管道預(yù)制自動焊工藝的開發(fā)及應(yīng)用

中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司 （江蘇儀征 211900） 路書永 閆冬冬

1. 概述

近年來隨著公司安裝工程項目的不斷拓展，優(yōu)秀焊工缺口比較大。另外，手工焊工培訓(xùn)周期長、成本高，而采用管道自動焊可以減少焊工人數(shù)，降低施工成本，并且自動焊工培訓(xùn)周期短、技術(shù)穩(wěn)定、受外界因素影響小。例如某化工裝置工藝管線材質(zhì)為304和321不銹鋼，由于工期緊、質(zhì)量要求高，加上優(yōu)秀焊工短缺，所以決定使用自動焊。

2. 管道預(yù)制自動焊工藝的選擇及介紹

（1）自動GMAW焊接 GMAW焊的電弧熱量集中，熔深相對較深；且焊接效率高，焊接變形小，并可以獲得含氫量較低的焊縫金屬。但用該工藝方法的焊接接頭力學(xué)性能稍差，有設(shè)計文件對GMAW工藝的使用具有一定的限制。

（2）埋弧焊 埋弧焊電弧熔深能力以及焊絲的熔敷效率都很高，且具有焊縫質(zhì)量高、勞動條件好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

但埋弧焊由于其自身在管道焊接方面具有一定的限制作用，故不能應(yīng)用管道打底焊接。

（3）自動TIG焊接 TIG焊可以焊接幾乎所有的金屬，焊接工藝性能好，明弧，能觀察電弧以及熔池，且電弧燃燒穩(wěn)定，無飛濺，焊后不需去渣和打磨，焊縫成形美觀；能實現(xiàn)全位置焊接，是實現(xiàn)單面焊背面成形的理想焊接方法。

但TIG焊熔深淺，熔敷速度慢，焊接生產(chǎn)率較低；鎢極載流能力有限，過大焊接電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其微?？赡苓M入熔池，造成焊縫金屬的污染。

通過對以上幾種焊接方法的對比，自動TIG焊接的工藝性能以及力學(xué)性能都較好，再加上管道焊接的工藝設(shè)計理念支持用TIG焊接，因此我們選用自動TIG焊接用于管道預(yù)制。隨著技術(shù)的進一步成熟，我們將逐步研究自動TIG焊接打底+埋弧焊填充蓋面的焊接方法進行管道預(yù)制。

3. 管道自動焊焊機的選擇

通過對國內(nèi)外一些自動焊廠家產(chǎn)品的市場調(diào)研，選用了某公司的管道預(yù)制自動焊設(shè)備（見圖1）。該設(shè)備由焊接電源、水箱、懸臂架、焊接控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)變位機及軌道組成；該焊機采用直流電源，具有自動焊接控制程序，能實現(xiàn)單面焊雙面成形，正反面成形光滑，無咬邊、焊瘤等焊接缺陷，電弧的穩(wěn)定性和挺度好，能夠保證優(yōu)質(zhì)可靠均勻的焊接質(zhì)量。

圖1 管道預(yù)制自動焊接設(shè)備

4. 材料的選擇及要求

（1）管材的要求 管道自動焊對母材的要求相對嚴(yán)格，鋼管的內(nèi)外表面不得有裂紋、折疊、軋折、離層和結(jié)疤存在, 不銹鋼管外徑、厚度允許偏差必須滿足GB/T13296—2007的要求，且厚度偏差需均勻一致，304及321不銹鋼的化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 304化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 321化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊材的要求 304不銹鋼選用ER308，φ1.2mm的焊絲，321不銹鋼選用ER321，φ1.2mm的焊絲，采購標(biāo)準(zhǔn)為YB/T5092—2005；鋼絲表面應(yīng)光滑，不得有銹蝕、氧化皮和其他對使用有害的缺陷，具體化學(xué)成分如表3、表4所示。

表3 ER308焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 ER321焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

5. 焊接工藝

（1）坡口加工及組對工藝 首先，采用V形坡口進行加工組對，工藝試驗結(jié)果按NB/T47014—2011和JB/T4730—2005的要求檢測，全部合格，如圖2所示。坡口組對如圖3及表5所示。

圖2 坡口加工要求

圖3 坡口組對示意

表5 坡口加工及組對參數(shù)

