不銹鋼管自動高效焊接工藝

楊京華，史 媛，何敬宇，李志博

(大連船舶重工集團長興島船舶工程有限公司，遼寧 大連 116318)

在全球金融危機的持續影響下，船舶企業接船難、船價低，且船東、船檢對產品質量要求越來越細致，行業競爭也越來越激烈，同時勞動力人工成本上漲且不穩定。在這雙重壓力下，需我們挖掘內部潛力，從新工藝新技術以及自動焊高效焊接推進的深度和廣度著重入手開展研究，提高管子加工生產效率和產品質量，降低生產制作成本[1]。

不銹鋼管件焊接傳統工藝是采用手工氬弧焊方法進行全焊接，該方法僅適用于規格較小的不銹鋼管件焊接，而在浮式生產儲油卸油裝置(FPSO)上部模塊項目中大量采用316L不銹鋼管。該鋼管壁厚20～73 mm，焊接工作量大、焊接質量要求高，如仍采用傳統全手工焊接，將耗費大量人工成本和時間成本。為解決不銹鋼管焊接技術難題，深入開展自動高效焊工藝技術研究。

1 設計思路

研究一種采用自動轉胎、氬弧焊打底[2]、CO2自動焊固定位置填充蓋面方法進行焊接的新工藝，取代目前全部采用手工焊接操作的方法。

擬通過針對以下幾方面工作的研究和實施，實現不銹鋼管自動高效焊接的目標。

1)制定試驗初步方案，完成不銹鋼管自動高效焊自動轉胎工裝設計、調試工作。主要包括焊接胎架、焊槍固定裝置等前期準備工作。

2)重點突破不銹鋼管焊接冷卻工裝的設計、調試及試驗，解決焊接緩冷技術難題。

3)開展焊接試驗，摸索和確定CO2自動焊接各項工藝參數，包括焊接電流、電壓、速度等，并對焊接試管進行探傷、力學性能等相關檢測，驗證不銹鋼管自動高效焊接方法可行性。

本文擬通過工裝研制和焊接參數摸索攻克焊接冷卻技術難題，從設計原理上實現了不銹鋼管自動高效焊，并通過樣管驗證不銹鋼管自動高效焊接方法的可行性。

2 具體方案及研究內容

2.1 工裝設計

1)轉胎。對于大型管件需要轉胎提供承重，轉胎上的滾輪可隨管焊件進行勻速轉動。

2)焊槍固定裝置。CO2焊接的焊槍安裝至固定裝置后，可在前后、左右及上下各個方位調節至適合焊接的最佳位置。焊接時無需焊工按常規方法進行手工運條操作，但是必須實施監控并根據需要進行電流、電壓及干伸長的微調。

2.2 冷卻裝置

1)不銹鋼晶間腐蝕機理和焊接層溫控制。對于焊接接頭，離焊縫熔合線4.0～7.5 mm的熱影響區母材處于危險溫度范圍內，焊后敏化處理溫度在危險溫度范圍內，在晶界會析出大量碳化鉻，使得不銹鋼產生晶界腐蝕，焊接接頭晶間腐蝕也可能發生在焊縫區和熔合線上。

提高不銹鋼抗晶間腐蝕能力、防止晶間腐蝕的途徑都是從控制碳化鉻的沉淀來考慮，即從碳化鉻沉淀的分量、部位和沉淀物形成動力等方面考慮。控制危險溫度范圍的最有效方法就是控制層間溫度，目前工藝中層間溫度要求為≤150 ℃，而不銹鋼的導熱系數為普通碳鋼的1/3左右，即散熱性能差但層溫要求低。一般來說焊接10 min，要等待30 min才能讓層溫降至要求范圍，厚壁不銹鋼的焊接效率非常低下，如果焊接制作厚壁不銹鋼的數量龐大，往往需要大量焊工和工位，甚至影響焊接制作工期。

