管道預制自動焊工藝的開發及應用

中國核工業華興建設有限公司 （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，優秀焊工缺口比較大。另外，手工焊工培訓周期長、成本高，而采用管道自動焊可以減少焊工人數，降低施工成本，并且自動焊工培訓周期短、技術穩定、受外界因素影響小。例如某化工裝置工藝管線材質為304和321不銹鋼，由于工期緊、質量要求高，加上優秀焊工短缺，所以決定使用自動焊。

2. 管道預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性能稍差，有設計文件對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，且具有焊縫質量高、勞動條件好、生產效率高等優點。

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，且電弧燃燒穩定，無飛濺，焊后不需去渣和打磨，焊縫成形美觀；能實現全位置焊接，是實現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，其微粒可能進入熔池，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性能都較好，再加上管道焊接的工藝設計理念支持用TIG焊接，因此我們選用自動TIG焊接用于管道預制。隨著技術的進一步成熟，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制。

3. 管道自動焊焊機的選擇

通過對國內外一些自動焊廠家產品的市場調研，選用了某公司的管道預制自動焊設備（見圖1）。該設備由焊接電源、水箱、懸臂架、焊接控制系統、旋轉變位機及軌道組成；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，電弧的穩定性和挺度好，能夠保證優質可靠均勻的焊接質量。

圖1 管道預制自動焊接設備

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格，鋼管的內外表面不得有裂紋、折疊、軋折、離層和結疤存在, 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不銹鋼的化學成分如表1、表2所示。

表1 304化學成分（質量分數） （%）

表2 321化學成分（質量分數） （%）

（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，采購標準為YB/T5092—2005；鋼絲表面應光滑，不得有銹蝕、氧化皮和其他對使用有害的缺陷，具體化學成分如表3、表4所示。

表3 ER308焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 ER321焊絲化學成分（質量分數） （%）

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

其次，組對工藝。①組對前將坡口及其內外側表面≥20mm范圍內的油、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，內表面用內磨機打磨，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，檢查自動焊設備各組成系統連接線接口是否接好；檢查設備水、氣是否通暢；焊接冷卻水箱加水，水位應≥170mm；焊前需進行預旋轉，防止管子由于組對原因出現焊接變差，以及預防管子+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，及時調整夾具以及水平支撐，盡量避免出現管子傾斜的現象。經過試驗，傾斜度高低差≤2mm；調整焊機的角度調節器應在12:15～12:30之間，鎢極與瓷嘴必須垂直于工件；調節鎢極，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設置如圖4及表6所示。不銹鋼焊接時檢查背面保護氣體是否通暢，流量是否達到預定值。

圖4 鎢極與焊絲焊前設置示意

表6 鎢極與焊絲焊前設置參數

其次，焊接過程中應及時調整焊機遙控器，一定要保證鎢極對中；焊接過程中及時調整電弧高度，觀察熔池，以出現橢圓形綠光為合適電弧高度。焊縫高度如果過高，要及時調整，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送絲，在焊接第二層結束后或者當焊縫厚度≥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、關擺動；焊接厚壁管時應采用多層多道焊，防止出現表面氧化的現象。每焊完一層后，檢查鎢極燒損情況，如燒損嚴重，更換鎢極。

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

表7 自動焊力學性能試驗結果

6. 推廣應用中常見問題的解決措施

（1）焊機安裝技術 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壁厚超過14mm，就需增加水平支撐的數量，原有水平支撐2個，至少需再增加1個。

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

（2）焊接過程中出現夾渣的現象 原因分析：組對時出現錯邊；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，要合理的調整焊道分布。

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

（4）焊后表面出現氧化的現象 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、焊接速度等參數不匹配。

解決措施：確保氬氣的純度能夠達到99.99%的要求；嚴格控制層間溫度≤150℃。經試驗得知：鎢極噴嘴不宜過小，一般應用為7#噴嘴；在焊接厚壁管時出現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。適當的降低焊接速度，不易過快。

（5）焊接過程中氣孔的產生 原因分析：X射線探傷，發現氣孔主要出現在層間。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，適當增加焊接層數，減少熱輸入量；經常檢查噴嘴、氣體透鏡，如損壞應及時更換；如某一批材料焊接完后經檢測，經常性出現氣孔問題，需對材料進行化學分析試驗。

7. 結語

（1）應用情況 焊接工藝評定合格后，將自動焊工藝應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，解決了優秀焊工短缺的矛盾。

（2）工藝創新 通過對管道預制自動焊的開發及應用，掌握了管道預制自動焊的焊接技術，為下一步進行自動TIG+埋弧焊接的研究奠定基礎，并為后續的全面推廣起一定的指導作用。概括起來主要有以下創新：①管道預制自動焊焊接工藝在我公司首次進行開發以及應用，具有長遠的戰略意義。②通過對自動焊工藝的開發，焊接參數基本確定，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。

（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，需要購買多套設備。焊機系統需要定期進行維護。