海洋平臺管道自動焊接工藝研究

王永峰，陳彥賓，譚志成，曾 亮

1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司，天津 300459

2.哈爾濱工大焊接科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040

0 前言

目前中海油海洋平臺運維工程管線的預制管道對接環(huán)焊縫焊接工藝均為手工焊接，采用無鈍邊的V型60°坡口，手工TIG+人工填絲打底焊，焊接時預留有一定的間隙，以保證焊縫焊透及背面成形；填充及蓋面焊接采用焊條電弧焊。該工藝存在勞動強度大、焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低等缺點［1-2］，無法滿足現(xiàn)今管道焊接生產(chǎn)要求。為提高生產(chǎn)效率并保證焊縫質(zhì)量，中海油擬建立一條自動焊接生產(chǎn)線，采用焊接機器人實現(xiàn)管道對接焊縫打底自動焊，以及自動MAG氣保焊工藝進行焊縫的填充及蓋面［3］。

本文分別采用K-TIG/高頻TIG/填絲TIG焊進行不同焊接工藝下的打底焊試驗，以及脈沖過渡MAG填充+蓋面焊試驗，以探索在自動焊接條件下的焊接工藝參數(shù)，為自動焊接奠定工藝基礎。

1 試驗設備

試驗采用工件自動旋轉(zhuǎn)，焊槍固定的方式進行。使用KUKA焊接機器人實現(xiàn)焊槍的夾持、移動和定位；臥式焊接機床提供工件的夾持和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；TIG焊接設備為MILLER MAXSTAR400（具備5 000 Hz脈沖頻率的焊接電流輸出功能）；MAG焊接設備為FRONIUS TPS5000氣保焊接電源及送絲機；焊槍全部采用水冷，并配套了相應的冷卻水箱。K-TIG（Keyhole Tungsten Inert Gas，K-TIG）焊接電源為國產(chǎn)HTIG-1000及專用1000A焊槍。

2 試驗材料及坡口制備

試驗母材為無縫鋼管NPS4 XXS 20號鋼，尺寸Φ108 mm×18 mm；焊接形式為環(huán)縫對接；焊接材料采用實心焊絲H08Mn2SiA，Φ1.2 mm；保護氣體為：TIG打底/K-TIG——φ（Ar）99.99%，氣體流量為10～15 L/min；MAG填充+蓋面——混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量15 L/min。焊件尺寸100 mm+100 mm/組。焊件組對采用人工TIG點固，不少于4條點固焊縫，每段長度不小于10 mm。焊接坡口為60°V型坡口。坡口間隙決定了填充量和焊接時間，從而影響焊接生產(chǎn)效率，文中采用0 mm、1.2 mm兩種坡口間隙進行研究。焊接坡口制備如圖1所示。由于管件來料狀態(tài)存在圓度誤差及其嚴重銹蝕，因此為保證焊接工藝的嚴謹性，對管件內(nèi)外側都進行加工。

圖1 無鈍邊坡口加工Fig.1 Machining of bevels without blunt edges

為驗證K-TIG深熔焊的熔深及背面成形，制作了一批預留5 mm和3 mm鈍邊的試焊件；為驗證TIG高頻焊的熔深及背面成形，制作了一批預留1 mm鈍邊的試焊件；為驗證TIG打底焊的適應性，制作了一批管內(nèi)外側不加工、僅加工成單側30°坡口無鈍邊的試焊件。

3 工藝試驗

3.1 K-TIG打底焊接工藝研究

K-TIG高效熔深氬弧焊工藝是在傳統(tǒng)TIG焊基礎上將300 A以上電流配以冷卻加強的焊槍形成小孔效應，以此達到增加熔深的目的。針對碳素合金鋼對接焊縫可一次性焊透12 mm，無需開坡口，1 mm以內(nèi)焊縫錯邊不敏感，因此在中厚板的焊接中具有顯著的焊接生產(chǎn)效率［4-6］。

試驗中將K-TIG焊用于厚壁管道對接焊縫的根部打底焊接，不填絲，60°V型坡口，鈍邊分別為5 mm和3 mm，分別采用無間隙和1.2 mm對接間隙進行試驗對比。鈍邊5 mm的K-TIG焊接工藝規(guī)范參數(shù)如表1所示，焊縫成形如圖2所示。

圖2 K-TIG深熔焊焊縫成形（鈍邊5 mm）Fig.2 Weld formation of K-TIG deep penetration welding（blunt edge 5 mm）

表1 鈍邊5 mm的K-TIG焊接工藝試驗參數(shù)Table 1 K-TIG welding process test parameters with 5 mm blunt edge