其次，組對工藝。①組對前將坡口及其內(nèi)外側(cè)表面≥20mm范圍內(nèi)的油、漆、垢、銹及毛刺等清除干凈，且不得有裂紋、夾層等缺陷。②坡口外表面用磨光機打磨，內(nèi)表面用內(nèi)磨機打磨，打磨時不允許破壞坡口加工面，必要時采用軟磨頭進行打磨。③組對間隙2～3mm，內(nèi)壁錯邊量不超過管壁厚度的10%。④定位焊正常焊3～4點，均勻分布，長度30mm左右，定位焊完畢后需打磨點焊點，使之剩余焊縫金屬厚度大約在1.5mm。厚度管道（一般當(dāng)厚度≥8mm時）定位焊需增加到6～8焊點。

（2）焊接工藝 首先，檢查自動焊設(shè)備各組成系統(tǒng)連接線接口是否接好；檢查設(shè)備水、氣是否通暢；焊接冷卻水箱加水，水位應(yīng)≥170mm；焊前需進行預(yù)旋轉(zhuǎn)，防止管子由于組對原因出現(xiàn)焊接變差，以及預(yù)防管子+彎頭焊接時撞擊到焊接電源；焊前需對管子進行水平度測量，及時調(diào)整夾具以及水平支撐，盡量避免出現(xiàn)管子傾斜的現(xiàn)象。經(jīng)過試驗，傾斜度高低差≤2mm；調(diào)整焊機的角度調(diào)節(jié)器應(yīng)在12:15～12:30之間，鎢極與瓷嘴必須垂直于工件；調(diào)節(jié)鎢極，使之對中管子坡口中心位置；焊接不銹鋼管時盡量選用φ7mm、φ8mm的噴嘴；焊接厚壁管時選用φ5mm、φ6mm的噴嘴。焊前起弧順序：先擺動→后起弧→再送絲，起弧時在間隙較小的點焊位置起弧；鎢極伸出瓷嘴長度在10mm左右；然而對于厚壁管，經(jīng)過試驗驗證，鎢極伸出長度可達到20mm，但此時需加大氣體流量，一般為15～20L/min；鎢極距工件高度在2mm左右，采用目視觀察；檢查鎢極是否打磨好，用砂輪機將鎢極端部打磨成錐狀，檢查焊絲是否在鎢極正下方位置，鎢極長度、焊絲與鎢極的距離、夾角及鎢絲與工件的距離等參數(shù)設(shè)置如圖4及表6所示。不銹鋼焊接時檢查背面保護氣體是否通暢，流量是否達到預(yù)定值。

圖4 鎢極與焊絲焊前設(shè)置示意

表6 鎢極與焊絲焊前設(shè)置參數(shù)

其次，焊接過程中應(yīng)及時調(diào)整焊機遙控器，一定要保證鎢極對中；焊接過程中及時調(diào)整電弧高度，觀察熔池，以出現(xiàn)橢圓形綠光為合適電弧高度。焊縫高度如果過高，要及時調(diào)整，提高焊接速度、降低送絲速度；焊縫高度如果過低，要降低焊接速度、提高送絲速度。打底焊在焊接到點焊位置時一定要斷續(xù)送絲，在焊接第二層結(jié)束后或者當(dāng)焊縫厚度≥4mm時，可不用背面保護氣體；不銹鋼氣體保護流量在10～20L/min；背保流量在5～15L/min，層間溫度≤150℃。焊后收弧順序：先停絲、后熄弧、關(guān)擺動；焊接厚壁管時應(yīng)采用多層多道焊，防止出現(xiàn)表面氧化的現(xiàn)象。每焊完一層后，檢查鎢極燒損情況，如燒損嚴(yán)重，更換鎢極。

（3）焊接工藝評定試驗結(jié)果 管道預(yù)制自動焊經(jīng)過304與321兩種不銹鋼管的焊接工藝評定試驗，外觀檢查結(jié)果全部滿足NB/T47014—2011的要求，無損檢測結(jié)果全部達到JB/T4730—2005Ⅰ級片的要求，力學(xué)性能試測結(jié)果全都合格（見表7）。因此自動焊工藝不僅在工藝性能上技術(shù)比較穩(wěn)定，而且在使用性能上也全部符合要求。

表7 自動焊力學(xué)性能試驗結(jié)果

6. 推廣應(yīng)用中常見問題的解決措施

（1）焊機安裝技術(shù) 在實際推廣過程中，進行管子+彎頭的焊接，如管件壁厚超過14mm，由于彎頭處重量較重，就會將水平支撐滾輪表面脫離；因此如焊接過程中出現(xiàn)壁厚超過14mm，就需增加水平支撐的數(shù)量，原有水平支撐2個，至少需再增加1個。

