基于參數(shù)匹配分析法的全自動(dòng)焊接技術(shù)管理研究

郗祥遠(yuǎn) 龔海洋 吳曉超 馬磊

1廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司

2華北油田公司第四采油廠

近年來(lái)，我國(guó)天然氣管道建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展階段，管道建設(shè)速度的加快直接推動(dòng)了全自動(dòng)焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[1-2]。相比于傳統(tǒng)的手工焊與半自動(dòng)焊，全自動(dòng)焊接具有焊道成型快、焊接質(zhì)量高、人為干擾少的優(yōu)點(diǎn)[3-6]。中俄東線管道工程建設(shè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接的全線推廣，并且隨著工程推進(jìn)，全自動(dòng)焊接設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化占比也逐漸提高[7-10]。全自動(dòng)焊接的廣泛推廣與設(shè)備國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用正處于持續(xù)發(fā)展與完善階段，全自動(dòng)焊接技術(shù)的管理也將是未來(lái)長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)的重點(diǎn)之一。

全自動(dòng)焊接的主要特點(diǎn)是參數(shù)內(nèi)置、自動(dòng)焊接與薄層多焊[11-13]。通過(guò)專家設(shè)置的焊接參數(shù)，利用自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備來(lái)進(jìn)行焊接，保證焊接的穩(wěn)定性并減少人為因素干擾。實(shí)際工程建設(shè)中，由于設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)導(dǎo)致穩(wěn)定性降低、坡口參數(shù)變化與錯(cuò)邊等因素會(huì)導(dǎo)致工藝參數(shù)匹配性差的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)焊層參數(shù)的穩(wěn)定性與焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響[14-17]。

目前，管道施工現(xiàn)場(chǎng)的全自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)用主要局限于從焊材與焊工角度上進(jìn)行管理，缺少對(duì)焊接參數(shù)以及焊層穩(wěn)定性的分析。本文對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行提取并測(cè)量焊層厚度，通過(guò)參數(shù)匹配性分析得到全自動(dòng)焊接參數(shù)設(shè)置的重要方法，提出了全自動(dòng)焊接技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理方法。

1 全自動(dòng)焊接數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

1.1 數(shù)據(jù)采集與分析方法

通過(guò)PCM 系統(tǒng)對(duì)全自動(dòng)外焊機(jī)A-610 焊接過(guò)程參數(shù)（包括焊接角度、焊接電壓、焊接電流、焊接速度與送絲速度）進(jìn)行采集，并將焊接數(shù)據(jù)傳輸至管道建設(shè)全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。采用“智能工地”實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)“智能工地”中數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，即可得到焊口各焊層的焊接參數(shù)。此外，根據(jù)“智能工地”得到的焊接參數(shù)，對(duì)單位焊接面積、焊接線能量與單位體積焊接能量進(jìn)行計(jì)算分析，具體計(jì)算方法如下：

式中：S為焊接面積，mm2；QL為焊接能量，J/mm-1；Vwi為送絲速度，mm/s；Sw為焊絲截面積，mm2；Vwe為焊接速度，mm/s；U為電壓，V；I為焊接電流，A；S為單位焊接面積，mm2；Ql為焊接能量；QV為單位體積焊接能量，J/mm3。

對(duì)各焊層（熱焊層與填充層）焊接前后的剩余壁厚進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)差值法得到各層的焊接厚度。蓋面層則采用焊接前剩余壁厚+蓋面余高的方式計(jì)算焊層厚度。各焊層均測(cè)量焊縫圓周0、1、3、5、6、7、9 和11 點(diǎn)位共8 個(gè)位置的焊層厚度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.2 焊接參數(shù)分析

某焊口的各焊層焊接參數(shù)如圖1 所示（填充焊層采用雙焊槍焊接方式，只顯示前焊槍參數(shù)；蓋面焊層只顯示C1 層），結(jié)果表明：各焊層的相關(guān)參數(shù)隨焊接角度的變化情況有明顯差異。由于焊接采用恒壓電源，因此各層的焊接電壓基本保持不變。全自動(dòng)焊接過(guò)程中各參數(shù)隨焊接角度變化的同時(shí)也保證與其他參數(shù)自動(dòng)匹配，保證熔化金屬量與熱輸送量處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 全自動(dòng)焊接各層焊接參數(shù)隨焊接角度變化情況Fig.1 Variation of welding parameters of each layer in fully automatic welding with welding angle

