管道閃光焊接控制系統(tǒng)及工藝

張雪瑩，高世一，郭春富，劉正林，房衛(wèi)萍

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510650）

管道閃光焊接控制系統(tǒng)及工藝

張雪瑩，高世一，郭春富，劉正林，房衛(wèi)萍

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510650）

從閃光焊機的原理和控制入手，系統(tǒng)介紹K584Ch閃光焊機的硬件和軟件組成，并采用開發(fā)的閃光焊接工藝對20G管材進行焊接試驗，充分認識閃光焊接的設(shè)備及工藝特點，指出目前存在的問題和缺陷，促進該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

閃光焊接；管道焊接；控制系統(tǒng)

0 前言

閃光焊接技術(shù)具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接周期短、無焊劑焊接等優(yōu)點，主要應(yīng)用于板材及管材焊接，其中管道閃光焊接技術(shù)在國際上已經(jīng)發(fā)展為較成熟的焊接技術(shù)。管道閃光焊接在國內(nèi)油氣輸送、石油化工、電力能源、海洋工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

在國內(nèi)，閃光焊接技術(shù)研究主要集中在鐵軌閃光焊接技術(shù)的焊機及工藝開發(fā)上，閃光焊接技術(shù)已普遍應(yīng)用于鐵軌焊接，但是管道閃光焊接技術(shù)在國內(nèi)處于起步階段。為了填補國內(nèi)管道閃光焊接裝備及技術(shù)空白，中國-烏克蘭巴頓焊接研究院從巴頓焊接研究所引進了K584Ch閃光焊機，為管道閃光焊技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用推廣打下了基礎(chǔ)[2]。

1 管道閃光焊接工藝過程

閃光焊接工藝過程主要分為閃光、頂鍛、保壓、清渣等階段，其中閃光和頂鍛是形成焊接接頭的關(guān)鍵階段。

（1）閃光階段。

在閃光階段中，管道接通電源后使兩管道端口進行輕微接觸，形成多接觸點，多接觸點通過大密度電流時會產(chǎn)生大量的熱，將觸電瞬間熔化形成連接兩焊件端面的液體過梁，過梁爆破即產(chǎn)生閃光。閃光過程中的過梁爆破可將焊件端面上的夾雜物質(zhì)隨液態(tài)金屬一起拋出，同時爆破產(chǎn)生的金屬蒸汽和其他氣氛形成保護氣氛，減少端面氧化，提高焊接質(zhì)量，所以閃光過程需要強烈而穩(wěn)定，不能發(fā)生短路和斷路現(xiàn)象。在閃光過程中隨著工件逐漸變短和端頭溫度的逐漸升高，過梁的爆破速度會逐漸加快，動夾具的推進速度也須對應(yīng)加大。閃光階段如圖1所示。

圖1 焊接過程中的閃光階段Fig.1Flashing stage in the process of welding

（2）頂鍛階段。

閃光階段的后期，管道端口會形成液體金屬層對焊件施加頂鍛力，使燒化端面緊密接觸并產(chǎn)生一定的塑性變形，促使再結(jié)晶形成牢固的接頭。頂鍛階段需要提供足夠大的頂鍛速度和頂鍛力，以及頂鍛速度能夠排除氧化物和液態(tài)金屬，足夠大的頂鍛力可以使接頭產(chǎn)生應(yīng)有的塑性變形。但是過大變形量不僅會增大毛刺，還會引起層狀撕裂等缺陷。

（3）保壓和清渣階段。

閃光頂鍛之后的保壓可以使焊件保持良好的連接狀態(tài)。保壓時間過短，不利于形成優(yōu)質(zhì)焊接接頭，焊件易變形；保壓時間過長，焊件不具有塑性，不利于后續(xù)清渣。清渣的作用是保證焊接接頭的形狀，防止毛刺的存在形成應(yīng)力集中，清渣在保壓程序之后，在焊件還在塑性的情況下將多余毛刺推掉，清渣動作需及時準確。焊接完成尚未清渣階段如圖2所示。

圖2 焊接完成（未清渣）Fig.2Welding is finished（Do not yet clear slag）

2 管道閃光焊機的控制系統(tǒng)

