介紹了雙層卷焊管生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)組成，重點(diǎn)分析了生產(chǎn)工藝中卷管成型和釬焊等關(guān)鍵工序，并對(duì)生產(chǎn) 線中關(guān)鍵工藝參數(shù)的檢測(cè)與控制進(jìn)行了研究。
1 連續(xù)式制管生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)組成
雙層卷焊管是由成型機(jī)將雙面鍍有釬料 ( 銅) 的帶鋼沿帶寬方向卷曲 720°，然后通過加熱裝置將 管筒層間焊成一個(gè)整體———鋼管［1］。按成型、釬焊 工序是否連續(xù)進(jìn)行，雙層卷焊管的生產(chǎn)工藝可以分為連續(xù)式和半連續(xù)式。連續(xù)式生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)速 度快，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。如圖 1 所示，該連續(xù)式制管生產(chǎn)線主要由開卷 機(jī)、成型機(jī)組、釬焊爐、冷卻管、牽引機(jī)、矯直輥 系、渦流探傷儀和成卷機(jī)組成。
1 － 開卷機(jī); 2 － 成型機(jī)組; 3 － 釬焊爐; 4 － 冷卻管; 5 － 一次牽引機(jī); 6 － 垂直矯直裝置;
7 － 渦流探傷儀; 8 － 水平矯直裝置; 9 － 二次牽引機(jī); 10 － 氣動(dòng)標(biāo)定裝置; 11 － 成卷機(jī)
圖 1 制管生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
當(dāng)生產(chǎn)線運(yùn)作時(shí)，放置于開卷機(jī)上的雙面鍍銅鋼 帶在牽引力的作用下進(jìn)入成型機(jī)組，由成型輥系卷軋720°形成雙層卷焊管管筒; 再經(jīng)芯棒和輥輪定徑后進(jìn) 入電阻直熱式釬焊爐，管筒層間銅料在 1 200℃ 高溫 下熔化相互滲透，冷卻后牢固結(jié)合在一起; 雙層卷焊 管出爐后在一次牽引機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)入渦流探傷儀，進(jìn) 行焊接質(zhì)量檢測(cè)，缺陷處由標(biāo)定裝置自動(dòng)標(biāo)記; 最后 卷焊管在成卷機(jī)上自動(dòng)成盤。其中牽引機(jī)通過閉環(huán)直 流調(diào)速以保證制管速度的穩(wěn)定和生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。 在進(jìn)行探傷檢測(cè)時(shí)，焊管在前后垂直和水平矯直輪的 作用下形成多個(gè)支點(diǎn)，同時(shí)受到二次牽引裝置的拉力 張緊而不產(chǎn)生抖動(dòng)，保證了渦流探傷的正常進(jìn)行。
2 雙層卷焊管的制造工藝分析
雙層卷焊管的制造工藝可分為開卷、卷管、釬 焊、冷卻、矯直、探傷、成卷等工序。整個(gè)過程是不 間斷連續(xù)完成的，其中，卷管成型質(zhì)量是影響雙層卷 焊管尺寸的關(guān)鍵工序，而釬焊又是影響雙層卷焊管成
型質(zhì)量的關(guān)鍵工序，所以本文重點(diǎn)介紹卷管和釬焊兩 個(gè)工序。
2. 1 卷管成型
在雙層卷焊管的生產(chǎn)中，管筒成型過程是全部生 產(chǎn)工序中最困難也是最重要的一道工序，管筒成型質(zhì) 量的好壞不僅直接影響成品管的尺寸和形狀精度，而 且對(duì)后續(xù)焊接工藝的成敗也有著決定性影響［2］。雙 層卷焊管的卷管成型是通過水平輥與立輥交替布置的 成型機(jī)組完成的，其成型過程如圖 2 所示。
成型機(jī)裝置由坡口輥、成型輥及定徑輥、芯棒及 傳動(dòng)裝置等組成。雙層卷焊管成型示過程可分為 3 個(gè) 階段。
( 1) 軋邊階段。首先在坡口輥的輥軋作用下， 鋼帶邊緣被軋壓成一定角度的坡口，其目的是使雙層 管內(nèi)層、外層能平滑搭接。
( 2) 卷管階段。在第一個(gè)參加主要成型的水平 輥上，將內(nèi)圈按單半徑彎曲，將外圈彎成有一過渡圓角的直角邊; 再以成型的直角邊定位，在立輥和水平 輥的共同作用下，另外一邊逐步沿徑向旋轉(zhuǎn)卷曲形成內(nèi)圈，其剩余部分成型為外圈。此時(shí)并未完全成圓 形。
( 3) 定徑階段。定徑輥與芯棒配合，對(duì)未成形 的管子進(jìn)行二次整形，使內(nèi)外層緊密貼合，成為完整的圓管狀，達(dá)到焊管內(nèi)、外徑基本尺寸要求，并為下 一步的釬焊能順利進(jìn)行提供基礎(chǔ)。
圖 2 雙層卷焊管卷管成型過程
2. 2 釬焊
如圖 3 所示，釬焊裝置主要由加熱區(qū)、焊接區(qū)、壓力輥、保溫冷卻區(qū)、電極等幾部分組成。由成型機(jī) 供給的管筒以一定的速度經(jīng)滑動(dòng)電極進(jìn)入保溫良好的釬焊腔，與滾動(dòng)電極接觸，兩電極間的管筒經(jīng)電極與電源構(gòu)成回路，管子在由滑動(dòng)電極到滾動(dòng)電極的運(yùn)行 過程中，逐漸加熱，到達(dá)正極時(shí)達(dá)到最高溫度即釬焊溫度。這時(shí)不需要對(duì)管筒施加任何外加載荷，由于銅 具有較好的液態(tài)流動(dòng)性和在鋼中的快速擴(kuò)散性，待冷卻后使層間牢固地粘合在一起。其關(guān)鍵是爐內(nèi)溫度的 控制和表面鍍層的防氧化問題，釬焊是在導(dǎo)管內(nèi)的還原氣氛下進(jìn)行的，保護(hù)氣體為氫氣［3，4］。
1 － 被焊管; 2 － 滑動(dòng)電極; 3 － 焊腔保溫筒;
4 － 滑動(dòng)電極支撐桿; 5 － 滾動(dòng)電極
圖 3 釬焊裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
