CN112959066B - 用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法，装置包括伸缩磁棒组件、挤压辊、感应线圈、导向辊、导向托辊、测速度传感器、测厚度传感器和管坯。管坯的一端设有开口角，管坯开口角的起点端两侧分别设有挤压辊，沿开口角起点端向终点端的方向，依次安装感应线圈、导向辊、导向托辊、测速度传感器、测厚度传感器和伸缩磁棒组件。方法的具体步骤为：首先将与焊接相关的初始参数输入到处理器中，接着实时调整管坯的开口角，然后根据管坯的运动和位置信息实时调整焊接电源的相关参数以及管坯和磁棒的位置关系，并对焊接过程中的磁棒进行及时降温。本发明提高了焊接环境以及电子设备的工作环境，从而提高了大直径变厚度管材的焊接质量。

Description

用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及金属管生产领域，特别涉及一种用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法。

背景技术

现代工业离不开冷却水，比如汽机发电、化工生产等过程中都会产生大量余热，为了保障生产安全，需要通过冷却系统将多余的热量带走。冷却系统的核心是冷却剂泵、冷却剂以及冷却管道，冷却管道主要功能是在冷却剂泵的驱动下，输送冷却水并保持压力边界的完整性，使冷却水在闭合环路中不断流动，从而带走工业生产中产生的余热。目前，火力发电等大型冷却系统一般都是选用光管作为冷却管道，由于光管的换热效率极低，一般需要很长的输送距离才能达到换热效果，使得冷却系统占地面积急剧增加，为了有效提高冷却系统的工作效率，急需一种生产效率高、质量好以及换热效率高的冷却管，而变厚度型材生产技术的日益成熟，使得大直径变厚度管材的生产技术可以取得进一步突破。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法，通过采用感应焊接制造技术，对焊接过程实现智能化控制，大幅提高大直径变厚度管材焊接质量和效率，保证大直径变厚度管材生产的稳定性和可靠性。

本发明提供了一种用于大直径变厚度管材的焊接装置，其包括伸缩磁棒组件、计算机、处理器、焊接电源、相机、挤压辊、感应线圈、导向辊、导向托辊、测速度传感器、测厚度传感器和管坯。所述管坯的一端设有开口角，所述管坯开口角的起点端两侧分别设有挤压辊，所述管坯开口角靠近起点端的上方设有相机，所述感应线圈位于所述管坯的外壁，所述导向辊和所述导向托辊分别位于所述管坯的上方和下方，并和所述管坯的外壁接触，所述伸缩磁棒组件位于所述管坯开口角的终点端，所述测速度传感器和所述测厚度传感器分别位于所述管坯开口角终点端的一侧；沿着管坯开口角起点端向终点端的方向，依次安装所述感应线圈、所述导向辊、所述导向托辊、所述测速度传感器、所述测厚度传感器和所述伸缩磁棒组件，所述导向辊的中部设有导向块，通过调整所述导向辊和所述导向托辊与所述挤压辊之间的距离，来改变所述管坯开口角的大小。所述感应线圈的第一端通过电源线和所述焊接电源的第一端连接，所述计算机的第一端通过导线和所述处理器的第一端连接，所述处理器的第二端通过导线和所述测速度传感器连接，所述处理器的第三端通过导线和所述测厚度传感器连接，所述处理器的第四端通过导线和所述焊接电源的第二端连接，所述处理器的第五端通过导线和所述相机连接，所述处理器的第六端通过导线分别与所述导向辊和所述导向托辊的驱动装置连接，所述处理器的第七端通过导线和所述伸缩磁棒组件的电机的控制器连接。所述伸缩磁棒组件，其包括电机、减速器、丝杆、丝杆固定座、导轨、移动底座、护管和磁棒，所述电机的输出端和所述减速器的输入端连接，所述减速器的输出端和所述丝杆的第一端连接，所述丝杆的两端分别与所述丝杆固定座转动连接，所述丝杆固定座的下表面和地面固定连接，所述导轨对称分布在所述丝杆的两侧，所述导轨的下表面和地面固定连接，所述移动底座的第一端和所述丝杆连接，所述移动底座的第二端和所述导轨的上表面连接，所述移动底座的第三端分别与所述护管和所述磁棒的第一端连接，所述护管和所述磁棒的第二端分别位于所述管坯的内部。

