大口徑長(zhǎng)輸管道單弧雙絲全位置自動(dòng)焊技術(shù)

王 瑋，張 鋒，趙勇強(qiáng)，龐亞峰

（1.中國(guó)石油天然氣管道局科技中心，河北廊坊 065000；2.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊 065000；3.中國(guó)石油天然氣管道局第三工程公司，河南中牟 451450；4.中國(guó)石油天然氣管道局第一工程公司，河北廊坊 065000）

0 引言

管道焊接中采用單絲焊時(shí)，如果焊接速度較高，電弧的熱量沒(méi)有向母材充分?jǐn)U散，形成的熔池小，周圍的母材溫度梯度大，熔池凝固快，熔化金屬來(lái)不及和母材充分熔合，因此焊縫余高大，容易產(chǎn)生咬邊甚至不成形，焊縫內(nèi)易出現(xiàn)未熔合缺陷。

TANDEM單弧雙絲焊 （見(jiàn)圖1（a））技術(shù)是國(guó)外從不協(xié)同雙絲焊技術(shù)發(fā)展起來(lái)的高效焊接技術(shù)，大弧雙絲焊槍里安裝了兩根按一定角度置放的焊絲，且相互絕緣，兩根焊絲分別由各自的電源供電 （見(jiàn)圖1（b）），且所有參數(shù)都彼此獨(dú)立，在保證每個(gè)電弧穩(wěn)定燃燒的前提下，將兩個(gè)電弧的相互干擾降到最低。

采用TANDEM單弧雙絲焊時(shí)，前絲焊接電流較大，有利于形成較大的熔深，后絲電流稍小，起到填充蓋面的作用；兩根焊絲互為加熱，充分利用電弧的能量，實(shí)現(xiàn)較大的熔敷率，使熔池里有充足的熔融金屬和母材充分熔合，因此焊縫成形美觀；一前一后兩個(gè)電弧，大大加長(zhǎng)了熔池的尺寸，熔池中的氣體有充足的時(shí)間析出，氣孔傾向極低；這種焊接方法雖然電流大，但焊接速度很快，因此熱輸入量反而小，焊接變形也很小。與其他焊接技術(shù)相比，熔敷速度快、焊接效率高、焊接質(zhì)量好、飛濺少。

正因?yàn)閱位‰p絲焊技術(shù)有上述技術(shù)特點(diǎn)，所以將單弧雙絲焊技術(shù)與管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)融合，開(kāi)展管道全位置單弧雙絲自動(dòng)焊技術(shù)研究并盡快將該技術(shù)應(yīng)用到長(zhǎng)輸管道施工中成為必然，同時(shí)管道單弧雙絲自動(dòng)焊技術(shù)將帶動(dòng)現(xiàn)有管道自動(dòng)焊技術(shù)及裝備升級(jí)，為我國(guó)管道建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 單弧雙絲焊技術(shù)在管道自動(dòng)焊施工中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，在根焊、填充焊以及蓋面焊過(guò)程中易產(chǎn)生未熔合缺陷（為了兼顧焊接規(guī)范和全位置成形），降低了焊縫一次合格率，嚴(yán)重影響了自動(dòng)焊技術(shù)的推廣應(yīng)用。而通過(guò)加大焊接規(guī)范參數(shù)來(lái)解決未熔合問(wèn)題又難以克服成形的難題，這一對(duì)矛盾一直影響著自動(dòng)焊技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

新型的單弧雙絲焊技術(shù)為解決高效、高質(zhì)量施工提供了一種技術(shù)途徑：由于單弧雙絲焊接過(guò)程中熔池的自然長(zhǎng)度和寬度均比現(xiàn)有自動(dòng)焊熔池大，在熱輸入相同的情況下，熔深又大，因而對(duì)克服邊緣未熔、層間未熔有非常明顯的效果 （見(jiàn)圖2）；由于單弧雙絲中的兩個(gè)獨(dú)立電弧相位差為180°（見(jiàn)圖3），且保證實(shí)現(xiàn)一脈一滴的過(guò)渡，避免了兩個(gè)電弧的相互干擾，增強(qiáng)了電弧和熔池的穩(wěn)定性，在全位置焊接中更容易保證焊縫成形和焊接質(zhì)量。

