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双层卷焊管生产工艺及其工艺参数控制的研究

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介绍了双层卷焊管生产线的结构组成,重点分析了生产工艺中卷管成型和钎焊等关键工序,并对生产 线中关键工艺参数的检测与控制进行了研究。

1 连续式制管生产线的结构组成

双层卷焊管是由成型机将双面镀有钎料 ( 铜) 的带钢沿带宽方向卷曲 720°,然后通过加热装置将 管筒层间焊成一个整体———钢管[1]。按成型、钎焊 工序是否连续进行,双层卷焊管的生产工艺可以分为连续式和半连续式。连续式生产线结构紧凑,生产速 度快,容易实现自动控制。如图 1 所示,该连续式制管生产线主要由开卷 机、成型机组、钎焊炉、冷却管、牵引机、矫直辊 系、涡流探伤仪和成卷机组成。

图 1   制管生产线结构简图

1  开卷机;  2  成型机组;  3  钎焊炉;  4  冷却管;  5  一次牵引机;  6  垂直矫直装置;

7  涡流探伤;  8  水平矫直装置;  9  二次牵引机;  10  气动标定装置;  11  成卷

 1   制管生产线结构简图

当生产线运作时,放置于开卷机上的双面镀铜钢 带在牵引力的作用下进入成型机组,由成型辊系卷轧720°形成双层卷焊管管筒;  再经芯棒和辊轮定径后进 入电阻直热式钎焊炉,管筒层间铜料在 1 200℃ 高温 下熔化相互渗透,冷却后牢固结合在一起;   双层卷焊 管出炉后在一次牵引机的带动下进入涡流探伤仪,进 行焊接质量检测,缺陷处由标定装置自动标记;  最后 卷焊管在成卷机上自动成盘。其中牵引机通过闭环直 流调速以保证制管速度的稳定和生产线的连续运转。 在进行探伤检测时,焊管在前后垂直和水平矫直轮的 作用下形成多个支点,同时受到二次牵引装置的拉力 张紧而不产生抖动,保证了涡流探伤的正常进行。

2 双层卷焊管的制造工艺分析

双层卷焊管的制造工艺可分为开卷、卷管、钎 焊、冷却、矫直、探伤、成卷等工序。整个过程是不 间断连续完成的,其中,卷管成型质量是影响双层卷 焊管尺寸的关键工序,而钎焊又是影响双层卷焊管成

型质量的关键工序,所以本文重点介绍卷管和钎焊两 个工序。

2. 1 卷管成型

在双层卷焊管的生产中,管筒成型过程是全部生 产工序中最困难也是最重要的一道工序,管筒成型质 量的好坏不仅直接影响成品管的尺寸和形状精度,而 且对后续焊接工艺的成败也有着决定性影响[2]。双 层卷焊管的卷管成型是通过水平辊与立辊交替布置的 成型机组完成的,其成型过程如图 2 所示。

成型机装置由坡口辊、成型辊及定径辊、芯棒及 传动装置等组成。双层卷焊管成型示过程可分为 3 个 阶段。

( 1)  轧边阶段。首先在坡口辊的辊轧作用下, 钢带边缘被轧压成一定角度的坡口,其目的是使双层 管内层、外层能平滑搭接。

( 2)  卷管阶段。在第一个参加主要成型的水平 辊上,将内圈按单半径弯曲,将外圈弯成有一过渡圆角的直角边;  再以成型的直角边定位,在立辊和水平 辊的共同作用下,另外一边逐步沿径向旋转卷曲形成内圈,其剩余部分成型为外圈。此时并未完全成圆 形。

( 3)  定径阶段。定径辊与芯棒配合,对未成形 的管子进行二次整形,使内外层紧密贴合,成为完整的圆管状,达到焊管内、外径基本尺寸要求,并为下 一步的钎焊能顺利进行提供基础。

图 2   双层卷焊管卷管成型过程

 2   双层卷焊管卷管成型过程

2. 2 钎焊

如图 3 所示,钎焊装置主要由加热区、焊接区、压力辊、保温冷却区、电极等几部分组成。由成型机 供给的管筒以一定的速度经滑动电极进入保温良好的钎焊腔,与滚动电极接触,两电极间的管筒经电极与电源构成回路,管子在由滑动电极到滚动电极的运行 过程中,逐渐加热,到达正极时达到最高温度即钎焊温度。这时不需要对管筒施加任何外加载荷,由于铜 具有较好的液态流动性和在钢中的快速扩散性,待冷却后使层间牢固地粘合在一起。其关键是炉内温度的 控制和表面镀层的防氧化问题,钎焊是在导管内的还原气氛下进行的,保护气体为氢气[3,4]。

