埋弧焊鋼管生產(chǎn)中鋼板銑邊坡口參數(shù)分析

曾德勝

（中石化石油機(jī)械股份有限公司 沙市鋼管分公司， 湖北 荊州434001）

埋弧焊鋼管的焊縫質(zhì)量受內(nèi)外焊坡口形狀的影響較大， 準(zhǔn)確理解銑邊坡口和焊接坡口的關(guān)系， 對焊接形貌控制有重要的影響。 焊接坡口主要來源于銑邊坡口， 因此通過對直縫和螺旋埋弧焊鋼管生產(chǎn)過程中的銑邊坡口準(zhǔn)確測量， 以得到較為明確的坡口變化規(guī)律。

1 銑邊坡口基本定義

為了從理論上分析焊接坡口各尺寸之間的關(guān)系， 對理論和實(shí)際坡口的參數(shù)進(jìn)行定義。 在工藝評定中， 理論埋弧焊管內(nèi)外焊坡口示意如圖1 所示，其中a1和a2為設(shè)定的坡口角度， P 為鈍邊尺寸。

從理論上說， 坡口是對稱的， 內(nèi)焊的總開口角度x1=2a1， 外焊的總開口角度x2=2a2。 但在實(shí)際生產(chǎn)中， 上述參數(shù)并不容易測量得到， 故建立可測量的內(nèi)外焊坡口示意， 如圖2 所示。

圖1 理論上的埋弧焊管內(nèi)外焊坡口示意圖

圖2 測量用內(nèi)外焊坡口示意圖

圖2 中， B1和B2分別表示內(nèi)焊、 外焊的坡口寬度； B3為預(yù)焊的寬度； C1和C2分別表示內(nèi)焊、 外焊的坡口高度； C3為直縫預(yù)焊后的外焊高度； D1表示坡口根部距左側(cè)表面母材距離，用來觀察坡口是否對稱， 以根據(jù)實(shí)際偏差微調(diào)銑邊； E1和E2分別表示內(nèi)焊坡口左右斜邊長； F1和F2分別表示外焊全坡口斜邊長； P 表示鈍邊；x1和x2分別表示內(nèi)焊、 外焊合縫后的坡口角度。

實(shí)際生產(chǎn)時(shí)， 關(guān)注的是坡口的寬度和深度，以及坡口角度從銑邊到焊接時(shí)的變化情況。 通過測量斜邊長F 和寬度B， 可計(jì)算得到坡口角度， 即

同時(shí)， 對比角度變化， 來計(jì)算坡口面積。 通過測量C2和C3可得到預(yù)焊高度C預(yù)=C2-C3， 以便計(jì)算熔深和外焊面積。

2 直縫埋弧焊管的坡口測量和分析

2.1 銑邊坡口參數(shù)

采用德國SMS MEER 公司生產(chǎn)的BKB600-4500 型銑邊機(jī)進(jìn)行焊管焊接坡口加工， 銑刀盤直徑為650 mm， 該設(shè)備采用PROFIBUS-DP 控制系統(tǒng)[1]。 下面以Φ1 016 mm×21 mm L485M直縫焊管為例來描述鋼板銑邊坡口尺寸和質(zhì)量。

原料寬度為3 098～3 108 mm， 銑邊后的寬度為3 095 mm， 銑削量最大13 mm。 刀盤轉(zhuǎn)速與帶鋼的鋼級和厚度、 銑削深度、 鐵屑厚度及遞送速度有關(guān)[2-3]。 銑邊理論分析示意如圖3 所示。 圖3 中B0為原始板寬， B1為工作寬度， v1為進(jìn)板速度， v2為刀座旋轉(zhuǎn)速度， D 為刀盤直徑。 銑邊采用順銑法[4]， 刀盤直徑D=650 mm，上、 下坡口和鈍邊刀均按順序裝在一個(gè)刀盤上，每種16 個(gè)刀片， 一次銑出坡口。 如果板寬超過銑削范圍， 則分為多次進(jìn)板銑削。