K584Ch閃光焊機為懸掛式，可連續(xù)閃光焊接最大截面積14 000 mm2的管道，焊接管道外部直徑114～325 mm，不同直徑的管材通過更換電極實現(xiàn)焊接。機械系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，通過伺服閥精確控制頂鍛油缸行程，完成焊接過程的熔化、閃光、頂鍛、休止和清渣等動作。變壓器采用交流焊接變壓器，具有成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點，適合于車間、工程現(xiàn)場等不同場合的管道焊接。監(jiān)測系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器采集各個參數(shù)完成記錄工作，數(shù)據(jù)上傳至工控機，便于數(shù)據(jù)調(diào)用及分析。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1焊接電源結(jié)構(gòu)

閃光焊接工藝電壓分為激發(fā)閃光、穩(wěn)定閃光和加速閃光三個階段，如圖3所示。在激發(fā)閃光階段采用高壓電源，高壓電源的輸出有利于激起閃光，該階段采用最大輸出功率使管道迅速加熱，縮短焊接時間，節(jié)約焊接成本。為了保證閃光的連續(xù)、穩(wěn)定，穩(wěn)定閃光階段和加速閃光前期電源電壓采用低電壓，低電壓可以使焊接接頭斷面的加熱均勻，形成質(zhì)量較好的焊接接頭。管道加速閃光中后期時，端部加熱區(qū)已形成一定寬度，需要以激烈而又穩(wěn)定的閃光營造保護氣氛，避免鋼軌端面的液態(tài)金屬膜被氧化而產(chǎn)生焊接缺陷，焊接電壓恢復(fù)到高電壓。頂鍛階段也是在高電壓下進行。

為了滿足焊接工藝需求，K584Ch焊機包含一個主變壓器和兩個焊接變壓器。主變壓器向兩個并聯(lián)的焊接變壓器供電。主變壓器輸入電壓380 V，輸出變壓300～440 V，可通過連接不同接線柱改變二次側(cè)線圈數(shù)實現(xiàn)6種二次電壓輸出。焊接中通過控制大型交流接觸器KM1和KM2切換主變壓器高低壓一次側(cè)線圈實現(xiàn)高低壓輸出。K584Ch焊接變壓原理如圖4所示。為了在焊接區(qū)獲得足夠熱量，變壓器提供的二次電流極大，所以變壓器二次繞組采用強制水冷。焊接焊鉗在二次回路上，為防止擊穿，焊接變壓器的一、二次側(cè)間的耐壓及一次側(cè)對地耐壓要求極高，設(shè)置了保護電路。

圖3 焊接過程電壓變化曲線Fig.3Curve of voltage change in the process of welding

圖4 焊接變壓原理Fig.4Schematic of welding transformer

2.1.2液壓控制系統(tǒng)

K584Ch焊機的機械圖和液壓系統(tǒng)原理如圖5、圖6所示。C1和C2是焊接設(shè)備加緊油缸，為管道加緊機構(gòu)提供動力，固定焊接過程中管道位置。C3和C4為焊接設(shè)備的頂鍛油缸，為夾具的進給、后退及頂鍛等動作提供動力。在焊接過程中頂鍛油缸的行走由伺服閥SSV3精確控制，蓄能器NC為液壓系統(tǒng)快速供油，可在瞬間提高壓力，滿足快速頂鍛的速度要求。

圖5 管道閃光焊焊機機械Fig.5Machine drawing of the pipeline butt welding machine

當運行程序開始，按下控制面板的開始鍵，可編程控制器按程序控制換向閥DV6的YA7線圈得電，壓力油進入各油路，準備接受各動作指令。當換向閥DV1的YA2線圈得電，夾緊油缸C1和C2活塞腔連接進油路，活塞桿腔連接回油路，油缸桿伸出，夾緊機構(gòu)下窄上寬，夾具呈夾緊狀態(tài)。當換向閥DV1的YA1線圈得電，夾緊油缸C1和C2活塞腔桿連接進油路，活塞腔連接回油路，油缸桿縮回，夾緊機構(gòu)上窄下寬，夾具呈松開狀態(tài)。此時，若換向閥DV2的YA3線圈得電時，C1夾具夾緊，C2夾具松開，若換向閥DV2的YA4線圈得電時，C1夾具松開，C2夾具夾緊。伺服閥SSV3左端得電，壓力油進入C3和C4桿腔，伺服閥控制進入桿腔的壓力油量以控制夾具的行進速度。換向閥DV4的YA5線圈得電，蓄能器可提供快速壓力油流量，兩夾具迅速靠攏，實現(xiàn)頂鍛。換向閥DV4的YA8線圈得電，C3和C4活塞腔連接油路，實現(xiàn)兩夾具分離動作①巴頓焊接研究所．K584Ch型管道閃光焊接設(shè)備手冊[M]．2013：3-14．。