可优选的是，所述感应线圈的轴线和所述管坯的轴线在同一条直线上，所述护管的轴线和所述磁棒的轴线在同一条直线上。

可优选的是，所述护管的材质为耐高温高压的材料。

可优选的是，所述磁棒的中心设有通孔，所述磁棒内表面、所述磁棒外表面、所述护管内表面和所述移动底座的型腔组成冷却回路。

本发明的第二方面，提供一种基于前述用于大直径变厚度管材的焊接装置的焊接方法，其具体操作步骤如下：

S1、将与焊接相关的初始参数输入到处理器中，初始参数包括：实验测定管坯壁厚与焊接参数之间的关系，磁棒、导向辊、导向托辊、测速度传感器、测厚度传感器和管坯的初始位置；

S2、实时分析焊接中管坯的运动和位置信息，将测速度传感器测得的管坯的运动速度，测厚度传感器测得管坯对应点壁厚的相关数据传给处理器，计算机根据相关数据分析出管坯运动以及位置信息；

S3、实时调整管坯的开口角，将相机实时拍摄开口角的图像传给处理器，计算机对开口角图像进行处理，并与程序初始值进行比对，实时调整开口角的大小；

S4、实时调整焊接电源的相关参数，根据步骤S2得到的管坯位置信息，计算机根据开口角起点端的管坯壁厚读取相应的程序值，进而通过处理器对焊接电源的电流大小和电流频率进行调节；

S5、实时调整管坯和磁棒的位置关系，根据S2中得到的管坯位置信息，计算机获得开口角起点端的管坯壁厚，从而控制电机的正反转，来调整磁棒的前进距离，以此实现管坯和磁棒的合适位置；

S6、对焊接过程中的磁棒进行降温，往位于伸缩磁棒组件的冷却回路中通入循环冷却剂，并实时测量出口处冷却剂的温度是否大于60℃，从而调节冷却剂的初始温度以及流速；

S7、完成焊接，进行去毛刺的生产步骤。

可优选的是，用于大直径变厚度管材的生产步骤，其包括板材轧制、板材剪切对焊、粗成型、精成型、焊接、去毛刺、热处理、整圆矫直、定径飞剪、试验检查和喷标出厂。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、与现有的小直径变厚度管材生产步骤相比，本发明采用感应焊接生产大直径变厚度管材，大幅简化了大直径变厚度管材批量生产的流程，提高了生产效率；

2、本发明的焊接机组可以实现智能化在线调节焊接参数，极大提高了大直径变厚度管材焊缝的质量，提高了大直径变厚度管材生产的稳定性和可靠性；

3、本发明的伸缩磁棒冷却过程没有水蒸气产生，提高了焊接环境以及电子设备的工作环境，保证了相机拍摄图像的准确性，从而提高焊接机组的控制精度，提高了大直径变厚度管材的焊接质量。

附图说明

图1为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法的生产步骤流程图；

图2为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中焊接装置的正视图；

图3为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中焊接装置的俯视图；

图4为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中伸缩磁棒组件的结构示意图；

图5为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中伸缩磁棒组件的剖视图；

图6为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中焊接流程图；

图7a-7c为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中焊接参数与管坯壁厚调节曲线图；

图8为本发明用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法中伸缩磁棒工作流程示意图。

主要附图标记：

板材轧制1，板材剪切对焊2，粗成型3，精成型4，焊接5，伸缩磁棒组件51，电机511，减速器512，丝杆固定座513，导轨514，丝杆515，移动底座516，护管517，磁棒518，计算机521，处理器522，焊接电源53，相机54，管坯55，挤压辊56，感应线圈57，导向托辊581，导向辊582，测速度传感器591，测厚度传感器592，去毛刺6，热处理7，整圆矫直8，定径飞剪9，试验检查10，喷标出厂11。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于大直径变厚度管材的焊接装置，如图2和图3所示，其包括伸缩磁棒组件51、计算机521、处理器522、焊接电源53、相机54、挤压辊56、感应线圈57、导向辊582、导向托辊581、测速度传感器591、测厚度传感器592和管坯55。

如图3所示，管坯55的一端设有开口角，管坯55的外壁光滑，内壁由交替变化的波纹构成，管坯55的开口角的起点端设有一对立式安装的挤压辊56，管坯55的开口角靠近起点端的上方设有相机54，感应线圈57位于管坯55的外壁，感应线圈57与管坯55的外壁之间有间隙，间隙一般为3～4mm；导向辊582和导向托辊581分别位于管坯55的上方和下方，并水平安装和管坯55的外壁接触，对管坯55的外表面有约束作用，导向辊582和导向托辊581可以沿管坯55的轴线前后移动，伸缩磁棒组件51位于管坯55开口角的终点端，测速度传感器591和测厚度传感器592分别位于管坯55开口角终点端的一侧。