對(duì)于熱焊層，焊接速度基本保持不變，而焊接電流與送絲速度在4 點(diǎn)位和8 點(diǎn)位位置開(kāi)始降低，這會(huì)導(dǎo)致單位長(zhǎng)度熔池內(nèi)熔化金屬量的減少。對(duì)于填充層（F1 與F2），焊接電流、焊接速度與送絲速度均在5 點(diǎn)位和7 點(diǎn)位位置開(kāi)始降低。焊接速度與送絲速度兩個(gè)參數(shù)的相對(duì)變化情況對(duì)熔池內(nèi)熔化金屬量具有較大影響，若焊接速度相對(duì)于送絲速度降低幅度更大，則會(huì)增加單位焊接長(zhǎng)度的焊絲熔化量，從而導(dǎo)致焊接厚度的增加。對(duì)于蓋面焊層，焊接速度在5 點(diǎn)位和7 點(diǎn)位位置降低較為明顯，焊槍處于仰焊位置處，熔化金屬受重力作用下墜，焊接速度的降低便于焊工觀察熔池情況。

1.3 焊層厚度分析

從表1 中數(shù)據(jù)可知，各焊層單槍焊接厚度均小于3.50 mm，雙槍焊接厚度小于7.00 mm。熱焊層的各點(diǎn)位焊接厚度標(biāo)準(zhǔn)差較小，說(shuō)明焊接厚度較為均勻，這是因?yàn)樵摵笇雍附訁?shù)穩(wěn)定性較好且焊接速度高，焊道成型快，受外力因素影響較小。填充焊F2 層的平均厚度比F1 層有所降低，原因在于隨著焊接層數(shù)的增加，坡口逐漸放寬導(dǎo)致熔化金屬填充的高度增加。

表1 全自動(dòng)焊接各層各點(diǎn)位焊接厚度Tab.1 Fully automatic welding thickness at each layer and point mm

與其他焊層相比，熱焊層焊接速度快、送絲量大，起到后熱和去氫的作用。在焊接過(guò)程中，熱焊層在4 點(diǎn)位和8 點(diǎn)位單位長(zhǎng)度熔池內(nèi)熔化金屬量變少，但是受重力影響導(dǎo)致4—8 點(diǎn)位焊接厚度變化不大。對(duì)于填充焊層（F1 與F2）與蓋面焊層，當(dāng)焊接位置到達(dá)5 或7 點(diǎn)位后，焊接厚度隨焊接角度顯著增加。其中，填充層（雙焊槍）6 點(diǎn)位的焊接厚度比0 點(diǎn)位厚約0.5 mm，蓋面層6 點(diǎn)位的焊接厚度比0 點(diǎn)位厚約0.3 mm。從焊接參數(shù)方面來(lái)看，填充焊層與蓋面焊層在仰臉位置的焊接速度與送絲速度均降低，焊接厚度變化受熔池內(nèi)熔化金屬量與受力情況綜合影響。

1.4 參數(shù)匹配性分析

為了進(jìn)一步研究全自動(dòng)焊接參數(shù)設(shè)置規(guī)律以及參數(shù)匹配性，對(duì)焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各焊層單位焊接面積、線能量與單位體積能量隨焊接角度變化關(guān)系（圖2）。單位焊接面積即為垂直于焊接方向的截面上焊絲熔化所占的面積（不考慮焊絲熔化前后的體積變化與熔化金屬的流動(dòng)性），可表征單位長(zhǎng)度熔池內(nèi)熔化的金屬量。線能量為單位焊接長(zhǎng)度上輸送至熔池內(nèi)的能量（不考慮其他能量轉(zhuǎn)換形式），而單位體積能量為輸送至單位體積焊絲內(nèi)的能量。

圖2 全自動(dòng)焊接各層單位焊接面積、線能量與單位體積能量隨焊接角度變化Fig.2 Variation of unit welding area，line energy，and unit volume energy of each layer in fully automatic welding with welding angle

綜上可以看出，各焊層單位體積焊接能量隨焊接角度增加較為穩(wěn)定，能量值始終保持在29～31 J/mm3范圍內(nèi)波動(dòng)（不包括起弧與收弧階段）。結(jié)果表明，全自動(dòng)焊接過(guò)程中單位焊接面積與線能量變化保持同步。此外，單位體積焊接能量也可表示為

