鋼板的厚度確定要使用的切割耗件、切割電流以及切割速度，在人機(jī)界面上通過(guò)遠(yuǎn)程控制設(shè)定等離子電源系統(tǒng)的切割電流以及割炬的切割速度。例如，在切割規(guī)格φ1 219mm×18.4mm鋼管時(shí)，選擇340A的電極和噴嘴，從而確定切割速度為2 800mm/min，該速度可以根據(jù)實(shí)際的切割質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。雖然等離子切割速度比較快，但是該切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鋼管生產(chǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度，為此采用一個(gè)環(huán)狀切割裝置，當(dāng)生產(chǎn)的鋼管長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，該裝置在西門(mén)子PLC以及伺服驅(qū)動(dòng)器的精確控制下夾住鋼管，從而帶動(dòng)切割小車(chē)跟隨鋼管等速前行，與此同時(shí)PLC控制等離子切割給予起弧命令，起弧后割炬圍繞鋼管旋轉(zhuǎn)，通過(guò)控制割炬的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)等離子切割系統(tǒng)對(duì)鋼管的在線(xiàn)切割。當(dāng)鋼管切割完畢后，PLC控制夾管裝置松開(kāi)鋼管，切割小車(chē)回到起始位置，等待下一次切割。這樣就能在保證鋼管正常生成的前提下，實(shí)現(xiàn)了高速高質(zhì)量的在線(xiàn)切割。

該系統(tǒng)完全采用PLC程序控制，自動(dòng)化程度高，整個(gè)切割循環(huán)過(guò)程中，只需要設(shè)定好切割速度與鋼管長(zhǎng)度，切換到自動(dòng)模式，系統(tǒng)就可以在PLC的控制下進(jìn)行自動(dòng)切割。該系統(tǒng)還具備故障預(yù)警與故障診斷的功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，人機(jī)界面會(huì)提示出故障點(diǎn)，這就大大縮短了設(shè)備維護(hù)人員故障排查時(shí)間。

在使用中，該等離子系統(tǒng)切割規(guī)格φ1219mm×18.4mm鋼管時(shí)的切口寬度大約為3mm，其切割的切口表面質(zhì)量如圖3所示。從圖3可以看出，該等離子系統(tǒng)切割鋼管的切口表面非常光滑，完全滿(mǎn)足鋼管生產(chǎn)需要。此外，該套等離子切割系統(tǒng)基本上沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)口（見(jiàn)圖4）。

圖3 實(shí)際切割的切口表面

圖4 實(shí)際切割的錯(cuò)口

（2）不足及改進(jìn)情況 在實(shí)際的使用過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)該等離子系統(tǒng)在切割過(guò)程中，起弧點(diǎn)穿孔過(guò)程中粘附的氧化物熔渣較多，這樣在等離子割炬回到起弧點(diǎn)時(shí)，可能造成割嘴與氧化物熔渣的碰撞，會(huì)損壞割嘴，大大降低耗件的使用壽命。通過(guò)觀察分析切割過(guò)程，發(fā)現(xiàn)穿孔中產(chǎn)生的氧化物熔渣量與起弧后的穿孔時(shí)間有關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，找到了氧化物熔渣最少的起弧后的最優(yōu)穿孔時(shí)間，通過(guò)調(diào)整PLC程序設(shè)定最優(yōu)穿孔時(shí)間后，起弧點(diǎn)穿孔過(guò)程中粘附的氧化物熔渣量明顯減少。該最優(yōu)穿孔時(shí)間并非為定值，它與切割鋼板厚度相關(guān)。

此外，我們還發(fā)現(xiàn)在鋼管切割過(guò)程中在切割斷口處會(huì)出現(xiàn)掛渣現(xiàn)象，為此，我們采用調(diào)整切割氣體流量的方法，使鋼管在切割過(guò)程充分燃燒，從而減少了切割斷口處的掛渣。在實(shí)際切割過(guò)程中，調(diào)整后的等離子切割系統(tǒng)，無(wú)論是在起弧點(diǎn)穿孔過(guò)程中粘附的氧化物熔渣量，還是在切割斷口處的掛渣量，相比以前都有了較為明顯的減少。

5.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組引進(jìn)的高速等離子切割系統(tǒng)進(jìn)行了初步探討，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)，分析了該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不足做出了相應(yīng)的改進(jìn)。該鋼管切割系統(tǒng)具有切割速度快、切割質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組高速生產(chǎn)過(guò)程中，該系統(tǒng)能夠完成鋼管的高速在線(xiàn)切割。