CN111872523A - 一种优化数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种优化数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的方法。所述方法按如下步骤进行：1、计算焊接面能量；2、设置数字焊机参数；3、计算平板堆焊熔深h；4、计算内外焊熔深H；5、计算内外焊焊缝重合量e；6、计算焊缝单位时间焊丝熔敷量G；7、计算焊缝余高δ；8、综合分析并兼顾焊缝面能量的取值范围：100J/mm²<Q≤220J/mm²，焊缝余高的取值范围：0.5mm≤δ≤2.5mm，内外焊焊缝重合量的取值范围为1.5mm≤e≤3.0mm，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。该方法通过建立数字焊机的埋弧焊工艺参数的数学模型，对管线钢埋弧焊工艺参数进行优化设计，从而提高了钢管质量，降低了生产成本，提高了效率。

Description

一种优化数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的方法

技术领域

本发明涉及到焊接及钢管焊接领域，特别涉及到一种优化数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的方法。

背景技术

本世纪初以来，油气输送用管线钢钢管生产领域逐渐推广全数字焊机，便于调节和采集焊接参数，提高了焊缝形貌质量，可减少人力陈本，节能降耗，为实现智能化制造工厂做出有力贡献。数字化焊机和数字焊机比较而言，后者更有优势。数字化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，以提高模拟焊机的参数精度，但其焊接质量受到模拟焊机本身器件和控制器件的性能影响，提高效果不明显；数字焊机是全新设计的新型数字型智能埋弧焊机，其结构稳定，寿命长，采用微处理器进行控制，增加新的功能只需要修改软件，不需要增加逻辑电路，代表了埋弧焊机行业的发展方向。但国内专利和文献所描述的数字焊机其实是数字化焊机，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，在市场上还是国外大企业有能力生产和销售数字焊机，比如德国、美国等，但该国外的设备，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。为顺应智能化制造的发展趋势，提高对数字焊机的焊接性能研究水平，需要对数字焊机的焊接性能进行试验和研究，并总结有效的经验。

专利《优化设计管线钢埋弧焊工艺参数的方法》(授权公告号CN 104923892)作为本公司在2015年申请的发明专利，其设计方法具有通用性，但其实际试验数据来源于传统模拟焊机，因此在数字焊机使用时设计的可操作性不强。需要重新试验和归纳整理。

中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司曾德胜在2016年《焊管》第1期发表的《埋弧焊熔深变量的分析》的文章显示，采用统计回归分析方法对埋弧自动焊的平板熔深h和实际内外焊的熔深H进行了分析，主要满足模拟焊机的焊接参数，其中的基本公式仅满足螺旋纯坡口焊接状态。其基本方法不具有专利属性。为降低成产成本、提高生产效率，需针对数字焊机埋弧焊管线钢钢管构建埋弧焊工艺参数的数学模型，实现数字焊机管线钢管钢管埋弧焊工艺参数的优化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用公式计算出焊接面能量、重合量和焊缝余高，并满足设定要求，来确定优化设计数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的方法。本发明所需解决的技术问题是针对数字焊机埋弧焊管线钢钢管构建埋弧焊工艺参数的数学模型，实现数字焊机管线钢管钢管埋弧焊工艺参数的优化设计。

本发明的设计思想是建立熔深、熔化量数学模型，该模型适用于钢级为A-X80的数字化焊机管线钢埋弧焊工艺参数的数学模型，对数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数进行优化设计，实现数字焊机管线钢钢管埋弧焊工艺参数的精确设计，从而提高了钢管质量，降低了生产成本，提高了效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的优化设计方法，所述方法如下进行：

1、计算焊接面能量Q：焊接面能量由下列公式计算

式中Q为焊接面能量，单位为J/mm²；I为外焊焊接电流，单位为安培；U为外焊电弧电压，单位为伏特；V为焊接速度，单位为mm/min，t为钢管壁厚，单位为mm；n为焊枪电极总数；i为焊枪电极序号，i=1,2,3......n。焊接面能量计算出的有效取值范围为100J/mm²<Q≤220J/mm²。

2、设置数字焊机参数：

占空比Z：通用取值范围为25-75%，将通用范围中值定为1，则占空比Z按公式Z=x/0.5进行计算,计算后占空比Z的取值范围为0.5-1.5，式中：x为通用范围值；

电流偏置P：通用取值范围为-25-25%,将通用范围的中间值定为1，则电流偏值P按公式P=x+1进行计算,计算后电流偏值P的取值范围为0.75-1.25，式中：x为通用范围值；