2.1.3電氣控制系統(tǒng)

K584Ch焊機的控制系統(tǒng)由各開關(guān)量、各參數(shù)傳感器、可編程控制器、工控機、電磁閥、交流繼電器、電機、伺服控制閥及指示燈等組成，采集的信號分為模擬信號和數(shù)字信號，系統(tǒng)中的邏輯和順序控制采用羅克韋爾控制器完成，采用以下模塊：CPU處理器模塊1747-L532；1746-P3：4VDC，3.6 A電源；模擬量輸入模塊1746-IB16；模擬量輸入輸出模塊1746-NI18；數(shù)字量輸出模塊1746-OW16；模擬輸出模塊1746-NO4V。

圖6 液壓系統(tǒng)原理Fig.6Schematic diagram of hydraulic system

可編程控制器通過電流傳感器和電壓電路采集焊接過程中焊接變壓器的電流及電壓的模擬量數(shù)據(jù)，通過位移傳感器和壓力傳感器采集夾具的位置及壓力數(shù)據(jù)。電壓、電流、位移、壓力等數(shù)據(jù)通過模擬輸入模塊采集到可編程控制器，可編程控制器將數(shù)據(jù)上傳至工控機，以圖表形式記錄保存，方便操作人員查看實驗數(shù)據(jù)。同時，可編程控制器將采集到的數(shù)據(jù)進行邏輯運算，運算結(jié)果通過模擬輸出模塊輸送給伺服控制閥，形成負反饋的閉環(huán)控制，伺服控制閥根據(jù)指令驅(qū)動頂鍛油缸調(diào)節(jié)夾具位置，實現(xiàn)控制焊接過程中管道的位置及運行速度，將管道接頭的焊接電流控制在工藝要求范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。焊接電源、控制面板、液壓元件、冷卻系統(tǒng)等各部分的開關(guān)量由數(shù)字模塊采集，經(jīng)可編程控制器進行邏輯運算后，數(shù)字輸出模塊根據(jù)指令控制電磁閥、交流繼電器、電機及指示燈等。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7Control system structure

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1焊接工藝控制原理

為了保證激發(fā)閃光焊接階段的大功率輸出，焊接階段對電流實時監(jiān)測。可將焊接過程中的焊接電流設(shè)定為閃光電流If、基準電流I0和回拉極限電流Ir、夾具最大進給速度v1和最大回拉速度v2。當焊接電流小于閃光電流If時，夾具以最大進給速度v1前進；隨著管道之間距離的減小，管道之間會有微小的接觸，電流值I逐漸上升，當電流值I大于閃光電流If且未達到基準電流I0時，進給速度v會隨著電流值的增加而減小。當焊接電流值I大于基準電流I0且小于回拉極限電流Ir時，閃光程度已經(jīng)較劇烈，為保證焊接質(zhì)量，夾具開始回拉，回拉速度v隨著焊接電流值I的增大而增大；當焊接電流值I大于回拉極限電流Ir時，夾具以最大回拉速度v2回拉，其過程如圖8所示。夾具的回拉可以有效控制過梁爆破，若閃光爆破過于劇烈會形成較大的坑，在閃光后期不能被新的液態(tài)金屬填充，易形成焊接缺陷。夾具的進給和回拉通過可編程控制器控制，其控制關(guān)系滿足

式中If為閃光電流（單位：A）；I0為基準電流（單位：A）；Ir為回拉極限電流（單位：A）；I為焊接電流值（單位：A）；v1為最大進給速度（單位：mm/s）；v2為最大回拉速度（單位：mm/s）；v為夾具運動速度（單位：mm/s）。

