焊接弯头环缝焊接坡口面的数控火焰切割

 新闻资讯     |      2018-04-11
    目前,国内用圆钢管制作焊接弯头仍采用传统的手工方式进行,即经过放样、画线、手工切割、打磨、修配等工序,生产率低,劳动强度大,产品质量差,各工种之间经常围质量问题互相扯皮.采用数控切割方法是解决上述技术问题的最佳方法.
1  焊接弯头的几何形状
    焊接弯头由两个以上环节(俗称虾米节)组装焊接而成(图1).焊接弯头相邻环节间的连接是两个外径和内径均相等的圆钢管斜截端面的相交连接,其中两个末端环节有一个斜截端面,其余中间环节有两个斜截端面,
图1焊接弯头几何形状
    图1焊接弯头几何形状
    焊接弯头的几何形状由下述参数确定:
    D-钢管外径;
    R-弯曲半径,一般R/D=1~1.5;
    N-焊接弯头环节数,它由两节一端带斜截端面的末端环节和Z节(z=0,1,…)两端带斜截端面的中间环节组成,即N=Z+2;
    A——进口环节与出口环节横截面的夹角;
    8——进口环节与出口环节轴心线的夹角,a - 180°-A:
    p-焊接弯头环节斜截端面与横截面的夹角,卢=砸‰)。
    H-斜截端面升高量,H= Dtanp,切割机的数控行程应大于H。
    切割焊接弯头环节前应根据已知的D、R、Z计算出p、H。
2  焊接弯头环节斜截端面曲线的数学模型
    为了建立焊接弯头环节斜截端面曲线的数学模型.必须先定义坐标系统.如图2所示,以圆钢管轴心线与斜截端面的交点为坐标原点,令z轴与钢管轴心线重合.x轴和Y轴在钢管横截面内,斜截端面与钢管内壁相交曲线即为斜截端面曲线,
图2钢管斜截端面数学模型
    图2钢管斜截端面数学模型
3参考平面和焊接坡口面的空间几何角度
    焊接工艺要求在相邻环节连接处,整圈环焊缝的焊接坡口角应相等.由于斜切端面口角的存在,只有在环节斜截端面曲线处,切割出按一定规律变化的变角度焊接坡口面,才能满足上述要求.
    为了建立焊接弯头环节斜截端面曲线处的变角度焊接坡口面的数学模型,并确定数控切割方案,还必须定义有关参考平面和空间几何角度。如图3所示,坐标系Xi YiZi和坐标系XYZ的原点均为钢管轴心线与斜截端面的交点0,Xl轴和Y1轴在斜截端面内,Z1轴与斜截端面垂直,将坐标系X1 Y1Z1绕Y1轴顺时针方向旋转卢角,即得坐标系X YZ,这时Z轴与钢管G2的轴心线重合.
图3参考平面和几何角度
    图3参考平面和几何角度
    (1)钢管切平面P1
    斜截端面曲线上任选点M的钢管切平面是通过该点并切于钢管内壁表面的平面.两相交连接等径钢管的两切平面P。I和PaZ只有在Xl=0和yl=±r处是重合的.
    (2)钢管轴剖面PO
    斜截端面曲线上任选点M的钢管轴剖面是通过该点并包含钢管轴心线的平面.两相交连接等径钢管的两轴剖面Pol和尸02只有在X1=±r/cosp和Yl=0处是重合的.
    (3)两相交连接等径钢管环缝的公共法剖面P。
    斜截端面曲线上任选点M的公共法剖面是通过该点与两钢管的两切平面相垂直的平面.只有在'Xt=±r/casp和Y1=0处,公共法剖面与两钢管的两轴剖面是重合的.
    (4)公共法剖面内焊接坡口面预加工角曲。
    对相交连接钢管之一而言,o。是通过斜截端面曲线上任选点M的切平面和焊接坡口面与公共祛剖面相交线所夹的锐角.
    (5)公共法剖面内切平面与斜截端面夹角y。
    对相交连接钢管之一而言,y。是斜截端面和通过斜截端面曲线上任选点M的切平面与公共法剖面相交线所夹的锐角.
    (6)公共祛剖面内焊接坡口角妒。
    P。是通过斜截端面曲线上任选点M的公共法剖面与两相交等径钢管焊接坡口面相交线所夹的锐角.从焊接工艺考虑,希望弯头环节组装后整圈环焊缝处妒。相等.