频率：一般取值为20-200HZ，常用频率50-60HZ；一丝采用直流反接设置，用于控制熔深；二丝-n丝用于填充和盖面，采用交流方波设置；

相位角：各电焊机之间的波形相差角度，为了减少各丝之间因电流带来的磁偏吹，一般设置为90°或270°，使得各焊丝能连续稳定焊接。

其他引熄弧参数，如起弧送丝速度、空载电压、回烧时间等主要对引弧和熄弧起作用，不考虑其作用。

3、计算平板堆焊熔深h

在平板上进行埋弧自动焊的熔深公式由以下列公式计算：

h=exp（-0.3+1.075lnI-0.412lnU-0.48lnV-0.04lnP+0.57（lnP）²-0.084lnZ）

其中，h为平板熔深，单位为mm； I为焊接电流，单位为安培；U为电弧电压，单位为伏特；V为焊接速度，单位为mm/min；P=0.75-1.25；Z=0.5-1.5，常用频率f的范围为50-60HZ，在其他非常用频率下的熔深，同样可采用线性回归公式计算得到；

4、计算内外焊熔深H

内外焊熔深因外坡口工艺的不同而有所不同，当单纯对坡口焊接时，焊缝熔深由下列公式计算：

H₁=h₁+C₁-if(C₁>d₁/(2tanɑ₁),d/(2tanɑ₁),C₁)

式中，H₁为焊缝熔深，单位为mm；h₁为平板熔深，具体参数见3中该焊缝一丝的电流和电压，单位为mm；C₁为焊缝坡口高度，单位为mm；ɑ₁为焊缝坡口角度，单位为°；d₁为焊缝一丝焊丝直径，单位为mm，if为excel中的数学函数；

当坡口需要先进行预焊再进行焊接时，焊缝熔深由下列公式计算：

H₂=h₂+C₂-if(C₃>d₂/(2tanɑ₂),C₃,d₂/(2tanɑ₂))

式中，H₂为焊缝熔深，单位为mm；h₂为平板熔深，具体参数见3中该焊缝一丝的电流和电压，单位为mm；C₂为焊缝坡口高度，单位为mm；C₃预焊高度，单位为mm；ɑ₂为焊缝坡口角度，单位为°；d₂为焊缝一丝焊丝直径，单位为mm，if为excel中的数学函数。

5、计算内外焊焊缝重合量e

内外焊焊缝重合量e由下列公式计算：e=H_内+H_外-t

式中，H_内为内焊缝熔深，具体公式根据实际生产情况在H₁和H₂中选择，单位为mm；H_外为外焊缝熔深，具体公式根据实际生产情况在H₁和H₂中选择，单位为mm；t为壁厚，t的取值范围为6≤t≤40，单位为mm，内外焊重合量根据工程实际取值范围为1.5mm≤e≤3.0mm；当设计不满足要求时，需要修改焊接参数，返回步骤1重新进行设计。

6、计算焊缝单位时间焊丝熔敷量G

单根焊丝单位时间熔敷金属重量Gi由下列公式计算:Gi=-exp(-11.198+3.529lnI-0.146(lnI)²-0.117lnU+0.163lnP-0.478(lnP)²+0.183lnZ+0.602lnK-0.021lnF)

式中，Gi为焊丝熔敷量，单位为 g/min；I为焊接电流，单位为安培；U为电弧电压，单位为伏特；P=0.75-1.25；Z=0.5-1.5；K为多丝焊系数，K=(1+ if(i>1,Ii/I₁,0))，i=1,2,...n，Ii表示第i丝的电流，F为频率，单位HZ。

焊缝单位时间焊丝熔敷量G由下列公式决定：

式中，G为焊缝单位时间熔敷金属量，单位为g/min；Gi为多丝焊每根焊丝的熔敷金属量，单位为g/min，i=1,2,...n。

7、计算焊缝余高δ

焊缝余高δ由下列公式决定：

δ=(G/(0.00785V)-C²tanɑ-0.21+C₃(C₃-0.5)tanɑ)/(0.6388B)

式中，δ为焊缝余高，单位mm；G为焊缝单位时间熔敷金属量，单位为g/min；V为焊接速度，单位mm/min；C为焊缝坡口深度，单位mm；C₃为预焊高度，单位mm，当无预焊时C₃=0；ɑ为焊接坡口角度，单位°；B为焊缝宽度，单位mm，在理论计算时，焊缝宽度按公式B=11.42+0.654t进行计算，在进行实测时，代入焊缝宽度实测值能计算局部余高；

