一种模拟管材在成型拘束力作用下焊接试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种模拟管材在成型拘束力作用下焊接试验方法及装置，由右限位立辊、右限位立辊丝杠调节机构、递送机构、导向机构、右夹紧立辊、右夹紧立辊丝杠调整机构、焊接装置、下压辊、压紧丝杠调节系统I、上托辊I、上托辊丝杠调整系统I、垫辊、垫辊丝杠调节机构、上托辊II丝杠调节机构、底座、左限位立辊、左限位立辊丝杠调节机构、左夹紧立辊、左夹紧立辊丝杠调整机构、上托辊III左丝杠调节系统、上托辊I左丝杠调节系统组成；通过该装置能够模拟焊管制造中，成型引起的大小不同的拘束应力、错边量以及合缝间隙状态下的焊接过程。

说明书

技术领域：

本发明属于焊管制造领域，涉及一种模拟管材在成型拘束力作用 下焊接试验方法及装置。

背景技术：

焊管生产过程是通过成型设备将板材连续卷曲制成管坯后采用 埋弧焊、TIG焊以及等离子焊接等焊接方法进行焊接。管材成型过程 中由于成型力的作用使焊接处产生了较大的拘束力。

拘束力是引起焊接应力造成焊缝缺陷和结构变形的重要原因之 一。例如螺旋埋弧焊钢管，其生产过程是利用了成型器的三辊弯板原 理，通过在机组设置障碍作用于运行的钢带之上，在弯矩的作用下使 钢板内层受挤压、外层受拉伸，变形由表面向里扩展，达到塑性或弹 塑性变形，并且在按照一定的螺旋角把钢带卷成所需外径的管坯的同 时进行埋弧焊接。生产过程中由于受到成型机构的作用，在母材上产 生了侧向挤压力以及垂直于钢带表面的使钢带产生弯曲变形的拘束 应力。拘束应力的大小和作用方式会引起焊缝错边、影响成型合缝间 隙的大小以及焊接处的稳定性，从而影响焊缝质量，甚至造成内焊撕 裂、热裂纹、夹渣、气孔等缺陷。因此，在螺旋埋弧焊管生产中对成 型器处拘束力的合理控制是提高生产质量的关键，目前还没有专用的 模拟装置对此过程进行模拟和研究。

发明内容：

本发明的目的在于解决上述现有技术的难点，提供一种模拟管材 在成型拘束力作用下焊接试验方法及装置。

本发明所解决的技术问题是模拟焊管制造中成型拘束力作用下 的焊接过程，研究成型拘束应力、板材塑性弯曲变形力以及成型缝错 边量大小对焊接过程及质量的影响。

本发明采用的技术方案：

一种模拟管材在成型拘束力作用下焊接的试验装置，包括底座、 设置在底座前端两侧的右限位立辊和左限位立辊、设置在底座前部的 递送机构和导向机构、设置在底座中部两侧的右夹紧立辊和左夹紧立 辊、设置在底座后部下压辊和设置底座后端的上托辊I；所述下压辊 前下方设置有垫辊，垫辊前方设置有上托辊II，上托辊II的左侧设置 有上托辊III；所述垫辊和上托辊II之间区域的上方设置有焊接装置。

所述右限位立辊上设置有右限位立辊丝杠调节机构，左限位立 辊上设置有左限位立辊丝杠调节机构；所述右夹紧立辊上设置有右夹 紧立辊丝杠调整机构，左夹紧立辊上设置有左夹紧立辊丝杠调整机 构；所述下压辊两端设有左右压紧丝杠调节系统；所述上托辊I的右 端设置有上托辊I右丝杠调整机构，上托辊I的左端设置有上托辊I 左丝杠调节系统；所述垫辊下端设置有垫辊丝杠调节机构；所述上托 辊II下端设有上托辊II丝杠调节机构；所述上托辊III下端设置有上托 辊III丝杠调节机构；所述递送机构包括由液压驱动的递送辊，递送辊 的辊形为双枣核形结构，递送辊与板材中心重合部分直径比两侧大 0.5mm；所述导向机构包括左导板和右导板，左导板和右导板上都装 有多个导向辊，导板安装在板材的上方并设置在上托辊III前方。