如图2所示，沿着管坯55开口角起点端向终点端的方向，依次安装感应线圈57、导向辊582、导向托辊581、测速度传感器591、测厚度传感器592和伸缩磁棒组件51，导向辊582的中部设有导向块，导向块的厚度为H，通过调整导向辊582和导向托辊581与挤压辊56之间的距离L，来改变管坯55开口角的大小。

感应线圈57的第一端通过电源线和焊接电源53的第一端连接，计算机521的第一端通过导线和处理器522的第一端连接，处理器522的第二端通过导线和测速度传感器591连接，处理器522的第三端通过导线和测厚度传感器592连接，处理器522的第四端通过导线和焊接电源53的第二端连接，处理器522的第五端通过导线和相机54连接，处理器522的第六端通过导线分别与导向辊582和导向托辊581的驱动装置连接，控制导向辊582和导向托辊581的前后移动，处理器522的第七端通过导线和伸缩磁棒组件51的电机511的控制器连接，通过控制电机511的正反转，实现磁棒518沿管坯55轴线的前后移动。

伸缩磁棒组件51，如图4和图5所示，其包括电机511、减速器512、丝杆515、丝杆固定座513、导轨514、移动底座516、护管517和磁棒518。电机511的输出端和减速器512的输入端连接，减速器512的输出端和丝杆515的第一端连接，丝杆515的两端分别与丝杆固定座513转动连接，丝杆固定座513的下表面和地面固定连接，导轨514对称分布在丝杆515的两侧，导轨514的下表面和地面固定连接，移动底座516的第一端和丝杆515连接，移动底座516的第二端和导轨514的上表面连接，移动底座516的第三端分别与护管517和磁棒518的第一端连接，护管517和磁棒518的第二端分别位于管坯55的内部。

如图3所示，感应线圈57的轴线和管坯55的轴线在同一条直线上，如图5所示，护管517的轴线和磁棒518的轴线在同一条直线上。

进一步，为了防止管坯55的开口角边缘金属熔化后滴落在磁棒518上，导致磁棒518损坏，护管517的材质选为耐高温高压的材料。

如图5所示，优选地，磁棒518的中心设有通孔，磁棒518的内表面、磁棒518的外表面、护管517的内表面和移动底座516的型腔组成冷却回路。

在本发明的一个优选实施例中，用于大直径变厚度管材的焊接方法，如图6所示，包括以下步骤：

S1、将与焊接5相关的初始参数通过编写程序输入到处理器522中，初始参数包括：实验测定管坯55壁厚与焊接5参数之间的关系，磁棒518、导向辊582、导向托辊581、测速度传感器591、测厚度传感器592和管坯55的初始位置。

S2、实时分析焊接5中管坯55的运动和位置信息，将测速度传感器591测得的管坯55的运动速度，测厚度传感器592测得管坯55对应点壁厚的相关数据传给处理器522，计算机521根据相关数据分析出管坯55的运动以及位置信息。

S3、实时调整管坯55的开口角，将相机54实时拍摄开口角的图像传给处理器522，计算机521对开口角图像进行处理，并与程序初始值进行比对，进而根据程序值，实时调整导向辊582和导向托辊581与挤压辊56之间的距离L，来调整开口角的大小。

S4、实时调整焊接电源53的相关参数，根据步骤S2得到的管坯55位置信息，计算机521根据开口角起点端的管坯55壁厚读取相应的程序值，进而通过处理器522对焊接电源53的电流大小和电流频率进行调节。

S5、实时调整管坯55和磁棒518的位置关系，根据S2中得到的管坯55位置信息，计算机521获得开口角起点端的管坯55壁厚，从而控制电机511的正反转，来调整磁棒518的前进距离，以此实现管坯55和磁棒518的合适位置。

S6、对焊接5过程中的磁棒518进行降温，往位于伸缩磁棒组件51的冷却回路中通入循环冷却剂，并实时测量出口处冷却剂的温度是否大于60℃，从而调节冷却剂的初始温度以及流速。

S7、完成焊接5，进行去毛刺6的生产步骤。

如图1所示，用于大直径变厚度管材的生产步骤，其包括板材轧制1、板材剪切对焊2、粗成型3、精成型4、焊接5、去毛刺6、热处理7、整圆矫直8、定径飞剪9、试验检查10和喷标出厂11。