8、综合分析并兼顾焊缝面能量的取值范围：100J/mm²<Q≤220J/mm²，焊缝余高的取值范围：0.5mm≤δ≤2.5mm，内外焊焊缝重合量的取值范围为1.5mm≤e≤3.0mm，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。

本发明的积极效果为：

1、采用本方法所建立的熔深、熔化量数学模型，适用于钢级为A-X80的数字化焊机管线钢埋弧焊工艺参数的数学模型，对数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数进行优化设计；

2、该方法实现了数字焊机管线钢钢管埋弧焊工艺参数的精确设计，从而提高了钢管质量，降低了生产成本，提高了效率。

附图说明

图1、埋弧焊焊接坡口示意图。

图中列出了直缝埋弧焊钢管的主要坡口参数，能较为直观的看到各项参数；图中，ɑ₁、ɑ₂表示内焊和外焊坡口角度；B₁、B₂表示内焊和外焊焊缝宽度；C₁、C₂、C₃分别表示内焊坡口高度、外焊坡口高度和预焊高度；d₁、d₂表示内焊和外焊一丝焊丝直径；e表示重合量；h₁、h₂表示内外焊的平板熔深；H₁、H₂表示内外焊的实际熔深；ha表示焊丝伸出长度；P表示钝边尺寸；δ₁、δ₂表示内焊和外焊余高。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例一

以L485M φ1016x30.4青宁输气管线直缝埋弧焊管为例

1、焊接方法和焊接材料的选取

(1)焊接方法：用混合气体Ar+CO₂保护在外焊根部预焊后，再1道次内4丝埋弧焊，1道次外4丝埋弧焊；

(2)焊接材料：预焊选择φ3mmCHW-60C焊丝及混合气体Ar+CO₂，内外埋弧焊选择φ4mmMK．GX80焊丝和SJ102G焊剂；

2、选取焊接参数，预焊混合气体Ar+CO₂比例为4:1,流量80L/min，焊接坡口为内外不对称的X型坡口。坡口钝边P=9.5±0.5mm,则设计内坡口深度C₁=9.4±0.5mm，外坡口深度C₂=11.5±0.5mm，内外坡口角度ɑ₁=ɑ₂=34°±2°。预焊电流850±85A，预焊电弧电压24±2V，焊接速度V₁=3.0±0.3m/min,则预焊高度C₃≈6mm。内焊焊接规范如下，一丝焊接电流I₁=1050±50A，电弧电压U₁=36±2V，二丝焊接电流I₂=750±50A，电弧电压U₂=38±2V，三丝焊接电流I₃=650±50A，电弧电压U₃=40±2V，四丝焊接电流I₄=550±50A，电弧电压U₄=42±2V，焊接速度V₁=1.10±0.11m/min。外焊焊接规范如下，一丝焊接电流I₁=1100±50A，电弧电压U₁=36±2V，二丝焊接电流I₂=750±50A，电弧电压U₂=38±2V，三丝焊接电流I₃=650±50A，电弧电压U₃=40±2V，四丝焊接电流I₄=550±50A，电弧电压U₄=42±2V，焊接速度V₁=1.10±0.11m/min。数字焊机占空比Z=1，电流偏置P=1。钢管壁厚t=30.4mm，理论焊缝宽度B₁=B₂=11.42+0.654t=11.42+0.654*30.4≈31.3mm，焊枪电极总数n=4。

3、计算焊接面能量：将步骤2中的相关数值代入下面公式计算出数值。

计算出Q值为210J/mm²，在Q值取值范围100J/mm²<Q≤220J/mm²内，属于适用数值；

4、计算内外焊焊缝重合量e：

(1)计算内外焊熔深H₁和H₂；将步骤2中的数据代入公式计算得到，内焊熔深H₁=16.8mm，外焊熔深H₂=16.4mm。

(2)计算重合量e：e=H₁+H₂-t=16.8+16.4-30.4=2.8mm。在取值范围1.5mm≤e≤3.0mm内，属于适用数值。

5、计算焊缝单位时间焊丝熔敷量G：将步骤2中的相关数值代入下面的公式计算出数值。

计算得到内焊G₁=940.58g/min，外焊G₂=957.38g/min。

6、计算内外焊余高：将步骤2、5中的相关数值代入下列公式中计算出焊缝余高。

δ=(G/(0.00785V)-C²tanɑ-0.21+C3(C3-0.5)tanɑ)/(0.6388B)

计算出内焊δ₁=2.7mm，外焊δ₂=1.9mm，余高均在取值范围0.5≤δ≤2.5mm内，属于适用数值。外焊余高还可通过增加电压、间距以增加焊缝宽度来进一步降低。