在全自動(dòng)焊接過(guò)程中焊接電壓、焊接電流與送絲速度會(huì)自動(dòng)進(jìn)行匹配，保證單位體積焊絲的熱輸送量不變。這是因?yàn)橐ＷC熔化后焊絲的溫度處于穩(wěn)定范圍，使焊絲金屬在熔池內(nèi)與母材金屬能夠良好熔合。

從圖2 可知，填充焊層（F1 與F2）與蓋面焊層在5—7 點(diǎn)位的單位焊接面積增加，導(dǎo)致融化焊絲在該區(qū)域內(nèi)積累。焊接厚度不僅受單位焊接面積影響，還與電弧力有關(guān)。電弧力較為復(fù)雜，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力等，對(duì)熔池產(chǎn)生機(jī)械作用的壓力統(tǒng)稱為電弧吹力。在電弧吹力的作用下，熔池內(nèi)熔化金屬被攪拌并且使其不受重力作用下墜[18-19]。為了觀察仰臉部位熔池狀態(tài)，焊接速度的降低幅度較大，即單位焊接面積增加，電弧吹力難以平衡熔化金屬重力，致使5—7 點(diǎn)位焊接厚度增加。因此，全自動(dòng)焊接過(guò)程應(yīng)從傳統(tǒng)的手工焊與半自動(dòng)焊管理模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，避免人為因素對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行過(guò)度干擾，保證焊接參數(shù)與焊層尺寸參數(shù)的穩(wěn)定性。

2 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理方法

全自動(dòng)焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化管理包括組織標(biāo)準(zhǔn)化管理、工藝與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化管理和焊接質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)化管理。

（1）組織標(biāo)準(zhǔn)化管理。組織標(biāo)準(zhǔn)化管理即培養(yǎng)有能力調(diào)整焊接工藝參數(shù)的專業(yè)人員，對(duì)焊接工藝參數(shù)的調(diào)整及焊接成型質(zhì)量負(fù)責(zé)。隨著全自動(dòng)焊接技術(shù)發(fā)展，焊接人員對(duì)焊接的參與程度逐漸弱化，因此要培養(yǎng)精通分析參數(shù)、指導(dǎo)參數(shù)調(diào)節(jié)的專業(yè)人才，及時(shí)應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)特殊情況，簡(jiǎn)化焊接技術(shù)問(wèn)題處理流程，提高全自動(dòng)焊接效率。

（2）工藝與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化管理。工藝與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化管理主要包括焊接工藝再細(xì)化管理以及焊接機(jī)組穩(wěn)定性維護(hù)管理。目前焊接工藝規(guī)程缺少對(duì)各焊層焊接厚度的明確規(guī)定，難以對(duì)焊接層厚度進(jìn)行管控，因此施工過(guò)程可能會(huì)偏離全自動(dòng)焊接“薄層多道焊”的理念。通過(guò)工藝規(guī)程再細(xì)化，落實(shí)各焊層的參數(shù)指標(biāo)，可達(dá)到過(guò)程細(xì)化、結(jié)果達(dá)標(biāo)的目的。此外，應(yīng)注重焊接機(jī)組的設(shè)備穩(wěn)定性維護(hù)，積極探尋各種因素（如設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)、變壁厚焊接等）對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性的影響，及時(shí)預(yù)防因設(shè)備不穩(wěn)定導(dǎo)致焊口質(zhì)量不合格或焊口外觀參數(shù)超標(biāo)的問(wèn)題。

（3）焊接質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)化管理。焊接質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)化管理主要是指對(duì)焊口無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與外觀檢查結(jié)果及時(shí)反饋，將焊口質(zhì)量與對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)統(tǒng)一分析，根據(jù)焊口質(zhì)量對(duì)工藝參數(shù)設(shè)置進(jìn)行評(píng)定，完善測(cè)試、監(jiān)控、分析與糾偏過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)全自動(dòng)外焊機(jī)的焊接參數(shù)與焊層尺寸的測(cè)量，分析了參數(shù)設(shè)置對(duì)焊接厚度的影響和全自動(dòng)焊接參數(shù)的匹配性規(guī)律。結(jié)合數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，從焊接專業(yè)技術(shù)人員培養(yǎng)、焊接工藝完善、焊接大數(shù)據(jù)分析與連頭焊接參數(shù)動(dòng)態(tài)化設(shè)置等方面，給出了全自動(dòng)焊接技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理方法和內(nèi)容。