以下结合实施例对本发明一种用于大直径变厚度管材的焊接装置及其焊接方法做进一步描述：

本实施例中，管坯55的材料牌号为Q235A的钢，Q235A钢焊接温度为1450℃左右，外壁光滑且内壁为正弦波状波纹。如图7a所示，正弦波状波纹的半波长S/2为20mm，波高为6mm，管坯55的最小壁厚为14mm或者为20mm，外径为348mm；磁棒518呈糖葫芦状，即外表面对流换热面积大幅增加，提高了磁棒518冷却速率，磁棒518外表面的波纹参数和管坯55的内表面一致，磁棒518最大直径为220mm或者为208mm，磁棒518设有直径为25mm的通孔，护管517由可耐1600℃高温的氧化铝陶瓷制成，大于Q235A钢的焊接温度，护管517的壁厚为5mm，护管517的内径为270mm；相机54的采样频率为120次/min，焊接5中的焊接速度V为1.2m/min，磁棒518前进速度V为1.2m/min，磁棒518后退速度V₁为18m/min。具体焊接工艺的操作步骤如下：

S1、将与焊接5相关的初始参数通过编写程序输入到处理器522中，初始参数包括：实验测定管坯55壁厚与焊接参数之间的关系，如图7b和图7c所示，整体表现为，管坯55开口角顶点由薄壁区向厚壁区运动时，为了得到高质量的焊缝，需要增大电流密度，减小电流频率，减小开口角，即增大导向辊528和导向托辊581与挤压辊56的距离L；为了实现智能化控制，将壁厚与焊接参数之间的关系编写成程序写入处理器522中，同时，将磁棒518、导向辊582、导向托辊581、测速度传感器591、测厚度传感器592和管坯55的初始位置信息一并写入程序中。

S2、开始焊接时，开口角为4.2°，即导向辊528和导向托辊581与挤压辊56的距离L为178mm，导向辊528中部的导向块厚度H为13mm，磁棒518头部和管坯55开口角的起点端平齐；测速度传感器591测得管坯55的运动速度V为1.2m/min，测厚度传感器592测得对应点处的壁厚为17mm，并将数据传给处理器522，计算机521通过处理器522分析出管坯55位置，得到管坯55开口角顶点处壁厚也为17mm。

S3、相机54以120次/min的频率拍摄管坯55开口角图像，并传给处理器522，计算机521对管坯55开口角图像进行处理，得到开口角为4.2°，将开口角测量值与程序值进行比对，测量值与程序值的误差在±3′范围里内视为符合要求，若开口角大小与程序值不符，则通过调整导向辊528和导向托辊581与挤压辊56的距离L，从而使开口角测量值与程序值的吻合。

S4、根据步骤S2得到的管坯55位置信息，计算机521根据开口角起点端的管坯55壁厚读取相应的程序值，进而通过处理器522对焊接电源53的电流大小和电流频率进行调节，电流为2.1×10⁸A/m²，频率为370kHz，如图7b所示。

S5、根据S2中得到的管坯55位置信息，计算机521根据开口角起点端的管坯55壁厚，控制电机511的正反转，来调整磁棒518的前进距离，如图7c所示，满足管坯55内表面波峰与磁棒518外表面波峰对应，管坯55内表面波谷与磁棒518外表面波谷对应，如图8所示，初始时，磁棒518以1.2m/min的速度与管坯55同步向前运动，当移动底座516运动至丝杆515末端时，管坯55继续以1.2m/min的速度向前运动，而磁棒518以18m/min的速度作后退运动，当磁棒518头部和管坯55开口角顶点平齐时，磁棒518又以1.2m/min的速度与管坯55同步向前运动，以此往复，实现管坯55壁厚与磁棒518直径之间的匹配。

S6、对焊接5过程中的磁棒518进行降温，往位于伸缩磁棒组件51的冷却回路中通入循环冷却剂，初始温度为25℃，流速为0.8m/s，并实时测量出口处冷却剂的温度是否大于60℃，根据出口处的温度是否大于60℃，当温度大于60℃时，则将冷却水的初始温度降低10％，同时将流速提高10％，直至出口冷却水温度低于60℃，提高磁棒518的使用寿命。