由圖2可知，在60°V型坡口、5 mm鈍邊（相當于平板對接厚度12 mm）條件下，可實現(xiàn)K-TIG的單面焊雙面成形，且背氣保護是背面焊縫成形的關鍵，無背氣保護時背面焊縫氧化燒損嚴重，導致出現(xiàn)內(nèi)凹等缺陷。此外，K-TIG焊工藝能夠適應2 mm以下間隙焊縫的無填絲焊接。

鈍邊3 mm的背面焊縫成形與鈍邊5 mm類似，其中焊接電流450A，焊接速度200 mm/min。

因此，中厚壁管道對接環(huán)縫可以采取K-TIG深熔焊接工藝。由于其大熔深的特點，在相同壁厚的情況下，留3～5 mm鈍邊的V型坡口進行施焊，能顯著減少坡口填充面積，大大提高焊接生產(chǎn)效率。但是焊接工件的長度和形狀復雜，要實現(xiàn)管道內(nèi)焊縫處的背氣保護十分困難，如果采用管內(nèi)直接通氣保護方式，消耗保護氣的量很大，且管子兩端的封頭裝卸及通氣時間長也十分影響生產(chǎn)效率，因此該焊接工藝并不適應此自動化產(chǎn)線的要求。

3.2 高頻TIG打底焊接工藝

與直流TIG焊和低頻TIG焊接電弧相比，高頻電弧的弧柱收縮明顯，指向性好，且熔深能滿足焊接要求［7］。采用高頻1 000～3 000 Hz的TIG焊接，焊接電流120～150 A，焊接速度90 mm/min，焊縫表面成形如圖3所示。但無背氣保護下的背面焊縫燒蝕嚴重（見圖4a），與K-TIG焊無背氣時相同；有背氣保護時，背面焊縫余高很小，基本與管內(nèi)壁齊平（見圖4b）。

圖3 高頻TIG打底焊道表面成形Fig.3 Surface forming of high frequency TIG backing weld bead

圖4 高頻TIG打底焊背面焊縫Fig.4 Back weld of high frequency TIG backing welding

從試驗結果可知，與直流TIG焊和低頻TIG焊接電弧相比，高頻TIG電弧的弧柱收縮明顯，指向性好，頻率越高，焊縫穿透性越好，且能形成“小孔”焊接效果，焊縫熔深大且焊縫背面成形美觀，可以滿足焊接生產(chǎn)工藝要求［8］。高頻TIG焊雖然可以解決鈍邊1 mm、間隙0 mm的熔透問題，但其電弧產(chǎn)生的高音噪聲無法有效消除，會造成環(huán)境噪聲污染，且焊縫背氣保護在實際焊機生產(chǎn)中間實現(xiàn)較為困難復雜，不適應自動化的高效率要求。

3.3 無對接間隙及鈍邊的直流TIG打底焊

試驗采用直流TIG+自動填絲的焊接方式，對60°V型坡口、無組對間隙及鈍邊、組對錯邊小于0.5 mm的對接焊縫進行了20組焊接工藝研究。直流TIG打底焊接工藝參數(shù)如表2所示，焊接過程中無背氣保護。焊縫成形如圖5所示。

圖5 直流TIG打底焊焊縫成形Fig.5 Weld formation of DC TIG backing welding

表2 直流TIG打底焊接工藝參數(shù)Table 2 DC TIG backing welding process parameters

試驗中發(fā)現(xiàn)，當焊接電流為155～165 A時焊縫正反面均成形良好，余高小于0.5 mm，寬度3 mm，焊縫厚度4.5 mm，但加工或組對誤差導致對接處錯邊大于0.3 mm時，錯邊處易出現(xiàn)未焊透。當電流達到180 A時，即使存在錯邊（≤0.5 mm），焊縫也能實現(xiàn)全焊透，背面焊縫寬為4 mm，余高0.5 mm。

為適應現(xiàn)場實際工件的焊前狀態(tài)，即管件存在圓度誤差和組對誤差，加工制作了多組模擬焊件，焊件只加工了60°V型坡口，坡口邊緣部分有鈍邊存在（圓度誤差產(chǎn)生），最大鈍邊達到1.5 mm，焊道兩側采用人工除銹處理，并進行了人工組對。焊件組對采用無間隙和預留間隙1.2 mm兩種方式，各2組，組對后存在錯邊，最大錯邊達到1～1.5 mm。焊接規(guī)范如表3所示，焊縫形貌如圖6所示。

表3 模擬實際焊件的直流TIG打底焊接規(guī)范Table 3 Specification for DC TIG backing welding simulating actual weldments

圖6 焊縫形貌Fig.6 Weld appearance

試焊證明，無間隙焊接的焊件焊縫有鈍邊處出現(xiàn)未焊透，在錯邊大的位置出現(xiàn)熔合不良，成形差。預留1.2 mm間隙的焊件焊縫熔合良好，全焊透，且背面錯邊處也可形成良好的焊縫成形。