圖8 夾具運行速度與電流之間的關(guān)系Fig.8Speed of holder vs.the current

2.2.2焊接工藝控制程序

閃光焊接控制程序如圖9所示。為了便于程序的編寫和維護，程序采用模塊化。主程序分為初始化程序、參數(shù)設(shè)置程序、空載運行程序、試運行程序、焊接程序、保壓程序、清渣程序和數(shù)據(jù)存儲程序。

初始化程序中賦值各模擬輸入通道，設(shè)定位移傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、輸入壓力傳感器以及輸出傳感器的輸入輸出范圍，確保設(shè)備在正常范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。

K584Ch焊機根據(jù)管道運行速度可將閃光焊接過程分為9個階段，其中第1階段為激發(fā)閃光階段，第2階段為穩(wěn)定加速，第3～7階段為加速閃光階段，第8階段和第9階段分別為頂鍛階段和保壓階段。參數(shù)的設(shè)置在工控機的人機界面設(shè)定，分別對8個階段的燒化量進行設(shè)置。管道初始位置和管道端口位置的計算為后續(xù)焊接工作提供初始位置信息。

焊接程序框圖如圖9～圖11所示。其中，空載運行是設(shè)備在管道沒有實際接觸的前提下進行焊接過程的運行。進入焊接階段后，夾具開始根據(jù)可編程控制器指令移動。夾具移動的位移作為判斷焊接程序進入具體階段的依據(jù)，不同焊接階段的夾具以不同的速度移動。在激發(fā)閃光階段（見圖10）和穩(wěn)定閃光階段（見圖11），夾具根據(jù)電流的大小確定運行方向和速度，加速閃光階段的夾具以特定恒速度運行。當加速閃光階段結(jié)束后，夾具迅速靠攏進入頂鍛階段。保壓結(jié)束后設(shè)備存儲實驗數(shù)據(jù)，焊接過程結(jié)束。

K584Ch閃光焊機支持人機界面，可在焊接過程結(jié)束后調(diào)取實驗數(shù)據(jù)，但不支持在線監(jiān)測數(shù)據(jù)模式，只可調(diào)取時間與焊接數(shù)據(jù)的關(guān)系圖表，數(shù)據(jù)讀取困難，不利于焊接數(shù)據(jù)的精準讀取及工藝分析。

3 焊接工藝試驗

20G高壓鍋爐管屬于亞共析鋼，具有較好的中高溫強度、優(yōu)良的組織穩(wěn)定性和較好的塑韌性，其冷熱成型和焊接性能良好，可廣泛應(yīng)用于制造鍋爐管件和流體輸送管道。對外徑φ219 mm、壁厚16 mm的20#鋼管，采用K584Ch管道閃光焊機進行焊接試驗，焊接過程包括9個階段，工藝參數(shù)如表1所示。

3.1 焊接接頭質(zhì)量檢測

采用X射線對焊接接頭進行質(zhì)量檢測，檢測設(shè)備為XXG-3005/XXH-3005型X射線檢測儀，檢測方法遵照JB/T4730.2-2005進行。檢測結(jié)果表明，所檢測的5組焊縫試樣全部達到B類焊縫的合格要求，焊縫中不存在裂紋、未熔合、未焊透和條形缺陷等，最終評定焊縫質(zhì)量等級為Ⅰ級。焊接接頭處材料的金相顯微組織如圖12所示，可以看出，母材組織基本為鐵素體和珠光體，熱影響區(qū)（HAZ）存在粗晶區(qū)和細晶區(qū)，粗晶區(qū)主要為塊狀鐵素體和少量珠光體組織，另外有一定量的魏氏組織+鐵素體-珠光體混合分布，細晶區(qū)則主要為晶粒細小的塊狀鐵素體和少量珠光體組織混合分布，并具有輕微帶狀組織分布形態(tài)。

圖9 閃光焊接控制程序流程Fig.9General flow chart of control in flash weldingq

3.2 焊接接頭硬度

按照國標GBT/4342-1991測試焊接接頭處材料顯微硬度，測試設(shè)備為HX-1000TM型維式硬度計，載荷5 kg，加載時間15 s，測試點位置如圖13所示。

