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、焊縫質量不穩定、生產效率低等缺點［1-2］，無法滿足現今管道焊接生產要求。為提高生產效率并保證焊縫質量，中海油擬建立一條自動焊接生產線，采用焊接機器人實現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，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，焊槍固定的方式進行。使用KUKA焊接機器人實現焊槍的夾持、移動和定位；臥式焊接機床提供工件的夾持和旋轉驅動；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焊接工藝規范參數如表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，導致出現內凹等缺陷。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，大大提高焊接生產效率。但是焊接工件的長度和形狀復雜，要實現管道內焊縫處的背氣保護十分困難，如果采用管內直接通氣保護方式，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效率，因此該焊接工藝并不適應此自動化產線的要求。

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，但其電弧產生的高音噪聲無法有效消除，會造成環境噪聲污染，且焊縫背氣保護在實際焊機生產中間實現較為困難復雜，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Table 2 DC TIG backing welding process parameters

試驗中發現，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），焊縫也能實現全焊透，背面焊縫寬為4 mm，余高0.5 mm。

為適應現場實際工件的焊前狀態，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未焊透，在錯邊大的位置出現熔合不良，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，可根據實際焊件坡口及組對狀態選擇相應的焊接工藝，完全可以滿足實際焊接生產要求。

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、層間不熄弧，典型焊接參數如表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、層間不熄弧，典型焊接參數如表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，均未出現層間夾渣和未熔合等缺陷。經X射線探傷和力學性能評定，也未出現焊接缺陷，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要求，焊縫缺陷少，具有電弧穩定、飛濺小、焊接質量高等優點。

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。

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，達到焊接生產質量要求。相關評定數據如表6～表8所示。

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

表7 焊接接頭力學性能數據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要求。

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