小直徑承壓管線機(jī)器人焊接方法試驗(yàn)研究

見(jiàn)飛龍，吉效科，白文雄，冉云飛，寇聯(lián)星

（中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠，陜西 西安 710201）

油田撬裝設(shè)備管道具有直徑小 （公稱直徑20～150 mm）、工作壓力等級(jí)較高 （公稱壓力1.6～32 MPa）特點(diǎn)，因此雖不屬于壓力管線元件，但通常采用焊接方式進(jìn)行制造。小直徑承壓管線的焊接通常采用人工氬弧焊打底、手工電弧焊填充蓋面，單面焊雙面成型工藝，這種傳統(tǒng)的人工焊接技術(shù)正在逐步被機(jī)器人自動(dòng)化焊接替代[1-6]。對(duì)于小直徑承壓管線而言，常用的自動(dòng)焊技術(shù)中，熔化極惰性氣體保護(hù)焊焊縫容易產(chǎn)生氣孔和裂紋，埋弧自動(dòng)焊熔池穩(wěn)定性差，冷絲氬弧焊的焊接效率低，熱絲氬弧焊雖然適用性相對(duì)高些，但其目前的焊接速度仍然不夠理想[7]。受控壓縮電弧焊技術(shù)是一種通過(guò)改進(jìn)焊槍結(jié)構(gòu)而獲得的新型氬弧焊技術(shù)，依據(jù)特制焊槍的結(jié)構(gòu)原理，此項(xiàng)焊接技術(shù)應(yīng)用于小直徑承壓管線的焊制可以有效提高焊接速度。文中以熱絲氬弧焊作為參照焊接方法，通過(guò)焊接對(duì)比試驗(yàn)，從單面焊雙面成型工藝、電弧和熔池行為調(diào)控機(jī)制、熔透控制及焊縫質(zhì)量等方面綜合評(píng)價(jià)受控壓縮電弧填絲焊在小直徑承壓管線機(jī)器人焊接中的應(yīng)用效果，探索更適合于小直徑承壓管線的機(jī)器人高效焊接方法。

1 小直徑承壓管線機(jī)器人焊接方法及工作原理

1.1 受控壓縮電弧焊

受控壓縮電弧焊[8]簡(jiǎn)稱PTIG，其特制焊槍能夠產(chǎn)生一種被壓縮的鎢極氬弧，這種電弧具有能量集中（能量密度可達(dá) 105～106W/cm2）、溫度高（弧柱中心溫度可達(dá)18 000～24 000 K）、焰流速度大 （可達(dá)300 m/s以上）、剛直性好等特點(diǎn)。PTIG本質(zhì)上是氬弧焊，但又不同于一般的氬弧焊，其受控壓縮電弧焊焊槍與熔池成型原理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 受控壓縮電弧焊焊槍與熔池成型原理示圖

圖1中，電弧的壓縮是依靠陶瓷芯噴嘴的拘束作用實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)拘束作用表現(xiàn)的方式，電弧壓縮分為機(jī)械壓縮、熱壓縮、電磁壓縮3種類型。

機(jī)械壓縮表現(xiàn)為柱狀電弧柱截面因?yàn)閲娮炜讖降闹苯泳惺鵁o(wú)法自由擴(kuò)大。熱壓縮表現(xiàn)為噴嘴處柱狀電弧能量密度和溫度的提高，這種提高源于噴嘴內(nèi)外的保護(hù)氣體的作用。保護(hù)氣體在噴嘴內(nèi)壁附近形成一層冷氣膜，冷氣膜在機(jī)械壓縮的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小柱狀電弧有效導(dǎo)電面積，從而強(qiáng)化了噴嘴的拘束作用。

電磁壓縮表現(xiàn)為柱狀電弧電磁收縮力的增大，這種增大是機(jī)械壓縮和熱壓縮的綜合效應(yīng)，機(jī)械壓縮和熱壓縮使得電弧電流密度增大，電弧電流自身磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁收縮力增大，更進(jìn)一步強(qiáng)化噴嘴的拘束作用。

受控壓縮電弧焊的焊接操作速度可采用填絲方法實(shí)現(xiàn)加快，這種情況下的受控壓縮電弧焊通常稱為受控壓縮電弧填絲焊。

1.2 熱絲氬弧焊

熱絲氬弧焊簡(jiǎn)稱TIG，其特點(diǎn)在焊絲上。焊絲載有低壓電流，電流對(duì)焊絲產(chǎn)生預(yù)熱作用，焊絲得以在較高溫度下進(jìn)入熔池并快速熔化，從而提高了熔敷速度，高溫焊絲同時(shí)降低了對(duì)電弧熱的消耗，進(jìn)一步提高了焊接速度。熱絲氬弧焊焊槍與熔池成型原理示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 熱絲氬弧焊焊槍與熔池成型示圖