S7、完成焊接5，进行去毛刺6的生产步骤。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于大直径变厚度管材的焊接装置，其包括伸缩磁棒组件、计算机、处理器、焊接电源、相机、挤压辊、感应线圈、导向辊、导向托辊、测速度传感器、测厚度传感器和管坯，其特征在于，

所述管坯的一端设有开口角，所述管坯开口角的起点端两侧分别设有挤压辊，所述管坯开口角靠近起点端的上方设有相机，所述感应线圈位于所述管坯的外壁，所述导向辊和所述导向托辊分别位于所述管坯的上方和下方，并和所述管坯的外壁接触，所述伸缩磁棒组件位于所述管坯开口角的终点端，所述测速度传感器和所述测厚度传感器分别位于所述管坯开口角终点端的一侧；沿着管坯开口角起点端向终点端的方向，依次安装所述感应线圈、所述导向辊、所述导向托辊、所述测速度传感器、所述测厚度传感器和所述伸缩磁棒组件，所述导向辊的中部设有导向块，通过调整所述导向辊和所述导向托辊与所述挤压辊之间的距离，来改变所述管坯开口角的大小；

所述感应线圈的第一端通过电源线和所述焊接电源的第一端连接，所述计算机的第一端通过导线和所述处理器的第一端连接，所述处理器的第二端通过导线和所述测速度传感器连接，所述处理器的第三端通过导线和所述测厚度传感器连接，所述处理器的第四端通过导线和所述焊接电源的第二端连接，所述处理器的第五端通过导线和所述相机连接，所述处理器的第六端通过导线分别与所述导向辊和所述导向托辊的驱动装置连接，所述处理器的第七端通过导线和所述伸缩磁棒组件的电机的控制器连接；

所述伸缩磁棒组件，其包括电机、减速器、丝杆、丝杆固定座、导轨、移动底座、护管和磁棒，所述电机的输出端和所述减速器的输入端连接，所述减速器的输出端和所述丝杆的第一端连接，所述丝杆的两端分别与所述丝杆固定座转动连接，所述丝杆固定座的下表面和地面固定连接，所述导轨对称分布在所述丝杆的两侧，所述导轨的下表面和地面固定连接，所述移动底座的第一端和所述丝杆连接，所述移动底座的第二端和所述导轨的上表面连接，所述移动底座的第三端分别与所述护管和所述磁棒的第一端连接，所述护管和所述磁棒的第二端分别位于所述管坯的内部。

2.根据权利要求1所述的用于大直径变厚度管材的焊接装置，其特征在于，所述感应线圈的轴线和所述管坯的轴线在同一条直线上，所述护管的轴线和所述磁棒的轴线在同一条直线上。

3.根据权利要求1所述的用于大直径变厚度管材的焊接装置，其特征在于，所述护管的材质为耐高温高压的材料。

4.根据权利要求1所述的用于大直径变厚度管材的焊接装置，其特征在于，所述磁棒的中心设有通孔，所述磁棒内表面、所述磁棒外表面、所述护管内表面和所述移动底座的型腔组成冷却回路。

5.一种根据权利要求1所述的用于大直径变厚度管材的焊接装置的焊接方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、将与焊接相关的初始参数输入到处理器中，初始参数包括：实验测定管坯壁厚与焊接参数之间的关系，磁棒、导向辊、导向托辊、测速度传感器、测厚度传感器和管坯的初始位置；

S2、实时分析焊接中管坯的运动和位置信息，将测速度传感器测得的管坯的运动速度，测厚度传感器测得管坯对应点壁厚的相关数据传给处理器，计算机根据相关数据分析出管坯运动以及位置信息；

S3、实时调整管坯的开口角，将相机实时拍摄开口角的图像传给处理器，计算机对开口角图像进行处理，并与程序初始值进行比对，实时调整开口角的大小；

S4、实时调整焊接电源的相关参数，根据步骤S2得到的管坯位置信息，计算机根据开口角起点端的管坯壁厚读取相应的程序值，进而通过处理器对焊接电源的电流大小和电流频率进行调节；

S5、实时调整管坯和磁棒的位置关系，根据S2中得到的管坯位置信息，计算机获得开口角起点端的管坯壁厚，从而控制电机的正反转，来调整磁棒的前进距离，以此实现管坯和磁棒的合适位置；

S6、对焊接过程中的磁棒进行降温，往位于伸缩磁棒组件的冷却回路中通入循环冷却剂，并实时测量出口处冷却剂的温度是否大于60℃，从而调节冷却剂的初始温度以及流速；

S7、完成焊接，进行去毛刺的生产步骤。

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