所述下压辊中部开有圆弧形凹槽，用于防止板材边缘在弯曲变 形过程中产生向内的厥嘴。

所述垫辊为弧面辊，其圆弧半径R2小于下压辊中部圆弧形凹槽 弧面半径R1，垫辊通过丝杠调节机构调整水平高度，在焊接处产生 一个预顶力防止板材边缘在弯曲过程中产生向外的厥嘴，且垫辊与下 压辊中心距大于垫辊半径。

所述上托辊II与递送辊距离是限位立辊与递送辊距离的3倍以 上，以确保夹紧立辊对板材具有有效的夹紧和导向作用，从而有效改 变成焊接处型缝间隙和侧向拘束力的大小。

所述上托辊I通过上托辊I右丝杠调整机构和上托辊I左丝杠 调整机构调节上托辊I与上托辊II、上托辊III之间的距离，从而改变 板材弯曲变形量和弯曲变形产生的拘束力。

基于所述试验装置的试验方法，按照如下步骤：

(1)上料：将右侧板材和左侧板材平行送入递送机构中，通过 递送辊连续送入试验装置内，在此过程中通过右限位立辊丝杠调节机 构调整右限位立辊位置、左限位立辊丝杠调节机构调整左限位立辊位 置，确保将板材水平、平行送入递送机构中；

(2)侧向拘束力施加：通过右夹紧立辊丝杠调整机构调整右夹紧 立辊位置、左夹紧立辊丝杠调整机构调整左夹紧立辊位置，向右侧板 材和左侧板材施加侧向夹紧力，从而对焊接处施加一定大小的侧向拘 束力，同时实现成型缝焊缝间隙大小的调节；

(3)弯曲变形力施加：通过下压辊、上托辊I、上托辊II、上 托辊III的三辊弯曲变形作用，使右侧板材和左侧板材发生弯曲变形， 使焊接处产生一定的弯曲变形拘束力；

(4)错边量调节：通过上托辊II丝杠调节机构调整上托辊II的 水平高度、上托辊III丝杠调节机构调整上托辊III的水平高度，使右侧 板材和左侧板材边缘处于不同的水平高度，从而在焊接处形成一定量 的错边；

(5)焊接：通过以上调节在板材对接焊处将产生侧向拘束力和 弯曲拘束力以及一定量的错边；采用焊接装置对焊接处进行焊接，整 个试验过程板材连续递送，从而达到模拟焊接的目的。

所述焊接为埋弧焊接、TIG焊接或等离子焊接。

本发明通过递送机构将两条板材连续不断的平行递送，在递送 过程中通过调整左、右限位立辊位置确保板材水平送入。板材在连续 递送过程中通过左、右夹紧立辊夹紧板材，向板材焊接处施加一定侧 向拘束力，同时通过夹紧力大小改变焊接处成型缝间隙大小；通过调 整下压辊、上托辊I、上托辊II、上托辊III位置形成三辊弯板原理作 用在板材上，使板材产生一定的弯曲变形，从而在板材焊接处上施加 一定大小的弯曲拘束作用力；通过调整上托辊II和上托辊III的水平高 度使焊接处板材边缘产生不同的水平高度形成一定量的错边；通过以 上调节在焊接处将产生侧向拘束力和一定量的错边以及因弯曲变形 产生的拘束力；在此条件下进行焊接，达到对焊管制造过程中焊接状 态的模拟。