2)冷卻工裝設計及原理。不銹鋼焊接冷卻工裝如圖1所示，主要由氣水循環裝置和水密氣密堵板2部分組成，即在焊縫兩側一定體積內形成密閉空間，但可通入循環氣或水的工裝。其是為本次項目專門研發的一整套工裝，主要原理和作用有如下2點：①在氬弧焊打底焊接時，焊縫需要背面充氬氣保護，在焊縫裝配結束后，將進氣管通入氬氣，通過排氣管將空氣排出，待檢測保護氣體含量合格后即可焊接；②在使用CO2填充焊接前，將進氣管和排氣管分別接入循環水箱，待筒體內達到一定水位(根據壁厚情況調整)循環后，可進行焊接，這樣在整個焊接過程中循環水可將焊件的大部分熱量帶走，使層間溫度大大降低，基本可以實現連續焊接，大大提高焊接效率。

圖1 不銹鋼焊接冷卻工裝

3)焊接層溫對比。為驗證冷卻裝置的實際效果，在采用相同的CO2自動焊接情況下，分別對采用循環水冷卻和自然冷卻控制層溫的2組試驗進行了對比，根據試驗數據形成循環水冷卻和自然冷卻試驗數據折線對比圖見圖2。通過試驗發現，當采用自然冷卻時，焊接所需時間為467 min；采用循環水冷卻時，焊接所需時間為104 min。通過圖2可以看出焊接連續的2道焊道的間隔時間：采用循環水冷卻時是連續焊接，只有焊接時間，沒有冷卻時間；采用自然冷卻時，焊接連續的2道焊道間隔時間主要是自然冷卻至150 ℃的等待時間，而且隨著板厚增加，所需焊道必然增加，后續焊道的等待時間更長。

圖2 循環水冷卻和自然冷卻試驗數據折線對比圖

2.3 焊接試驗

1)焊接參數確認。為達到CO2自動焊提高焊接效率的目的，同時保證焊縫質量，經過反復試驗和調試，確定出CO2自動焊接適合參數范圍，如表1所示。

表1 CO2自動焊接適合參數范圍

2)試管焊接探傷及相關機械性能檢測驗證。攻克不銹鋼高效自動焊接技術難題后，編制不銹鋼管焊接試驗方案，按照試驗方案要求進行試管焊接[3]，試管焊接后分別做滲透(PT)和射線(RT)2項無損探傷檢驗，焊縫內無焊接缺陷。隨后做相關力學性能檢驗，檢驗項目及數量見表2，力學性能檢驗結果見表3。由表3可知，檢驗結果均滿足要求。

表2 力學性能檢驗項目及數量

表3 力學性能檢驗結果

3 成果應用情況及經濟效益

不銹鋼自動高效焊試驗的成功，填補了不銹鋼管自動高效焊接的空白。目前的研究成果可作為技術儲備，對于未來FPSO模塊中大量使用的不銹鋼、雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼的焊接具有指導性意義，并有以下優點。

1)顯著提高不銹鋼管焊接效率，針對不銹鋼管對接焊縫，尤其是厚壁管，通過層溫對比試驗可以看出，如采用CO2自動焊接技術，與傳統焊接相比，焊接施工效率可提高約3倍以上，對于海工模塊中的大量厚壁不銹鋼管的焊接制作，可節約出大量的焊工數量和時間成本。

2)在保證焊接質量前提下，自動焊接技術的使用可有效降低焊工操作難度和勞動強度。

3)根據經驗表明，即便在不能使用連續焊接的情況下，一般的手工焊接的層間溫度冷卻至合格溫度亦需大量時間，因此冷卻裝置的運用同樣可以顯著提高焊接生產效率。

4)對于其它同類材質焊接，冷卻裝置的適用意義更大，例如雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼的焊接，這類材質在FPSO的模塊中大量使用，層間溫度對焊縫質量影響更大，并且要求更為嚴格，要求層間溫度不能高于80 ℃，本技術的應用將更能提高焊接效率。