2 小直徑承壓管線機(jī)器人焊接設(shè)備構(gòu)成及成本比較

2.1 機(jī)器人受控壓縮電弧焊

機(jī)器人受控壓縮電弧焊焊接設(shè)備主要包括機(jī)器人、焊槍（圖3）、等離子發(fā)生器及電源。其中，機(jī)器人為安川六軸機(jī)器人系統(tǒng)，電源為普通福尼斯焊接電源（設(shè)置為受控壓縮模式）。

圖3 機(jī)器人受控壓縮電弧焊焊接用焊槍

2.2 熱絲氬弧焊

機(jī)器人熱絲氬弧焊焊接設(shè)備主要包括機(jī)器人、焊槍（圖4）、熱絲電源和焊接電源[9-10]。 其中，機(jī)器人為安川六軸機(jī)器人系統(tǒng)，焊接電源為普通福尼斯焊接電源（設(shè)置為TIG模式），熱絲電源為EWM熱絲電源。

圖4 機(jī)器人熱絲氬弧焊焊接用焊槍

2.3 成本比較

受控壓縮電弧填絲焊焊接方法與熱絲氬弧焊焊接方法相比，主要設(shè)備基本相同。受控壓縮電弧填絲焊接方法的焊槍進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，成本增加1.5萬(wàn)元，熱絲氬弧焊焊接方法需要增加一套焊絲預(yù)加熱電源及配套系統(tǒng)，成本增加12萬(wàn)元，在設(shè)備投資上前者較后者更有優(yōu)勢(shì)。由于受控壓縮電弧填絲焊焊接方法熔深3～4 mm，接頭坡口填充量減少8%，故在后期使用過(guò)程中焊絲使用成本較低。

3 焊接對(duì)比試驗(yàn)

選取能夠覆蓋油田橇裝設(shè)備小直徑承壓管線中包含的對(duì)接和角接焊接接頭形式、焊件材質(zhì)和母材厚度的試件形式和試件材料進(jìn)行試驗(yàn)[11]。試驗(yàn)?zāi)覆臑?114 mm×13 mm的345C標(biāo)準(zhǔn)鋼管（符合GB/T 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》[12]）對(duì)接焊縫試件。

進(jìn)行機(jī)器人受控壓縮電弧填絲焊與機(jī)器人熱絲氬弧焊工藝對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)項(xiàng)目主要包含焊接電弧、熔滴、熔池形態(tài)、電壓、焊接電流、焊接速度、焊接效率、無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能以及彎曲性能試驗(yàn)等。

所有對(duì)接焊接接頭的外觀檢測(cè)、力學(xué)性能及測(cè)試和彎曲性能測(cè)試按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[13]要求進(jìn)行。無(wú)損檢測(cè)按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》[14]進(jìn)行 100%射線檢測(cè)，合格級(jí)別Ⅰ級(jí)，技術(shù)等級(jí)AB級(jí)。

沖擊試驗(yàn)采用寬度7.5 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件，沖擊功為標(biāo)準(zhǔn)沖擊指標(biāo)的75%。對(duì)所有的試驗(yàn)角接焊接接頭按照NB/T 47014—2011中的相關(guān)要求進(jìn)行外觀檢測(cè)。

所有的角接焊接接頭無(wú)損檢測(cè)按照NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》[15]進(jìn)行 100%磁粉檢測(cè)，合格級(jí)別Ⅰ級(jí)。母材Q345C力學(xué)性能測(cè)試和彎曲性能測(cè)試合格指標(biāo)要求為，焊接接頭拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度大于490 MPa，彎曲試驗(yàn)不得有單條長(zhǎng)度大于3 mm的開(kāi)口缺陷，沖擊試驗(yàn)0℃下標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功（KV2）平均值大于等于 24 J。

3.1 溶滴瞬態(tài)及熔池形態(tài)對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)視覺(jué)宏微觀探測(cè)，對(duì)比受控壓縮電弧填絲焊與熱絲氬弧焊狀態(tài)下的電弧狀態(tài)、溶滴瞬態(tài)及熔池形態(tài)特征，研究電弧形態(tài)、溶滴瞬態(tài)、熔池形態(tài)的演變規(guī)律。

3.1.1 熔滴過(guò)渡瞬態(tài)行為試驗(yàn)