按上述步骤所焊L485M φ1016x30.4直缝埋弧焊管焊缝与母材平滑过渡，内外焊缝重合量2.8mm；内外焊缝余高2.7mm和1.9mm；焊接接头-20℃夏比低温冲击韧性焊缝为167J，焊接接头其他检试验结果均符合《青宁输气管道工程热煨弯管母管（L485M）技术规格书》（SPE-1000MA05-01）规定要求。

实施例二

以X70M φ1016x17.5新气联络线螺旋埋弧焊管为例

1、焊接方法和焊接材料的选取

(1)焊接方法：采用1道次内2丝埋弧焊，1道次外2丝埋弧焊；

(2)焊接材料：内外埋弧焊选择φ4mmMK．GX80焊丝和SJ101G焊剂；

2、选取焊接参数：焊接坡口为内外基本对称的X型坡口。坡口钝边P=9.5±1.0mm,则设计内坡口深度C2=3.0±0.5mm，外坡口深度C₁=3.5±0.5mm。内外坡口角度ɑ₁=ɑ₂=34°±2°。内焊焊接规范如下，一丝焊接电流I₁=1050±50A，电弧电压U₁=34±2V，二丝焊接电流I₂=500±50A，电弧电压U₂=35±2V，焊接速度V₁=1.5±0.1m/min。外焊焊接规范如下，一丝焊接电流I₁=1100±50A，电弧电压U₁=34±2V，二丝焊接电流I₂=500±50A，电弧电压U₂=35±2V，焊接速度V₂=1.5±0.1m/min。数字焊机占空比Z=1，电流偏置P=1。钢管壁厚t=17.5mm，理论焊缝宽度B₁=B₂=11.42+0.654t=11.42+0.654*17.5≈22.9mm，焊枪电极总数n=2。

3、计算焊接面能量：将步骤2中的相关数值代入下面公式计算出数值。

计算出Q值为125J/mm²，在Q值取值范围100J/mm²<Q≤220J/mm²内，属于适用数值；

4、计算内外焊焊缝重合量e：

(1)计算内外焊熔深H₁和H₂：将步骤2中的数据代入公式计算得到，内焊熔深H₁=9.3mm，外焊熔深H₂=10.7mm。

(2)计算重合量e：e=H₁+H₂-t=9.3+10.7-17.5=2.5mm，在取值范围2.0mm≤e≤3.0mm内，属于适用数值。

5、计算焊缝单位时间焊丝熔敷量G：将步骤2中的相关数值代入下面的公式计算出数值。

计算得到内焊G₁=452.82g/min，外焊G₂=475.23g/min。

6、计算内外焊余高：将步骤2、5中的相关数值代入下列公式中计算出焊缝余高。

δ=(G/(0.00785V)-C²tanɑ-0.21+C₃(C₃-0.5)tanɑ)/(0.6388B)

计算出内焊δ₁=2.2mm，外焊δ₂=2.0mm，余高均在取值范围0.5≤δ≤2.5mm内，属于适用数值。

按上述步骤所焊X70M φ1016x17.5螺旋埋弧焊管焊缝与母材平滑过渡，内外焊缝重合量2.5mm；内外焊缝余高2.2mm和2.0mm；焊接接头-10℃夏比低温冲击韧性焊缝为168J，焊接接头其他检试验结果均符合《新疆煤制气外输管道干线与西二线干线韶关联通工程采购系统螺旋缝埋弧焊钢管（L485M/X70M）技术规格书》（SPE-0500MS02-01）规定要求。

前期已经验证表明，各钢级的埋弧焊钢管，随着焊缝焊接面能量增大，焊缝低温冲击值逐渐减小。上述设计满足了对应钢级技术条件要求并有足够富余量。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有的公式、系数和计算步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以根据施工情况进行重新组合或调整。本说明书（包括权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

以上所述仅是本发明的非限定实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思和不作出创造性劳动的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种优化数字焊机管线钢埋弧焊工艺参数的方法，其特征在于：所述方法按如下步骤进行：

(1)、计算焊接面能量Q：焊接面能量由下列公式计算：

式中：Q为焊接面能量，单位为J/mm²；I为外焊焊接电流，单位为安培；U为外焊电弧电压，单位为伏特；V为焊接速度，单位为mm/min，t为钢管壁厚，单位为mm；n为焊枪电极总数；i为焊枪电极序号，i=1,2,3......n；焊接面能量计算出的有效取值范围为100J/mm²<Q≤220J/mm²；