圖3 （b） 中， 當(dāng)前一個(gè)銑刀在B 點(diǎn)時(shí)， 后一個(gè)銑刀在A 點(diǎn)， 在一個(gè)工作周期內(nèi)， 鋼板向前移動(dòng)的距離就是CD 段的距離Δx。 具體設(shè)定參數(shù)為： B0=3 100 mm， B1=3 095 mm， 則

v1=3.0 m/min， v2=120 rpm， 刀 片 數(shù)z=16，計(jì)算得到θ1=7.11°， 則

圖3 銑邊理論分析示意圖

則每刀波紋間距b=Δx=1.56 mm， 刀盤轉(zhuǎn)1 圈的波紋間距B=bz≈25.0 mm， 繪圖測量每刀波紋深度w≈0.003 mm。

常見的銑邊坡口缺陷包括銑邊不穩(wěn)定、 脫銑、 加工精度差等[5]。 雖然銑刀本身的波紋很小，但安裝位置不佳可使每圈波紋深度w 達(dá)到0.3 mm以上 （此時(shí)波紋間距B 約為25 mm）。 鈍邊波動(dòng)， 對預(yù)焊和內(nèi)外焊有一定影響， 需要檢查銑刀和刀座安裝到位， 安裝后測量銑刀的徑向跳動(dòng)，一般控制在0.06 mm 以內(nèi)[2]。

銑邊工藝要求設(shè)定的上坡口α=45°， 下坡口γ=37° （如圖4 所示）。 其中， 上坡口對應(yīng)內(nèi)焊，下坡口對應(yīng)外焊。 一般鈍邊角β=2°， 刀座角度θ=1°±1°， 則對應(yīng)銑邊后的鋼板角度e=α-β+θ， f=β+γ-θ （如圖5 所示）。 同時(shí)， 對上坡口斜邊長度m、 下坡口斜邊長度n、 下坡口高度C1[6]以及鈍邊高度h 進(jìn)行測量以檢驗(yàn)上述數(shù)據(jù)。 Φ1 016 mm×21 mm 規(guī)格鋼管的鋼板銑邊坡口參數(shù)測量結(jié)果見表1。 按理論計(jì)算e=45°-2°+1°=44°， f=37°+2°-1°=38°， 計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)（±2°）。

鈍邊h 的波動(dòng)對焊接熔深和燒穿缺陷都有影響， 應(yīng)控制在±0.5 mm 內(nèi)， 實(shí)際工藝設(shè)定為±1.5 mm 導(dǎo)致控制坡口能力不足。 下坡口高度C1值存在一些差異， 用m 和n 反映并不直觀， 在生產(chǎn)中需要控制在1 mm 內(nèi)。

圖4 銑邊刀座角度示意圖

圖5 銑邊坡口測量示意圖

表1 Φ1 016 mm×21 mm 規(guī)格鋼管的鋼板銑邊坡口參數(shù)測量結(jié)果

2.2 內(nèi)外焊坡口及影響因素

當(dāng)鋼管合縫良好時(shí)， 直縫焊管內(nèi)外焊坡口角度可按下面的公式計(jì)算， 即

由公式（6） 和公式（7） 得出x1=88°、 x2=76°。直縫埋弧焊管內(nèi)外焊坡口參數(shù)測量結(jié)果見表2。 由表2 可看出， 理論計(jì)算和實(shí)際結(jié)果存在一定的差值， 可能是鋼板和銑邊存在一定的誤差， 也可能在成型時(shí)存在一定的壓延量， 從而減小了坡口角度。 預(yù)彎、 成型到預(yù)焊崗位的工藝控制可能產(chǎn)生正負(fù)噘嘴及合縫不嚴(yán)的情況， 會(huì)對內(nèi)外焊坡口產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。 在鋼管實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)使坡口合縫良好， 保證焊接工藝的穩(wěn)定。 當(dāng)鋼板邊緣存在局部翹曲， 使得外坡口變大時(shí)， 需要密切注意檢查外坡口尺寸變化， 及時(shí)調(diào)整焊接規(guī)范， 避免焊接缺陷的產(chǎn)生。

表2 直縫埋弧焊管內(nèi)外焊坡口參數(shù)測量結(jié)果

通過上述分析， 在直縫埋弧焊管平板焊接工藝評定時(shí)， 應(yīng)采用a1=e， a2=f 的參數(shù)來設(shè)置坡口（見圖1 和圖5）， 從而與實(shí)際焊接坡口一致。