試驗(yàn)通過(guò)高速攝像系統(tǒng)拍攝受控壓縮電弧焊的熔滴過(guò)渡行為[16]。試驗(yàn)采用的高速攝像機(jī)為美國(guó)PhantomRVEO 410相機(jī)。該相機(jī)采用了1280×800 CMOS傳感器，具有非常高的曝光精度以及幀速率和幀同步。試驗(yàn)中選擇的攝影頻率為1 000 f/s。由于受控壓縮電弧具有很高的能量集中，試驗(yàn)中通過(guò)使用減光片削弱弧光強(qiáng)度，保證了電弧弧光的強(qiáng)度適中，拍攝畫面較為清晰，從而可清楚觀察到焊絲的熔滴過(guò)渡過(guò)程。

進(jìn)行受控壓縮電弧焊堆焊試驗(yàn)、直流熱絲氬弧焊試驗(yàn)及熱絲氬弧焊試驗(yàn)。其中，受控壓縮電弧焊堆焊試驗(yàn)是主要試驗(yàn)，其焊接電流為120 A、焊接速度為20 cm/min。直流熱絲氬弧焊試驗(yàn)是參比試驗(yàn)，其電流為120 A。熱絲氬弧焊試驗(yàn)也為參比試驗(yàn)，按照電流頻率分為60 Hz熱絲氬弧焊試驗(yàn)和150 Hz熱絲氬弧焊試驗(yàn)。用高速攝像系統(tǒng)拍攝試驗(yàn)過(guò)程中電弧、熔滴狀態(tài)隨時(shí)間t的動(dòng)態(tài)變化，獲得圖像見(jiàn)圖5～圖9。

圖5 PTIG焊接過(guò)程電弧熔滴分時(shí)動(dòng)態(tài)圖

圖6 直流TIG焊接過(guò)程電弧熔滴0.002～0.005 s動(dòng)態(tài)變化圖

圖7 直流TIG焊接過(guò)程電弧熔滴0.006～0.013 s動(dòng)態(tài)變化圖

圖8 60 Hz TIG焊接過(guò)程電弧熔滴分時(shí)動(dòng)態(tài)圖

圖5動(dòng)態(tài)展示了電弧的形態(tài)、不同時(shí)刻熔滴的形成過(guò)程、動(dòng)態(tài)熔滴過(guò)渡到熔池的變化過(guò)程和熔池的變化過(guò)程。在t=0.002 s到t=0.013 s內(nèi)，電弧形態(tài)呈鐘形，爍亮區(qū)形態(tài)呈束狀。圖5a顯示,t=0.002 s時(shí)熔滴的過(guò)渡是從鐘狀邊沿過(guò)渡到熔池的邊沿的，熔滴過(guò)渡到熔池呈現(xiàn)流淌彎曲狀，且中間間斷。圖5b顯示,在t=0.003 s時(shí)熔滴過(guò)渡趨向到由熔池邊沿到逐漸靠近電弧鐘狀爍亮區(qū)中心的過(guò)程，且呈連續(xù)流淌狀態(tài)。圖5c和圖5d顯示，熔滴在t=0.004 s到t=0.005 s時(shí)更加靠近束狀的中心，即靠近熔池中心。圖5e顯示，熔滴在t=0.006 s時(shí)從鐘狀弧的邊沿進(jìn)入了熔池，且熔滴呈現(xiàn)出連續(xù)的流淌狀態(tài)。圖5f和圖5e顯示的過(guò)程一致，只是熔滴的流淌路徑長(zhǎng)度不同。圖5g～圖5m顯示了熔滴在焊絲端部的形成和長(zhǎng)大過(guò)程。另外，圖5還顯示，熔池深度隨時(shí)間增加而加深，加深量在2～2.8 mm。

由圖6和圖7所示的TIG焊接電弧熔滴動(dòng)態(tài)變化過(guò)程可知，在t=0.002 s到t=0.013 s時(shí)，直流TIG焊接過(guò)程中電弧熔滴形態(tài)呈現(xiàn)鐘罩狀，且電弧的形狀、大小始終保持一致，電磁力對(duì)電弧的磁偏吹影響也一致，鐘罩電弧處于穩(wěn)定狀態(tài)，熔滴的形態(tài)基本保持不變。

由圖8可知，60 Hz TIG焊接鐘罩狀電弧大小和形狀變化情況是，圖8a（t=0.002 s）、圖8b（t=0.003 s）、圖8c（t=0.004 s）電弧和爍亮區(qū)的大小形狀變化不大，在圖8d（t=0.005 s時(shí)刻）電弧形狀變小，爍亮區(qū)變暗，直到圖8e（t=0.006 s時(shí)刻）、圖8f（t=0.007 s時(shí)刻）爍亮區(qū)完全消失，從 t=0.008 s時(shí)刻到 t=0.013 s，即圖8g～圖8l，進(jìn)入下一個(gè)電弧過(guò)程，電弧形態(tài)、大小變化不大。在t=0.002s到t=0.0163s時(shí)段，出現(xiàn)3亮弧+6亮弧的現(xiàn)象。