當(dāng)管子直徑＞200mm時，焊接過程中就會出現(xiàn)彎頭與焊機碰撞的現(xiàn)象；因此在以后安裝過程中要將旋轉(zhuǎn)變位機與焊機之間的距離加大，加大后的距離應(yīng)至少為60mm。

（2）焊接過程中出現(xiàn)夾渣的現(xiàn)象 原因分析：組對時出現(xiàn)錯邊；管子安裝時未進行水平度測量；焊接厚壁管時，焊道之間的溝槽過深。

解決措施：組對時嚴(yán)格控制管材錯邊量，錯邊量≤2mm；管子在焊前必須進行水平度測量，保證管子處于水平；焊接厚壁管時，要合理的調(diào)整焊道分布。

（3）焊接過程中的擺動技術(shù) 在焊接厚壁管時（一般管壁厚≥10mm），由于坡口角度為30°，導(dǎo)致填充以及蓋面時將會出現(xiàn)焊道以及焊縫過寬；焊接過程中鎢極擺動過大，將會出現(xiàn)氧化以及夾渣的現(xiàn)象，所以此時應(yīng)合理的進行焊道分布。經(jīng)過試驗可知：焊道擺動寬度以≤8mm為宜，擺動寬度為6mm時為最佳。

（4）焊后表面出現(xiàn)氧化的現(xiàn)象 原因分析：氬氣的純度不夠，達不到氬氣99.99%純度的要求；層間溫度過高；焊接速度較快，熔池未來得及保護；氣體流量與鎢極噴嘴大小不匹配；焊接電流、焊接速度等參數(shù)不匹配。

解決措施：確保氬氣的純度能夠達到99.99%的要求；嚴(yán)格控制層間溫度≤150℃。經(jīng)試驗得知：鎢極噴嘴不宜過小，一般應(yīng)用為7#噴嘴；在焊接厚壁管時出現(xiàn)噴嘴無法進行焊接的情況時，可將鎢極伸長至20mm，此時正面氬氣流量可加大至15～20L/min。適當(dāng)?shù)慕档秃附铀俣?，不易過快。

（5）焊接過程中氣孔的產(chǎn)生 原因分析：X射線探傷，發(fā)現(xiàn)氣孔主要出現(xiàn)在層間。主要原因包括：層間清理不干凈；每層送絲量過大，焊接層數(shù)少；噴嘴使用時間長，氣體透鏡有損壞，氬氣保護效果不理想。

解決措施：層間清理干凈；控制每層焊接送絲量，適當(dāng)增加焊接層數(shù)，減少熱輸入量；經(jīng)常檢查噴嘴、氣體透鏡，如損壞應(yīng)及時更換；如某一批材料焊接完后經(jīng)檢測，經(jīng)常性出現(xiàn)氣孔問題，需對材料進行化學(xué)分析試驗。

7. 結(jié)語

（1）應(yīng)用情況 焊接工藝評定合格后，將自動焊工藝應(yīng)用于該化工裝置厚壁不銹鋼工藝管線的焊接，共計施焊51道焊口，拍片224張，一次合格率達98%，滿足了工程進度的需要，解決了優(yōu)秀焊工短缺的矛盾。

（2）工藝創(chuàng)新 通過對管道預(yù)制自動焊的開發(fā)及應(yīng)用，掌握了管道預(yù)制自動焊的焊接技術(shù)，為下一步進行自動TIG+埋弧焊接的研究奠定基礎(chǔ)，并為后續(xù)的全面推廣起一定的指導(dǎo)作用。概括起來主要有以下創(chuàng)新：①管道預(yù)制自動焊焊接工藝在我公司首次進行開發(fā)以及應(yīng)用，具有長遠的戰(zhàn)略意義。②通過對自動焊工藝的開發(fā)，焊接參數(shù)基本確定，形成了一套自主的工藝成果。③降低了對人員的技能要求，緩解了公司急需大批量高技能焊工的狀況。④在焊接速度上，自動焊比手工焊提高很多，有利于批量化生產(chǎn)。

（3）注意事項 坡口加工及組對要求高，需要配套坡口加工機械設(shè)備；管道尺寸類型較多且具有一定的重量，車間需要配套的起重機設(shè)備。對管道焊接尺寸范圍具有一定的局限性，如需滿足所有管道類型的焊接，需要購買多套設(shè)備。焊機系統(tǒng)需要定期進行維護。