圖2 單弧雙絲與單弧單絲熔池及焊縫成形比較

圖3 單弧雙絲熔滴過(guò)渡形態(tài)及電流波形

2 單弧雙絲管道全位置自動(dòng)焊系統(tǒng)組成

下文闡述的管道全位置單弧雙絲自動(dòng)焊技術(shù)以Fronius公司的TPS 3200為基本單元，通過(guò)與現(xiàn)有自動(dòng)焊系統(tǒng)融合，利用管道全位置自動(dòng)焊的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，組成單弧雙絲管道全位置自動(dòng)焊系統(tǒng) （見(jiàn)圖4）。該系統(tǒng)由四臺(tái)Fronius公司的TPS 3200電源、四臺(tái)送絲機(jī)以及兩把雙絲焊槍組成。電源和送絲機(jī)分成兩組，每組兩臺(tái)電源通過(guò)協(xié)同控制板確定主從關(guān)系，送絲機(jī)與電源一一匹配，在焊接過(guò)程中主絲在前，輔絲在后。單弧雙絲焊槍采用強(qiáng)制水冷結(jié)構(gòu)，根據(jù)焊接工藝要求，主絲送絲速度大于輔絲送絲速度，實(shí)現(xiàn)大熔深和大熔寬的目的，進(jìn)而解決實(shí)芯焊絲管道全位置自動(dòng)焊過(guò)程中的未熔合問(wèn)題。

圖4 單弧雙絲全位置自動(dòng)焊系統(tǒng)

3 集成的全數(shù)字控制系統(tǒng)

全數(shù)字控制系統(tǒng)由兩部分組成：一部分是基于觸摸屏的專家焊接系統(tǒng)，用戶可通過(guò)該系統(tǒng)完成焊接參數(shù)的修改、上傳及下載；另一部分是主控系統(tǒng)，包括了電源模塊、主控單元 （DSP）、中間信號(hào)處理 （ARM）和焊接電源控制單元 （ROBOT5000）。

3.1 基于觸摸屏的專家焊接系統(tǒng)

專家焊接系統(tǒng)采用觸摸屏進(jìn)行焊接參數(shù)的輸入、輸出、修改、存儲(chǔ)，建立對(duì)不同管材、焊材、壁厚的網(wǎng)狀工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并配合RCU參數(shù)控制器實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)參數(shù)顯示及修改，積累工藝參數(shù)。在本系統(tǒng)中需要解決的技術(shù)問(wèn)題是觸摸屏與主控板的通訊，包括參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)、數(shù)據(jù)量的設(shè)定輸出等；另外，通過(guò)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸并存儲(chǔ)以不斷積累重要數(shù)據(jù)也是控制系統(tǒng)需具備的功能。

3.2 集成的全數(shù)字主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)主要包括直流電源模塊、PMAC控制卡、信號(hào)轉(zhuǎn)接板、ARM信號(hào)處理板、焊接電源控制板等部件，負(fù)責(zé)各種信號(hào)的處理、各種運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)和各種參數(shù)的修改、運(yùn)算。PMAC控制卡是以DSP數(shù)字信號(hào)處理器為核心，內(nèi)置單弧雙絲焊運(yùn)動(dòng)控制和參數(shù)調(diào)用程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸的控制、I/O接口控制和所有的運(yùn)算。DSP的高速運(yùn)算性能（20 MIPS）可確保多軸的控制、參數(shù)調(diào)用及相關(guān)運(yùn)算在極短的時(shí)間內(nèi)完成 （見(jiàn)圖5）。

4 焊接工藝

單弧雙絲管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)適用于窄間隙高速焊接，在管道全位置焊接過(guò)程中，熱焊、填充焊都無(wú)需擺動(dòng)，完全依靠電弧及熔池的自然寬度便可流暢地完成各層的焊接工作，且保證坡口邊緣的完美熔合 （見(jiàn)圖6）。坡口為復(fù)合U型坡口 （見(jiàn)圖7），單層板厚度2.5 mm，焊接電壓22 V，送絲速度8.0m/min（前絲）和7.5m/min（后絲）。

單弧雙絲全位置自動(dòng)焊焊縫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 單弧雙絲管道自動(dòng)焊工藝坡口

表1 單弧雙絲全位置自動(dòng)焊焊縫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

在進(jìn)行管道全位置焊接中存在的最大難點(diǎn)是仰臉焊成形較難，原因之一是焊工在高速焊接中觀察較困難，另外工藝參數(shù) （包括前絲和后絲的匹配）需要精確調(diào)整。而單弧雙絲全位置自動(dòng)焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得焊縫的缺陷大大降低，是值得盡快推廣應(yīng)用的技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文中研究的TANDEM單弧雙絲全位置自動(dòng)焊技術(shù)不但焊接速度高，且熔深大、自然熔寬大，對(duì)降低焊縫未熔合缺陷起到了很好的作用；通過(guò)將TANDEM單弧雙絲焊技術(shù)與現(xiàn)有自動(dòng)焊系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)融合，研制出全新的單弧雙絲管道全位置自動(dòng)焊機(jī)，并盡快完成全位置自動(dòng)焊接工藝研究，必將大大提高管道全位置自動(dòng)焊接的效率，同時(shí)可以有效解決焊接過(guò)程中未熔合等技術(shù)問(wèn)題，從而推動(dòng)管道全位置自動(dòng)焊接技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展。