由圖9可知，在t=0.002 s到t=0.010 s時(shí)間段，隨著時(shí)間增加，鐘罩弧尺寸逐漸變小直到消失。在t=0.011 s到t=0.013 s時(shí)間段，重新啟弧，弧的大小由小到大。

圖9 150 Hz TIG焊接過(guò)程電弧熔滴分時(shí)動(dòng)態(tài)圖

對(duì)比圖8和圖9可知，同為直流TIG焊，電弧的形態(tài)均呈現(xiàn)鐘罩狀，但隨著頻率的增加，鐘罩弧有由大變小的過(guò)程，鐘罩弧有向束狀弧變化的趨勢(shì)，熔滴尺寸也變小。相同條件下，熱絲氬弧焊與受控壓縮電弧焊相比，電弧形態(tài)呈鐘罩形，弧柱直徑較大、能量分布不集中、電弧挺度較小，不利于獲得深的熔透性，即使在改變電流頻率60 Hz、150 Hz的條件下，電弧形態(tài)依然未改變。

3.1.2 熔池流動(dòng)瞬態(tài)行為研究

通過(guò)熔池光譜視覺(jué)系統(tǒng)拍攝受控壓縮電弧焊的熔池流動(dòng)行為[17]，研究受控壓縮電弧焊電弧熔池行為的演變特征。熔池光譜視覺(jué)傳感采集系統(tǒng)是焊接過(guò)程中熔池變化實(shí)時(shí)狀態(tài)專用監(jiān)控設(shè)備，采用高清分辨率工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行采集，分辨率最高可達(dá)1 920×1 200 ppi，后端采用高端圖形工作站進(jìn)行圖像處理，最終得到不低于30 f/s的實(shí)時(shí)焊接熔池過(guò)程視頻。

熔池光譜視覺(jué)傳感采集系統(tǒng)由BASLER GigE相機(jī)、RICOH FL-CC2514A-2M 200萬(wàn)像素鏡頭和990 nm透紅外濾光片組成。高分辨率、高質(zhì)量的相機(jī)鏡頭組合配合透紅外濾光片，可獲得高質(zhì)量、高清晰度的熔池圖像。熔池視覺(jué)傳感采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集監(jiān)控焊接過(guò)程視頻和靜態(tài)圖像的數(shù)字錄制播放，并提供熔池輪廓提取、幾何特征參數(shù)采集。

開(kāi)展電流100 A、焊接速度22 cm/min時(shí)的受控壓縮電弧焊接試驗(yàn)，同時(shí)在相同電流下開(kāi)展直流熱絲氬弧焊試驗(yàn)作為對(duì)比組。在試驗(yàn)過(guò)程中，利用熔池光譜視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)拍攝電弧熔池形態(tài)的變化，獲得的熔池形態(tài)圖像見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 PTIG熔池視覺(jué)圖像

圖11 TIG熔池視覺(jué)圖像

由圖10可知，PTIG焊接電弧呈束狀，電弧挺度好，不受外界因素（磁偏吹、氣流等）干擾，焊縫平整，成型好。

融資租賃又稱金融租賃或現(xiàn)代租賃，是指出租人根據(jù)承租人對(duì)供貨人和租賃標(biāo)的物的選擇，由出租人向供貨人購(gòu)買租賃標(biāo)的物，然后租給承租人使用。融資租賃是一種融物與融資密切結(jié)合、以融物手段達(dá)到融資目的的信用形式。

由圖11可知，TIG焊接形成的電弧呈錐形狀，外界因素（磁偏吹、氣流等）對(duì)電弧的影響大，加熱范圍大，易形成熔池局部過(guò)熱區(qū)，過(guò)熱區(qū)的金屬出現(xiàn)流墮，焊縫不平整，焊縫成型質(zhì)量差。

對(duì)比圖10和圖11可知，相比于普通非受控壓縮電弧，受控壓縮電弧形態(tài)由鐘罩形向束狀轉(zhuǎn)變，電弧弧柱直徑變小、電弧能量更集中、電弧挺度好，具有更深的熔透性，熔池金屬更易鋪展，表面成型更加平整，焊道的質(zhì)量得到了較大提高，受控壓縮電弧焊接具有很大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)

3.2.1 焊接工藝參數(shù)

