油氣長輸管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接技術(shù)

曾惠林 王長江 楊雪梅 王新升 劉 然

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院 2.廊坊東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院

近年來，管道自動(dòng)焊接技術(shù)以自動(dòng)化程度高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、焊縫外觀成形好、焊接速度快、一次焊接合格率高等優(yōu)勢(shì)在油氣長輸管道工程現(xiàn)場(chǎng)焊接施工中得以推廣應(yīng)用［1－6］。由于管道路由、焊接工藝、裝備體積等因素的限制，管道自動(dòng)焊接技術(shù)多應(yīng)用于地勢(shì)較為平坦的施工環(huán)境中，在復(fù)雜施工環(huán)境中的應(yīng)用較少。自保護(hù)藥芯焊絲以全位置操作性優(yōu)越、焊接工藝性能好、抗風(fēng)能力強(qiáng)、電弧柔且指向性好、與母材熔合較好、裂紋傾向小、焊接操作窗口寬、易脫渣、焊接時(shí)無需保護(hù)氣體、焊縫未熔合缺欠低、風(fēng)速小于8m／s時(shí)不需防風(fēng)棚等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注［7－14］。

鑒于管道自動(dòng)焊接技術(shù)與自保護(hù)藥芯焊絲的顯著優(yōu)勢(shì)，中國石油天然氣管道科學(xué)研究院率先開展管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)的研制與焊接工藝的研究，借助現(xiàn)有的自保護(hù)藥芯成品焊絲，針對(duì)西氣東輸三線X80管線鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，探索合適的自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接參數(shù)，并結(jié)合管道自動(dòng)焊接與自保護(hù)藥芯焊絲的特點(diǎn)，提出進(jìn)一步研發(fā)適用于自動(dòng)焊接的專用自保護(hù)藥芯焊絲的合理化建議，以期指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用與自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接技術(shù)的持續(xù)深入研究。

1 管道全位置焊接及自動(dòng)焊接技術(shù)

1.1 管道全位置焊接特點(diǎn)

油氣長輸管道是由一根根平均長度在12m的鋼管通過管口焊接方式連接而成的，整個(gè)管口的焊接工序由管端坡口、管口組對(duì)、根焊、熱焊、填充焊及蓋面焊組成，且鋼管在焊接過程中固定不動(dòng)，可應(yīng)用手工電弧焊、半自動(dòng)焊或者自動(dòng)焊對(duì)管口進(jìn)行全位置焊接。目前，管道全位置焊接普遍采用下向焊的焊接方式，故而，相對(duì)于平面焊接的單一焊接狀態(tài)而言，管道全位置焊接的整個(gè)焊接過程是一個(gè)從平焊狀態(tài)到立焊狀態(tài)再到仰焊狀態(tài)的復(fù)雜變化過程，焊接參數(shù)隨焊接位置的不同而實(shí)時(shí)變化。

1.2 管道自動(dòng)焊接技術(shù)原理

管道自動(dòng)焊接技術(shù)是指借助自動(dòng)焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)管道相對(duì)固定時(shí)自動(dòng)焊接環(huán)焊縫的一種技術(shù)。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)控制裝卡在固定于待焊管口附近導(dǎo)向軌道上的焊接小車，繼而控制焊接速度、電弧的電壓、送絲速度、焊炬擺動(dòng)寬度及擺動(dòng)頻率等焊接參數(shù)的變化，以實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫全位置的自動(dòng)焊接。

2 管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)

管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)（以下簡稱為自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)）主要由安裝焊炬的焊接小車、導(dǎo)向軌道、自動(dòng)控制系統(tǒng)、焊接電源及送絲機(jī)等組成（圖1）。

圖1 自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)組成圖

2.1 工作原理

自保藥芯焊絲焊炬裝載于焊接小車上，焊接小車裝卡在固定于待焊管口附近的導(dǎo)向軌道上。自動(dòng)控制系統(tǒng)預(yù)置各項(xiàng)焊接工藝參數(shù)，準(zhǔn)確控制焊炬的空間位置、焊接速度、送絲速度、焊接電壓、擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)軌跡、擺動(dòng)速率等，從而實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫的高效全位置自動(dòng)焊接。焊接時(shí)，首先由1臺(tái)焊接小車從12點(diǎn)位置起弧，沿環(huán)縫的一側(cè)向6點(diǎn)位置焊接，待其離開12點(diǎn)位置后，另1臺(tái)焊接小車隨即移動(dòng)至12點(diǎn)位置并立刻起弧，沿環(huán)縫的另一側(cè)向6點(diǎn)位置焊接（圖2）。在確保2臺(tái)焊接小車空間不干擾的狀態(tài)下，保持起弧過程的最小時(shí)間差，以保證焊接過程中焊縫兩側(cè)應(yīng)力的基本對(duì)稱，可順序完成環(huán)縫的熱焊、填充焊、蓋面焊。值得注意的是，進(jìn)行下一層焊接前，必須對(duì)前一焊層進(jìn)行清渣處理。