本发明所取得的有益效果是：

通过该装置能够研究焊管制造中，不同大小拘束应力以及不同大 小的成型缝组对间隙、错边量的情况下的焊接过程。其所取得的有益 效果如下：

1)能够研究侧向拘束力大小对焊接过程及焊缝质量的影响；

2)能够研究成型过程中板材弯曲变形造成的拘束力大小对焊缝 质量的影响；

3)能够研究错边量大小对焊缝质量的影响；

4)能够研究成型缝间隙大小对焊接过程及焊缝质量的影响。

附图说明：

图1为本发明焊接试验装置的侧向示意图；

图2为本发明焊接试验装置的俯视图；

图3为焊接试验装置中递送辊辊形图；

图4为焊接试验装置中上压辊辊形图；

图5为焊接试验装置中垫辊辊形图；

其中：1为右限位立辊；2为递送机构；3为导向机构；4为右 夹紧立辊；5为焊接装置；6为下压辊；7下压辊右压紧丝杠调节机 构；8为右侧板材；9为上托辊I；10为上托辊I右丝杠调整机构； 11为垫辊；12为垫辊丝杠调节机构；13为上托辊II丝杠调节机构； 14为上托辊II；15为右夹紧立辊丝杠调整机构；16为底座；17为右 限位立辊丝杠调节机构；18为左限位立辊；19为左限位立辊丝杠调 节机构；20为递送辊；21为左导板；22为右导板；23为左夹紧立辊； 24为左夹紧立辊丝杠调整机构；25为上托辊III；26下压辊左压紧丝 杠调节机构；27为上托辊I左丝杠调节系统；28为左侧板材；29为 上托辊III丝杠调节机构。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-5，本发明包括右限位立辊、右限位立辊丝杠调节机构、 递送机构、导向机构、右夹紧立辊、右夹紧立辊丝杠调整机构、焊接 装置、下压辊、压紧丝杠调节系统I、上托辊I、上托辊丝杠调整系 统I、垫辊、垫辊丝杠调节机构、上托辊II上托辊II丝杠调节机构、 底座、左限位立辊、左限位立辊丝杠调节机构、左夹紧立辊、左夹紧 立辊丝杠调整机构、上托辊III上压辊左丝杠调节系统、上托辊I左丝 杠调节系统；

所述导向机构由左导板、右导板组成，导板上装有多个导向辊， 并与底座上安装的托辊共同引导板材沿水平方向均匀送进，能够有效 防止因前方板材弯曲变形对递送过程产生的阻力引起的板材打折现 象造成的递送速度不稳定；

所述递送机构采用液压传动，通过上下两个压辊传动将板材以一 定的速度连续向前传送，递送机构两侧压力可单独调节，从而可以分 别改变递送辊施加在两条板材上的递送力大小，以确保两条板材递送 速度能够调整到一致，递送辊辊形为双枣核形结构，其与板材中心重 合的部分比两侧直径大0.5mm，使递送辊在板材中部施加的递送力大 于在板材边缘施加的递送力从而有效防止板材跑偏，保证板材水平送 进；

所述下压辊中部开有圆弧形凹槽，能够防止板材边缘在弯曲变形 过程中产生向内的厥嘴；

所述垫辊为弧面辊，其圆弧半径R2小于下压辊中部圆弧形凹槽 弧面半径R1，垫辊可通过丝杠调节机构调整水平高度，在焊接处产 生一个预顶力防止板材边缘在弯曲过程中产生向外的厥嘴，且垫辊与 下压辊中心距大于垫辊半径；

所述上托辊II与递送辊距离是限位立辊与递送辊距离的3倍以 上，以确保夹紧立辊对板材具有有效的夹紧和导向作用，从而有效改 变成焊接处型缝间隙大小和侧向拘束力的大小；

所述上托辊I可通过上托辊I右丝杠调整机构和上托辊I左丝 杠调整机构调节与上托辊II之间的距离，从而改变板材弯曲变形量调 整板材所受弯曲变形力的大小。

本装置试验过程如下：

1)上料：将右侧板材和左侧板材平行送入递送机构中，通过 递送辊连续送入试验装置内，在此过程中通过右限位立辊丝杠调节机 构、左限位立辊丝杠调节机构分别调整限位立辊位置确保将板材水 平、平行送入；

2)侧向拘束力施加：通过右夹紧立辊丝杠调整机构和左夹紧立 辊丝杠调整机构调整右夹紧立辊、左夹紧立辊位置，向右侧板材和左 侧板材施加侧向夹紧力，在焊接处获得一定大小的侧向拘束力，同时 调整成型缝间隙大小；

3)弯曲变形力施加：通过下压辊、上托辊I、上托辊II、上托 辊III的三辊弯曲变形作用向右侧板材和左侧板材施加弯曲变形，从而 在焊接处施加一定的弯曲变形拘束力；

4)错边量调节：通过上托辊II丝杠调节机构、上托辊III丝杠调 节机构调整上托辊II和上托辊III的水平高度，使两块板材之间顶起高 度发生一定的变化，从而在焊接处产生一定量的错边；

5)焊接：通过以上调节在板材对接焊处将产生侧向以及弯曲拘 束力和一定量的错边，采用焊接装置在板材连续递送过程进行焊接， 焊接方式可选埋弧焊接、TIG焊接、等离子焊接等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何 形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以 限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案 范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰 为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与 修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。