图 3   钎焊装置结构简图

1  被焊管;  2  滑动电极;  3  焊腔保温筒;

4  滑动电极支撑;  5  滚动电

 3   钎焊装置结构简图

钢管从钎焊炉加热区段出来后进入冷却区,并在 保护气氛下进行炉内冷却,这时层间与表面的铜层开 始凝固。钢管在冷却区出口处表面温度要降到 100℃ 左右才能出炉,这样可以避免镀铜层因接触空气而发 生氧化变色 ( 铜的氧化温度约 350℃ ) 。采用炉冷— 空冷—水冷的冷却方式可以确保成品管的退火质量。

3 工艺参数的检测与控制

3. 1 工艺参数

为满足双层卷焊管的尺寸精度及表面质量要求,提升产品的焊接质量和使用性能,降低废品率,整个 生产过程对工艺参数的控制十分严格,而定径压力、钎焊温度、运行速度是控制的重点。

( 1)  定径压力。为保证管筒层间紧密贴合,在定径阶段需对管筒施加一定的定径压力,如果定径压 力过小则会降低层间的焊合率,但是如果定径力过大 不仅会导致两层间过大的扭曲变形甚至失稳,还会使芯棒的轴向拉力急剧增加而断裂。由于受成品管的尺寸限制,芯棒拉杆的截面不能取得很大,尤其在成型 小直径的双层卷焊管时,拉杆的横断面积非常小,成为最薄弱的环节。

( 2)  钎焊温度。在加热区内,卷焊管的温度由 常温一直增加到 1 200℃ 以上,并且其在运行方向各 点段的电阻值也极不均匀,是一个变化量,但电阻值与最高温度有关。若温度偏低,管材焊接不牢;  若温度过高,则管材会烧断或者管材表面的铜完全熔化而 向下流淌形成铜瘤。因此保证炉内温度的稳定是焊接过程的关键。

( 3)  运行速度。在温度一定的情况下,卷管管 径较小时,生产线管材运行速度相应要快一些,不然 会导致卷管被烧坏。因此不同管径的卷管对制管速度的要求是不一样的。双层卷焊管生产线的生产速度控制范围 10 m / min ~ 27 m / min,成型机组制管速度 与一次牵引机、二次牵引机的牵引速度要匹配,以保证整个生产线的运行稳定,并且一次牵引机的牵引速 度略大于制管速度,使钢管处于张紧状态。

3. 2   工艺参数的控制

如图 4 所示,控制系统由触摸屏、中央控制器、现场总线、传感器及执行器组成,控制对象为制管速 度、一次牵引速度、二次牵引速度、芯棒拉力、钎焊温度。

图 4   工艺参数控制框图

 4   工艺参数控制框图

各工艺参数控制原理如下:

( 1)  芯棒压力的在线监测。在制管过程中,通 过压力传感器将芯棒的拉力数据传输到编程控制装置上,调节杆依据事先确定的参数进行调整,通过参数确认芯棒的位置,避免了人工调整芯棒的不确定性。同时,该装置对实时数据采集分析,若测值为零,即 芯棒断裂时,立即发出停车指令,以减少原材料浪费,降低废品率。

( 2)  钎焊温度的检测与控制。生产线启动后,

管材开始自动升温,红外测温探头将检测到的温度信 号转换成电流信号反馈给编程控制装置,经编程控制装置转换为数字信号后输出到显示屏,同时控制器将 接收到的温度与设定的温度进行比较处理,经转换处理后控制电力调整器以调整电压大小,使炉内温度逐渐稳定。

( 3)  运行速度的检测与控制。生产前先设定工艺速度,生产线启动后将检测的速度脉冲信号反馈给中心控制系统的 PLC,经 PLC 处理后输出到变频器的控制端,通过调节变频器的频率来控制变频电机的速度,使生产线管材运行速度自动达到设定速度并保持稳定。

4 小结

本文对双层卷焊管生产线的关键工艺及其控制参 数进行了研究,为实现双层卷焊管生产线的自动化控制奠定了基础.

参考文献:

1  刘承杰于恩林 . 双层卷焊管的生产研J  技术1994( 5) : 42-44.

2  于恩林赖明道 . 双层卷焊管成型质量的理论分 及实验研J 钢铁1996( 1) : 40-44.

3 米俊 . 双层卷管连续焊接工艺与设J 电焊1994( 1) : 28-30.

4 周湛 . 双层卷焊管焊接过程神经网络自适应控制方D.  石家庄: 河北科技大2009: 5.


作者:张华平  ( 湖北荆大精密钢管实业有限公司,湖北   荆州  430040)  

 收稿日期:  2011-04-02;  修回日期:  2011-05-30

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