(2)数字焊机统计参数：

占空比Z：通用取值范围为25-75%，将通用范围中间值定为1，则占空比Z按公式Z=x/0.5进行计算,计算后占空比Z的取值范围为0.5-1.5,式中:x为通用范围值；

电流偏置P：通用取值范围为-25-25%,将通用范围的中间值定为1，则电流偏值P按公式P=x+1进行计算,计算后电流偏值P的取值范围为0.75-1.25，式中x为通用范围值；

频率：常用频率为50-60HZ；一丝采用直流反接设置；二丝-n丝采用交流方波设置；

相位角：相位角设置为90°或270°；

(3)计算平板堆焊熔深公式

在平板上进行埋弧自动焊的熔深公式由以下列公式计算：

h=exp（-0.3+1.075lnI-0.412lnU-0.48lnV-0.04lnP+0.57（lnP）²-0.084lnZ）

其中，h为平板熔深，单位为mm；I为焊接电流，单位为安培；U为电弧电压，单位为伏特；V为焊接速度，单位为mm/min；P=0.75-1.25；Z=0.5-1.5，频率适用范围f在50-60HZ；

(4)计算内外焊熔深

内外焊熔深因外坡口工艺的不同而有所不同，当单纯对坡口焊接时，焊缝熔深由下列公式计算：

H₁=h₁+C₁-if(C₁>d₁/(2tanɑ₁),d/(2tanɑ₁),C₁)

式中，H₁为焊缝熔深，单位为mm；h₁为平板熔深，单位为mm；C₁为焊缝坡口高度，单位为mm；ɑ₁为焊缝坡口角度，单位为°；d₁为焊缝一丝焊丝直径，单位为mm；if为excel中的数学函数；

当坡口需要先进行预焊再进行焊接时，焊缝熔深由下列公式计算：

H₂=h₂+C₂-if(C₃>d₂/(2tanɑ₂),C₃,d₂/(2tanɑ₂))

式中，H₂为焊缝熔深，单位为mm；h₂为平板熔深，单位为mm；C₂为焊缝坡口高度，单位为mm；C₃为预焊高度，单位为mm；ɑ₂为焊缝坡口角度，单位为°；d₂为焊缝一丝焊丝直径，单位为mm；if为excel中的数学函数；

(5)计算内外焊焊缝重合量e

内外焊焊缝重合量e由下列公式计算：

e=H_内+H_外-t

式中，H_内为内焊缝熔深，单位为mm；H_外为外焊缝熔深，单位为mm；t为壁厚，t的取值范围为6≤t≤40，单位为mm；内外焊重合量根据工程实际取值范围为1.5mm≤e≤3.0mm；当设计不满足要求时，需要修改焊接参数，返回步骤（1）重新进行设计；

(6)计算单位时间熔敷金属重量G

单根焊丝单位时间熔敷金属重量Gi由下列公式计算：

Gi=-exp(-11.198+3.529lnI-0.146(lnI)²-0.117lnU+0.163lnP-0.478(lnP)²+0.183lnZ+0.602lnK-0.021lnF)

式中，Gi为焊丝熔敷量，单位为 g/min；I为焊接电流，单位为安培；U为电弧电压，单位为伏特；P=0.75-1.25；Z=0.5-1.5；K为多丝焊系数，K=(1+ if(i>1,Ii/I₁,0))，i=1,2,...n，Ii表示第i丝的电流，F为频率，单位HZ；

焊缝单位时间熔敷金属量G由下列公式决定：

式中，G为焊缝单位时间熔敷金属量，单位为g/min；Gi为多丝焊每根焊丝的熔敷金属量，单位为g/min，i=1,2,...n；

(7)计算焊缝余高δ

焊缝余高δ由下列公式决定：

δ=(G/(0.00785V)-C²tanɑ-0.21+C₃(C₃-0.5)tanɑ)/(0.6388B)

式中，δ为焊缝余高，单位mm；G为焊缝单位时间熔敷金属量，单位为g/min；V为焊接速度，单位mm/min；C为焊缝坡口深度，单位mm；C₃为预焊高度，单位mm，当无预焊时C₃=0；ɑ为焊接坡口角度，单位°；B为焊缝宽度，单位mm，在理论计算时，焊缝宽度按公式B=11.42+0.654t进行计算，在进行实测时，代入焊缝宽度实测值能计算局部余高；

(8)综合分析并兼顾焊缝面能量的取值范围：100J/mm²<Q≤220J/mm²，焊缝余高的取值范围：0.5mm≤δ≤2.5mm，内外焊焊缝重合量的取值范围为1.5mm≤e≤3.0mm，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。

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