終上所述，石油厚壁管件采用直流TIG+填絲的焊接工藝，可根據(jù)實際焊件坡口及組對狀態(tài)選擇相應的焊接工藝，完全可以滿足實際焊接生產(chǎn)要求。

3.4 MAG填充及蓋面焊接工藝研究

MAG填充及蓋面焊接試件全部采用前述的無間隙填絲TIG焊工藝，且根部焊縫背面成形良好、無咬邊及未焊透等缺陷的焊件［9］。填充坡口如圖7所示。

圖7 待焊焊縫坡口示意Fig.7 Groove diagram of weld to be welded

3.4.1 試驗1——短路過渡MAG焊

試驗1采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體保護下的短路過渡MAG焊進行填充和蓋面焊接，焊槍擺動工件旋轉(zhuǎn)、層間不熄弧，典型焊接參數(shù)如表4所示，焊縫成形如圖8所示。

圖8 短路過渡MAG焊縫成形Fig.8 Weld formation of short circuit transition MAG

表4 典型短路過渡MAG焊接規(guī)范Table 4 Specification for typical short circuit transition MAG welding

焊后將工件沿焊縫垂直方向剖開，焊縫填充層出現(xiàn)明顯的層間夾渣和未熔合。另外采用X射線探傷進行焊縫探傷，也出現(xiàn)了相應的夾渣和未熔合缺陷。

綜上所述，短路過渡MAG焊接工藝并不適應本項目的焊接生產(chǎn)要求。

3.4.2 試驗2——脈沖過渡MAG焊

試驗2采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體保護下的脈沖過渡MAG焊接工藝，焊槍擺動工件旋轉(zhuǎn)、層間不熄弧，典型焊接參數(shù)如表5所示，焊縫成形如圖9所示。焊后將工件沿焊縫垂直方向剖開，均未出現(xiàn)層間夾渣和未熔合等缺陷。經(jīng)X射線探傷和力學性能評定，也未出現(xiàn)焊接缺陷，力學指標均符合要求，為一級焊縫。

表5 典型脈沖過渡MAG焊接規(guī)范Table 5 Specification for typical pulsed transition MAG welding

圖9 脈沖過渡MAG焊縫成形Fig.9 Weld formation of pulsed transition MAG

綜上所述，在相同焊接電流及焊接速度下，脈沖MAG焊接工藝更適應實際焊接生產(chǎn)要求，焊縫缺陷少，具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、焊接質(zhì)量高等優(yōu)點。

4 焊接工藝評定

我司委托上海伏能士公司采用FRONIUS TPS600i焊接系統(tǒng)進行了管件根部CMT打底焊縫及脈沖MAG填充蓋面焊接試驗，具體焊接規(guī)范如圖10所示，焊縫形貌如圖11所示。

圖10 CMT打底及脈沖MAG焊接工藝Fig.10 CMT backing and pulse MAG welding process

圖11 CMT打底及脈沖MAG焊的根部焊縫及蓋面焊縫Fig.11 Root weld and cover weld of CMT backing and pulse MAG

上述試驗由于送交的焊件數(shù)量有限，焊接試驗進行得不夠充分，但從目前的焊件情況看，根部焊縫成形良好，但蓋面焊縫填充不飽滿，需要進一步完善相應的焊接參數(shù)。

5 焊接工藝評定

焊后將試件按美標ASME BPVC相應文件進行X射線無損探傷和機械力學性能評定，評定結果表明所焊焊縫均符合相關要求，達到焊接生產(chǎn)質(zhì)量要求。相關評定數(shù)據(jù)如表6～表8所示。

表6 中海油20#鋼焊件低溫沖擊試驗數(shù)據(jù)Table 6 Low temperature impact test data of CNOOC 20#Steel Weldment

表7 焊接接頭力學性能數(shù)據(jù)Table 7 Mechanical property data of welded joints

表8 焊接接頭X射線探傷檢測Table 8 X-ray inspection of welded joints

6 結論

（1）K-TIG深熔焊接工藝具有大熔深的特點，可有效減少焊接坡口的焊接填充量，縮短焊接生產(chǎn)時間，提高焊接效率。且該工藝對焊接組對間隙和錯邊具有較寬的容忍度，較為適應實際焊接工況下的焊件焊接。

（2）CMT打底及脈沖MAG焊接工藝基本滿足管件的焊接要求，且可實現(xiàn)單套設備一次完成全部焊縫焊接的能力，設備投入成本少。

（3）對接焊縫的根部焊縫采用直流TIG+自動填絲的打底焊接工藝，在管件圓度和組對誤差得到控制的條件下，可以滿足實際焊接工況下的焊接生產(chǎn)要求。

（4）脈沖MAG焊的填充及蓋面焊接工藝焊縫質(zhì)量高，可以滿足實際焊接工況下的焊接生產(chǎn)要求。