    (7)轴剖面内焊接坡口面预加工角∞o
    对相交连接等径钢管之一而言,wo是通过斜截端面曲线上任选点M的切平面和焊接坡口面与轴剖面相交线所夹的锐角.
    (8)轴剖面内切平面与斜截端面的夹角yo
    对相交连接钢管之一而言.yo是斜截端面和通过斜截端面曲线上任选点M的切平面和轴剖面相交线所夹的锐角.
    (9)轴剖面内焊接坡口角之半q,o/2
    对于相交连接钢管之一而言,斜截端面曲线上任选点M处的po/2是斜截端面和通过诙点的焊接坡日面与轴剖面相交线所夹的锐角.对两相交连接钢管而言,p0是在通过M点的两相交轴剖面内度量的.只有在Xl=±r/cosp和Yl=0处,两轴剖面重合,cPo=9。.后面将说明切割机是按在钢管轴剖面内控制gpo/2不变化时进行切割的.
4焊接弯头环节的数控火焰切割方案
    从圆钢管上切割焊接弯头环节时,接钢管是否运动有两种方案:一种是钢管在切割机主轴上卧式安装和转动,这适用于从长钢管上切割弯头环节,因钢管转动惯量大,须采用直流伺服系统或交流伺服系统驱动;另一种是钢管在切割机底座上立式放置不运动,这适用于从长度不太大的钢管上切割弯头环节,
    从圆钢管上切割焊接弯头环节时,接切割嘴轴线所处的切割位置不同又有两种方案:一种是切割机采用五轴联动数控,切割嘴在公共法剖面内切割,切割机的结构和控制复杂,价格很贵;另一种是切割机采用圆柱坐标系三轴联动数控(图5).切割嘴绕钢管轴线转动和沿钢管轴线方向移动.切割嘴在钢管轴剖面内绕设定中心摆动.设定摆动中心始终交于斜截端面曲线上,体现这种方案的切割机结构和控制较易实现.
    理论分析和计算结果证明:在钢管斜截端面曲线处切割变角度焊接坡口面时,使切割嘴轴线始终处于钢管轴剖面内,并按要求规律控制。的变化,按这种方案切割出的弯头相邻环节组装后,形成的实际焊接坡口角‰接近尹。,而且p愈小,vo愈接近尹。,二者间的误差在焊接坡口角的允许公差范围内,
图5三轴联动数控方案
    图5三轴联动数控方案
5三轴联动微机数控管切割机
    我们研制的GGK3 - 650型微机数控管切割机(图6),由切割装置-1、机头-2、横臂-3、立轴-4、数控装置-5、底座-6等部分组成,它采用三轴联动微机数控,钢管在切割机底座上立式放置不动.切割时,切割机主轴带着切割嘴转动和轴向移动.设计独特的变角度焊接坡口面火焰切割装置,使切割嘴轴线处于钢管轴剖面内,并使切割嘴绕其轴线上的设定摆动中心摆动,它摆动时能保证甜o按要求规律变化,
    这种切割机在武汉锅炉厂、湖北鄂州市压力容器厂和湖南临湘市机械厂获得了成功的应用.用这种切割机切割出的焊接弯头环节的变角度焊接坡口面表面粗糙度小,环节组装后环缝吻合良好,沿环缝整圈的实际焊接坡口角误差在允许公差范围内,与手工切割比,切割质量和切割效率大大提高.
6结论
    (1)由于焊接弯头环节斜截端面存在p角,为了保证相邻环节组装后,在整圈环缝的公共法剖面内,实际焊接坡口角在允许公差范围内,必须在环节斜截端面曲线处,切割出符合要求变化规律的变角度焊接坡日面,
    (2)按(1L)要求从圆钢管上切割焊接弯头环节斜截端面曲线,及其变角度焊接坡口面时,在钢管轴剖面内,控制预加工角哪o按要求规律变化,是较易实现的数控切割方案.
    (3)按(2)方案切割得到的焊接弯头相邻环节组装后,整圈环焊缝的实际焊接坡口角P。的误差在允许公差范围内.
    (4)GGK3 - 650型微机数控管切割机,采用圆柱坐标系三轴联动控制,能按(1)、(2)、(3)要求在圆钢管上优质、高效切割出焊接弯头环节.