2.3 薄壁焊管坡口優(yōu)化

目前直縫焊管焊接坡口銑邊所用的坡口刀座角度有30°、 34°、 37°和45°， 在生產(chǎn)薄壁焊管（壁厚＜10 mm） 時(shí)， 采用45°刀座銑邊， 發(fā)現(xiàn)外焊縫余高偏高， 往往在2.3～2.8 mm， 有時(shí)超過用戶要求， 需要進(jìn)行修磨處理。 這使得防腐層在焊縫頂部明顯減薄， 增加了防腐成本。 另外， 焊縫余高還會(huì)降低焊接接頭的疲勞性能[7]。 因此，有必要采用更大的坡口角度進(jìn)行薄壁焊管坡口加工。 根據(jù)其他廠家的生產(chǎn)實(shí)踐， 薄壁鋼管采用50°～60°的刀座更為合理[8]。

由于焊縫熔敷截面積等于坡口面積和余高面積之和 （直縫焊管坡口需減去預(yù)焊面積）， 而余高面積與余高h(yuǎn)′和焊縫寬度B 的乘積成正比，焊縫熔敷截面積由焊絲熔敷量決定， 則計(jì)算得到直縫焊管外焊縫余高h(yuǎn)′的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中： h′——外焊余高， mm；

G——焊絲熔化速度[9]， g/min， G=∑kIaUb；

v——焊接速度， m/min；

C2——外焊坡口深度， mm；

C3——預(yù)焊后坡口深度， mm；

a——外焊銑邊坡口角度， （°）；

B——外焊寬度， mm。

焊縫寬度一般是坡口寬度加10～15 mm， 為了在坡口寬度變化時(shí)能計(jì)算該處余高， 故單獨(dú)列出。薄壁管不同坡口下外焊余高理論計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 為理論計(jì)算值， 考慮到實(shí)際坡口和規(guī)范的波動(dòng)范圍， 以及預(yù)焊精整崗位對管端外焊道加厚的要求， 薄壁焊管外焊余高實(shí)際在2.3～2.8 mm，還需要降低到1.5～2.5 mm， 越低越好。 對8 mm 壁厚焊管， 分析了從37°～60°的坡口角度a， 很明顯，a 角度越大， 外焊余高越低， 但考慮到同一個(gè)銑刀要適應(yīng)多個(gè)壁厚， 因此采用居中的角度55°為好。

表3 薄壁管不同坡口下外焊余高理論計(jì)算結(jié)果

控制薄壁焊管外焊余高的方法是： ①采用先外焊后內(nèi)焊工藝方法， 以減小外焊熔敷量， 增加外焊寬度； ②采用較小銑邊（3.5 mm 左右）， 但存在產(chǎn)生燒穿缺陷的風(fēng)險(xiǎn)； ③采用較細(xì)焊絲進(jìn)行焊接， 焊絲直徑從4.0 mm 改為3.0 mm， 以保證焊機(jī)在小電流（＜500 A） 下穩(wěn)定工作； ④采用較大銑邊坡口， 將坡口角度由45°改為55°。 薄壁焊管外焊余高經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后可以降低到1.0 mm[10]， 但需要銑邊和預(yù)彎等主機(jī)崗位的設(shè)備工藝進(jìn)一步優(yōu)化。

3 螺旋埋弧焊管的坡口測量和分析

3.1 銑邊坡口參數(shù)

由于采用上卷成型， 鋼卷展開時(shí)兩側(cè)板邊傾向于向上翹曲[11]， 在采用2～3 對壓輥以壓平板邊的同時(shí)， 銑邊刀也要相應(yīng)傾斜， 以銑出直鈍邊，θ 在0～6°之間 （見圖4）。 采用HK0602 型銑邊機(jī)， 分為粗銑和精銑， 分別粗銑直邊、 精銑鈍邊和上下坡口[12]。 其中， 粗銑刀盤直徑850 mm， 刀座48 個(gè)； 精銑刀盤直徑600 mm， 刀座34 個(gè)。因?yàn)橐惑w成型機(jī)組車速限制， 銑削波紋比直縫焊管短一些， 下面以Φ1 016 mm×17.5 mm L485M 鋼管為例來具體說明。

工藝和設(shè)備設(shè)定為： α=35°±3°， β=0°， γ=40°±3°。 由于部分參數(shù)現(xiàn)場難于測量， 主要對便于測量的參數(shù)進(jìn)行了記錄， 螺旋成型銑邊坡口實(shí)測值見表4， 參數(shù)如圖6 所示。 理論計(jì)算鈍邊角度β=θ-η， 由于銑刀處無法測量， 實(shí)際測量β=δ-η， 在實(shí)際生產(chǎn)中為1°～3°。