鋼管從釬焊爐加熱區(qū)段出來后進(jìn)入冷卻區(qū)，并在 保護(hù)氣氛下進(jìn)行爐內(nèi)冷卻，這時(shí)層間與表面的銅層開 始凝固。鋼管在冷卻區(qū)出口處表面溫度要降到 100℃ 左右才能出爐，這樣可以避免鍍銅層因接觸空氣而發(fā) 生氧化變色 ( 銅的氧化溫度約 350℃ ) 。采用爐冷— 空冷—水冷的冷卻方式可以確保成品管的退火質(zhì)量。
3 工藝參數(shù)的檢測(cè)與控制
3. 1 工藝參數(shù)
為滿足雙層卷焊管的尺寸精度及表面質(zhì)量要求，提升產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和使用性能，降低廢品率，整個(gè) 生產(chǎn)過程對(duì)工藝參數(shù)的控制十分嚴(yán)格，而定徑壓力、釬焊溫度、運(yùn)行速度是控制的重點(diǎn)。
( 1) 定徑壓力。為保證管筒層間緊密貼合，在定徑階段需對(duì)管筒施加一定的定徑壓力，如果定徑壓 力過小則會(huì)降低層間的焊合率，但是如果定徑力過大 不僅會(huì)導(dǎo)致兩層間過大的扭曲變形甚至失穩(wěn)，還會(huì)使芯棒的軸向拉力急劇增加而斷裂。由于受成品管的尺寸限制，芯棒拉桿的截面不能取得很大，尤其在成型 小直徑的雙層卷焊管時(shí)，拉桿的橫斷面積非常小，成為最薄弱的環(huán)節(jié)。
( 2) 釬焊溫度。在加熱區(qū)內(nèi)，卷焊管的溫度由 常溫一直增加到 1 200℃ 以上，并且其在運(yùn)行方向各 點(diǎn)段的電阻值也極不均勻，是一個(gè)變化量，但電阻值與最高溫度有關(guān)。若溫度偏低，管材焊接不牢; 若溫度過高，則管材會(huì)燒斷或者管材表面的銅完全熔化而 向下流淌形成銅瘤。因此保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定是焊接過程的關(guān)鍵。
( 3) 運(yùn)行速度。在溫度一定的情況下，卷管管 徑較小時(shí)，生產(chǎn)線管材運(yùn)行速度相應(yīng)要快一些，不然 會(huì)導(dǎo)致卷管被燒壞。因此不同管徑的卷管對(duì)制管速度的要求是不一樣的。雙層卷焊管生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度控制范圍 10 m / min ～ 27 m / min，成型機(jī)組制管速度 與一次牽引機(jī)、二次牽引機(jī)的牽引速度要匹配，以保證整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行穩(wěn)定，并且一次牽引機(jī)的牽引速 度略大于制管速度，使鋼管處于張緊狀態(tài)。
3. 2 工藝參數(shù)的控制
如圖 4 所示，控制系統(tǒng)由觸摸屏、中央控制器、現(xiàn)場(chǎng)總線、傳感器及執(zhí)行器組成，控制對(duì)象為制管速 度、一次牽引速度、二次牽引速度、芯棒拉力、釬焊溫度。
圖 4 工藝參數(shù)控制框圖
各工藝參數(shù)控制原理如下:
( 1) 芯棒壓力的在線監(jiān)測(cè)。在制管過程中，通 過壓力傳感器將芯棒的拉力數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄幊炭刂蒲b置上，調(diào)節(jié)桿依據(jù)事先確定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過參數(shù)確認(rèn)芯棒的位置，避免了人工調(diào)整芯棒的不確定性。同時(shí)，該裝置對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析，若測(cè)值為零，即 芯棒斷裂時(shí)，立即發(fā)出停車指令，以減少原材料浪費(fèi)，降低廢品率。
( 2) 釬焊溫度的檢測(cè)與控制。生產(chǎn)線啟動(dòng)后，
管材開始自動(dòng)升溫，紅外測(cè)溫探頭將檢測(cè)到的溫度信 號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)反饋給編程控制裝置，經(jīng)編程控制裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸出到顯示屏，同時(shí)控制器將 接收到的溫度與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后控制電力調(diào)整器以調(diào)整電壓大小，使?fàn)t內(nèi)溫度逐漸穩(wěn)定。
( 3) 運(yùn)行速度的檢測(cè)與控制。生產(chǎn)前先設(shè)定工藝速度，生產(chǎn)線啟動(dòng)后將檢測(cè)的速度脈沖信號(hào)反饋給中心控制系統(tǒng)的 PLC，經(jīng) PLC 處理后輸出到變頻器的控制端，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制變頻電機(jī)的速度，使生產(chǎn)線管材運(yùn)行速度自動(dòng)達(dá)到設(shè)定速度并保持穩(wěn)定。
4 小結(jié)
本文對(duì)雙層卷焊管生產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝及其控制參 數(shù)進(jìn)行了研究，為實(shí)現(xiàn)雙層卷焊管生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ).
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作者：張華平 ( 湖北荊大精密鋼管實(shí)業(yè)有限公司，湖北 荊州 430040)
收稿日期: 2011-04-02; 修回日期: 2011-05-30
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