等离子切割系统在螺旋焊管预精焊机组中的应用

1.概述

螺旋焊管制造业是将钢带按一定的螺旋线的角度卷成管，然后将管缝焊接制成钢管，当钢管长度达一定长度时（8-12m）需要将钢管从连续的生产线上切断。由于钢管的生产速度较慢（约1.5m/min），所以一般采用氧乙快火焰切割或等离子切割。

2011年公司从德国引进一套螺旋焊管预精焊机组，该机组生产的螺旋焊管具有管径大、壁厚大、材质高、生产速度快等特点，例如预精焊机组生产中1219mm x 18.4mm，x80的钢管，钢管生产速度为8.0m/min，最高可达12m/min。因此，在钢管连续高速的生产过程中，普通的氧乙炔火焰切割或等离子切割系统就难以完成切割，需要一种新型的钢管切割系统进行钢管高速生产过程中的切割。

2.技术难点

由于钢板材质、壁厚等因素，必然会影响钢管的切割速度与质量。预精焊机组预焊生产钢管速度非常快，以及现场一些设备自身的限制，在保证钢管正常连续生成的前提下，如何高质量的完成在线切割成为首要解决的难题。此外，在高速切割过程中精确运动控制也显得尤为重要。

3.引进的系统

为了实现钢管高速生产过程中在线切割，引进了一套钢管切割系统，该系统主要分为等离子和控制设备两部分，其中等离子设备采用伊萨的，包括等离子电源系统、冷却循环系统、流量控制系统及割炬等。等离子电源系统主要为该设备提供所需的电源。冷却循环系统通过水循环给割炬降温，该系统的循环水为去离子水。流量控制系统可以根据切割不同厚度的钢管，调节切割过程中的切割水、切割气的流量。在等离子切割中，等离子割矩内部的电极与钢管之间产生弧光放电，将气体等离子化，进而通过包围电极的喷嘴，将等离子弧收缩变细，形成高温高速的射流，吹到钢管上进行热熔切割。此时等离子流温度超过20 000℃，其速度达到3000m/s.

控制设备由西门子PLC、控制从站、力士乐伺服驱动器以及人机界面等组成。西门子PLC与控制从站通过力士乐伺服驱动器控制伺服电动机，实现对等离子设备的精确运动控制，保证钢管高速生产过程中的质量切割。人机界面可以调整机器参数以便实现对各种钢管的切割，此外HMI还可以实现对系统运行状态的监控，并在一些意外状况发生的时候能够加以处理。

4.应用情况

（1）优点 该套等离子切割系统需要根据钢板的厚度确定要使用的切割耗件、切割电流以及切割速度，在人机界面上通过远程控制设定等离子电源系统的切割电流以及割矩的切割速度。例如，在切割规格o1 219mm x 18.4mm钢管时，选择340A的电极和喷嘴，从而确定切割速度为2 800mm/min，该速度可以根据实际的切割质量进行调整。虽然等离子切割速度比较快，但是该切割速度远远达不到钢管生产时的旋转速度，为此采用一个环状切割装置，当生产的钢管长度达到设定长度时，该装置在西门子PLC以及伺服驱动器的精确控制下夹住钢管，从而带动切割小车跟随钢管等速前行，与此同时PLC控制等离子切割给予起弧命令，起弧后割炬围绕钢管旋转，通过控制割矩的旋转速度，实现等离子切割系统对钢管的在线切割。当钢管切割完毕后，PLC控制夹管装置松开钢管，切割小车回到起始位置，等待下一次切割。这样就能在保证钢管正常生成的前提下，实现了高速高质量的在线切割。

该系统完全采用PLC程序控制，自动化程度高，整个切割循环过程中，只需要设定好切割速度与钢管长度，切换到自动模式，系统就可以在PLC的控制下进行自动切割。该系统还具备故障预警与故障诊断的功能，当设备出现故障时，人机界面会提示出故障点，这就大大缩短了设备维护人员故障排查时间。在使用中，该等离子系统切割规格中1219mm x 18.4mm钢管时的切口宽度大约为3mm，其切割的切口表面质量如图3所示。从图3可以看出，该等离子系统切割钢管的切口表面非常光滑，完全满足钢管生产需要。此外，该套等离子切割系统基本上没有出现错口。

（2）不足及改进情况在实际的使用过程中，我们发现该等离子系统在切割过程中，起弧点穿孔过程中粘附的氧化物熔渣较多，这样在等离子割炬回到起弧点时，可能造成割嘴与氧化物熔渣的碰撞，会损坏割嘴，大大降低耗件的使用寿命。通过观察分析切割过程，发现穿孔中产生的氧化物熔渣量与起弧后的穿孔时间有关系，经过多次试验，找到了氧化物熔渣最少的起弧后的最优穿孔时间，通过调整PLC程序设定最优穿孔时间后，起弧点穿孔过程中粘附的氧化物熔渣量明显减少。该最优穿孔时间并非为定值，它与切割钢板厚度相关。

此外，我们还发现在钢管切割过程中在切割断口处会出现挂渣现象，为此，我们采用调整切割气体流量的方法，使钢管在切割过程充分燃烧，从而减少了切制断口处的挂渣。在实际切割过程中，调整后的等离子切割系统，无论是在起弧点穿孔过程中粘附的氧化物熔渣量，还是在切割断口处的挂渣量，相比以前都有了较为明显的减少。

5.结语

本文对螺旋焊管预精焊机组引进的高速等离子切割系统进行了初步探讨，通过实际生产，分析了该系统的优缺点，针对不足做出了相应的改进。该钢管切割系统具有切割速度快、切割质量好等优点，在螺旋焊管预精焊机组高速生产过程中，该系统能够完成钢管的高速在线切割。