表4 螺旋成型銑邊坡口實(shí)測值

圖6 螺旋成型板邊角度示意圖

表5 經(jīng)過錐形立輥后坡口尺寸參數(shù)變化情況對比

3.2 內(nèi)外焊坡口及影響因素

螺旋機(jī)組在銑邊后有預(yù)彎， 然后還有兩側(cè)錐形立輥[11]， 用于控制帶鋼跑偏， 對銑邊鈍邊和坡口有修正作用， 錐形角應(yīng)與實(shí)際鈍邊角度β 一致。 在Φ1 016 mm×17.5 mm 螺旋鋼管生產(chǎn)時(shí)未使用預(yù)彎， 一是無需預(yù)彎即可成型， 二是預(yù)彎能力對厚板變形能力不足。 實(shí)際上， 在經(jīng)過錐形立輥后， 鋼板在上下導(dǎo)板壓輥的作用下處于較為平直的狀態(tài)， 板邊存在少量塑性變形， 坡口尺寸發(fā)生了變化， 鈍邊尺寸增加， β≈0～5°， 此時(shí)外焊角度x2顯然會(huì)變小。 經(jīng)過錐形立輥后坡口尺寸參數(shù)變化情況見表5。

螺旋焊管成型內(nèi)外焊的坡口尺寸實(shí)測值見表6。 其中， 外焊角度x2為計(jì)算值， 比設(shè)計(jì)值80°±6°小很多。 對頭前后由于板邊波動(dòng)大， 外焊坡口角度還會(huì)小1°～2°。 其主要原因是鋼卷在銑邊前未進(jìn)行多輥矯平， 對頭前后板邊翹曲反而減少， 使得外坡口變小。 因此， 需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候增加矯平機(jī)[13]， 并根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行必要的改進(jìn)[14]， 以提高銑邊坡口的精度。

表6 螺旋焊管成型內(nèi)外焊坡口實(shí)測值

從以上分析可知， 螺旋焊管內(nèi)外焊坡口角度受到板邊翹曲、 銑邊角度、 預(yù)彎、 錐形輥擠壓等共同影響， 在合縫時(shí)， 符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)可正常合縫， 正常的波動(dòng)會(huì)影響焊縫的表面成形， 而焊縫重合量基本不變。 但在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)， 為保證成型穩(wěn)定， 采用正噘嘴k （成品測量的正噘嘴為0.4～0.9 mm）， 則為保證合縫良好， 應(yīng)將銑刀傾角θ 略微減小。 總結(jié)的螺旋焊管焊接坡口公式為

顯然， 公式 （9） 和公式 （10） 比直縫焊管的經(jīng)驗(yàn)公式更為全面， 可作為焊管坡口的通用計(jì)算公式。

通過上述分析， 在螺旋焊管的平板焊接工藝評定時(shí)， 采用a1=α， a2=γ， P=h 即可。 螺旋成型也需要控制外焊余高， 以減少成本， 在薄壁管上可適當(dāng)增加刀座角度到45°～55°。

4 銑邊坡口控制

在埋弧焊管生產(chǎn)過程中， 采用合縫緊密的內(nèi)外焊坡口為理想生產(chǎn)狀態(tài)。 當(dāng)鈍邊和坡口角度、坡口高度出現(xiàn)較大偏差時(shí)， 需進(jìn)行矯正或微調(diào)，常用的銑邊坡口角度設(shè)計(jì)參數(shù)見表7。

表7 常用的銑邊坡口角度設(shè)計(jì)參數(shù)

通過對焊管坡口參數(shù)的分析和優(yōu)化， 可以精確控制焊縫形貌， 有利于埋弧焊管生產(chǎn)過程中對焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整[8，15]， 可以達(dá)到降低焊材消耗和涂敷成本的目的， 從而提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

5 結(jié) 論

（1） 直縫和螺旋埋弧焊管銑邊坡口和內(nèi)外焊坡口角度的計(jì)算均滿足本研究總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式。

（2） 螺旋埋弧焊管內(nèi)外焊坡口角度受到板邊翹曲、 銑邊角度、 預(yù)彎、 錐形輥擠壓等因素共同影響， 合縫時(shí)需要根據(jù)具體情況對相關(guān)參數(shù)做適當(dāng)調(diào)整， 保證合縫良好。

（3） 對于直縫和螺旋埋弧焊薄壁鋼管， 應(yīng)采用較大的銑邊坡口角度， 內(nèi)外角控制在45°～55°。