選取Q345C鋼管件進(jìn)行試驗(yàn)。Q354C屬普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%～0.22%，由于含碳量低，焊接性與綜合性能好，應(yīng)用廣泛，部分被用于制造鍋爐、容器等。

進(jìn)行Q345C鋼管件的機(jī)器人受控壓縮電弧焊對(duì)接單面焊雙面成型試驗(yàn)。鋼管直徑114 mm、壁厚13 mm，開(kāi)單邊45°坡口、留3 mm對(duì)接鈍邊。經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選后，確定的最優(yōu)工藝參數(shù)為，電流200 A、電壓 15～18 V、焊接速度30 cm/min、送絲速度1.8～2.0 m/min。同時(shí)作為對(duì)比組，進(jìn)行了該最優(yōu)工藝條件下熱絲氬弧焊試驗(yàn)。工藝試驗(yàn)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 2種焊接方法Q345C鋼管對(duì)接焊試驗(yàn)工藝參數(shù)對(duì)比

3.2.2 焊縫表面成型檢測(cè)

試驗(yàn)得到的Q345C鋼管機(jī)器人焊接焊縫外觀見(jiàn)圖12。

觀察比較圖12a和圖12b可知，與熱絲氬弧焊焊縫相比，受控壓縮電弧填絲焊焊縫表面更加平整，焊縫邊緣與母材的過(guò)渡區(qū)域更加平滑。這是電弧在焊接過(guò)程中受到壓縮后，弧柱熱源能量密度變得更集中、電弧挺度增大、熔池的流動(dòng)性增加、熔池鋪展更容易、熔池邊緣充分熔化與母材金屬結(jié)合更穩(wěn)定性的表現(xiàn)。

3.2.3 X射線無(wú)損檢測(cè)

開(kāi)展Q345C鋼管焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等缺陷的無(wú)損檢測(cè)。按要求制備無(wú)損檢測(cè)樣本，利用非破壞、高穿透性X射線對(duì)焊縫處進(jìn)行全面掃描，結(jié)果表明受控壓縮電弧焊和熱絲氬弧焊的工件焊縫層內(nèi)、層間界面結(jié)合良好、均無(wú)明顯缺陷，射線檢測(cè)結(jié)果符合試驗(yàn)要求。

3.2.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

進(jìn)行Q345C鋼管受控壓縮電弧填絲焊與熱絲氬弧焊焊縫成型組織的力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)所用拉伸、彎曲及沖擊試樣滿足NB/T 47014—2011中的相關(guān)規(guī)定和要求。拉伸性能測(cè)試在WAW-600B萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試溫度為室溫，試樣加載速率為0.5 mm/min。沖擊韌性試驗(yàn)在JB-S5000沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試樣缺口為V型缺口，測(cè)試溫度為0℃。彎曲性能測(cè)試在WAW-600B萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。拉伸、彎曲及沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3及表4。表2中，Rm為抗拉強(qiáng)度，ReL為屈服強(qiáng)度。表4中，試樣類型全部為V，缺口類型全部為焊縫，沖擊功測(cè)試條件為0℃。

表2 Q345C鋼管焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 Q345C鋼管焊縫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表4 Q345C鋼管焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，Q345C鋼管PTIG焊與TIG焊焊接試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。由表3可知，Q345C鋼管PTIG焊與TIG焊試樣焊縫的側(cè)彎滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由表4可知，Q345C鋼管PTIG與TIG焊縫沖擊功AKV2在160 J以上，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)Q345C鋼小直徑承壓管線進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接電弧、熔滴、熔池的瞬態(tài)觀測(cè)以及力學(xué)性能試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析表明，①受控壓縮電弧填絲焊電弧在機(jī)械壓縮、熱壓縮及磁壓縮作用下由普通的鐘罩形向小束型轉(zhuǎn)變，電弧弧柱直徑變小，電弧能量更集中，電弧挺度變大，熔池易于鋪展，有利于獲得深的熔透性。②受控壓縮電弧填絲焊焊接方法與熱絲氬弧焊焊接方法抗拉強(qiáng)度、彎曲性能和抗沖擊性能相近，且都符合技術(shù)指標(biāo)要求。受控壓縮電弧填絲焊焊接方法獲得的焊縫表面成型更好。③受控壓縮電弧填絲焊焊接方法能量密度更為集中，熔深更深，焊接填充量更小，焊接效率更高，焊接效率是熱絲氬弧焊焊接方法的2倍。④機(jī)器人受控壓縮電弧填絲焊焊接方法在焊接效率、運(yùn)行成本等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，具有較大的應(yīng)用前景。