硬度測試結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，母材區(qū)的硬度值高于熱影響區(qū)，從母材區(qū)向熱影響區(qū)過渡時，先出現(xiàn)硬度值的增加，隨后逐步降低，但在接近焊縫時，硬度值又開始升高，在焊縫處出現(xiàn)一個硬度的極小值。從母材到焊縫，材料微觀組織經(jīng)歷了母材組織、熱影響細晶區(qū)、熱影響粗晶區(qū)及焊接區(qū)組織幾個階段，對材料的性能造成了影響，使這一區(qū)域的硬度值呈波動變化，焊縫處的硬度值較母材偏低，說明其韌塑性較理想，這是管道閃光焊接接頭的性能優(yōu)勢。

圖10 子程序1—激發(fā)閃光階段Fig.10Subroutine 1—The stage of motivate flash

圖11 子程序2—穩(wěn)定閃光階段Fig.11Subroutine 2—The stage of stabilize flash

表1 20G管道閃光焊接工藝參數(shù)Tab.1Process parameters of 20G pipeline by flash butt welding

3.3 焊接接頭抗拉強度

按照國標GB/T228.1-2010測試焊接接頭的抗拉強度，測試樣品尺寸25mm×15mm，測試溫度18℃，測試結(jié)果如表2所示，20G鋼母材的抗拉強度為478 MPa，實驗數(shù)據(jù)表明閃光焊接接頭的強度接近于母材強度。

表2 焊接接頭抗拉強度測試結(jié)果Tab.2Tensile strength of the welded joints by flash butt welding

圖12 焊接區(qū)金相顯微組織Fig.12Metallographic microstructure of welding area

圖13 焊接接頭處硬度測試點位置示意Fig.13Schematic diagram of hardness testing

圖14 焊接接頭處材料硬度測試曲線Fig.14Hardness distribution in the weld zone of 20G

4 結(jié)論

閃光焊接工藝過程包括閃光、頂鍛、保壓、清渣等階段，烏克蘭引進的K584Ch閃光焊機的硬件系統(tǒng)包括焊接電源、液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)，其上位機可對重要焊接工藝參數(shù)進行設(shè)置、存儲與調(diào)用。采用九段法閃光焊接工藝焊接20G管材，焊接接頭質(zhì)量良好，微觀組織及顯微硬度從焊縫向母材存在過渡和變化，焊縫接頭抗拉強度接近母材強度，具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前引進的原裝閃光焊機人機操作界面不友好，焊接參數(shù)提取困難，在國產(chǎn)化進程中需加大相關(guān)研發(fā)力度。

[1]夏欣.閃光焊接技術(shù)及其在管道建設(shè)中的應(yīng)用[J].油氣儲運，2000，19（6）：23-27.

[2]高世一，房衛(wèi)萍.K584Ch管道閃光焊機及焊接工藝[J].熱加工工藝，2014，43（7）：167-170.

Technology and control system of pipeline flash butt welding

ZHANG Xueying，GAO Shiyi，GUO Chunfu，LIU Zhenglin，F(xiàn)ANG Weiping
（Guangdong Academy of Science Guangdong Welding Institute（China-Ukraine E.O.Paton Institute of Welding），Guangdong Province Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Guangzhou 510650，China）

The hardware and software of K584Ch flash welder are introduced from the theory and control requirements of flash butt welding,and the welding experiment of 20G pipeline steel is carried out by the newdeveloped flash butt welding technology.The purpose of this paper is to fully understand the advantages and disadvantages of flash butt welding technology and finally promote the development ofthis technology.

flash butt welding；pipeline welding；control system

TG457.6

A

1001－2303（2016）06－0027-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.06

2016-04-05；

2016-05-11

國家國際科技交流與合作（2011DFB70050）；廣東省重點實驗室建設(shè)項目（2012A061400011）；廣東省對外科技合作專項（2012B050100014）及（2013B050800029）；廣州市國際科技交流與合作專項（2012J5100049）

張雪瑩（1987—），女，吉林人，碩士，主要從事閃光焊接裝備及技術(shù)、激光焊接與焊縫在線跟蹤及檢測等方面的科研工作。