圖2 自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接工作原理圖

2.2 機(jī)械部分

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)機(jī)械部分主要由焊接小車和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

2.2.1 焊接小車

焊接小車主要由焊炬角擺機(jī)構(gòu)與焊炬十字調(diào)整機(jī)構(gòu)構(gòu)成（圖3）。其中，焊炬角擺機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)焊炬最佳的角擺角度和擺動(dòng)頻率，有效避免焊接過程中產(chǎn)生未熔缺陷；焊炬十字調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)焊炬上下位置的調(diào)整與相對(duì)于焊縫寬度的左右位置調(diào)整，以滿足管道焊縫不同位置焊絲與管壁的間距要求及寬度要求。

圖3 管道焊接小車三維設(shè)計(jì)模型圖

2.2.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)的核心組成部分，主要由焊接小車行走機(jī)構(gòu)與導(dǎo)向軌道組成。行走機(jī)構(gòu)與導(dǎo)向軌道的配合使用可實(shí)現(xiàn)焊接小車沿管道外壁的周向運(yùn)動(dòng)。

行走機(jī)構(gòu)主要由行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)、大帶輪、小帶輪、同步帶、漲緊輪軸、主體架、傳動(dòng)齒輪軸、齒輪等組成（圖4）。

圖4 行走機(jī)構(gòu)模型圖

行走機(jī)構(gòu)的工作原理：驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大帶輪，然后通過漲緊輪軸將動(dòng)力傳遞給安裝于傳動(dòng)齒輪軸一端的小帶輪，帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪軸旋轉(zhuǎn)，繼而通過傳動(dòng)齒輪軸上的齒輪與導(dǎo)向軌道的齒嚙合，實(shí)現(xiàn)焊接小車的周向行走。

導(dǎo)向軌道采用分體式環(huán)形結(jié)構(gòu)，軌道由2塊半圓弧軌道通過連接頭和鎖緊把手連接而成，其上設(shè)有齒條，以實(shí)現(xiàn)與齒輪的動(dòng)力傳動(dòng)（圖5）。

圖5 導(dǎo)向軌道模型圖

2.3 控制部分

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)控制部分采用邏輯控制器（PLC）作為主控制器，完成數(shù)據(jù)計(jì)算和動(dòng)作控制。

2.3.1 焊接方式

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接是由2臺(tái)焊接小車帶動(dòng)焊炬分別從管道兩側(cè)獨(dú)立完成半圈管道外環(huán)縫的熱焊、填充焊、蓋面焊等焊接工序，將管道外環(huán)縫平均分為24段，即0點(diǎn)～0.5點(diǎn)、0.5點(diǎn)～1點(diǎn)……11.5點(diǎn)～12點(diǎn)，每把焊炬獨(dú)立完成其中的12段，可使焊接參數(shù)隨焊接小車位置的移動(dòng)而實(shí)時(shí)調(diào)整，以確保各焊接段焊接參數(shù)的準(zhǔn)確性。

2.3.2 自動(dòng)控制流程

通過手持控制器可選擇具體的焊接工序及各種控制按鈕，經(jīng)I／O總線進(jìn)行控制命令的發(fā)送（圖6）。所有焊接參數(shù)均寫入編程器中，并通過轉(zhuǎn)換控制單元傳輸。信號(hào)最終傳輸給PLC主控單元進(jìn)行處理，經(jīng)放大給整形單元整形后傳輸給各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

可編程PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，控制、協(xié)調(diào)各動(dòng)作的順序，并對(duì)手持控制器發(fā)出的控制指令做出反應(yīng)。綜合考慮PLC的輸入、輸出端口后，使用2個(gè)PLC相互協(xié)調(diào)、共同完成控制工作。

3 管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接工藝

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊焊接工藝為“內(nèi)焊機(jī)根焊＋自保藥芯焊絲自動(dòng)焊填充、蓋面焊”的多遍成形工藝。該工藝適用于X80鋼的長輸油氣管道，焊炬采用平擺方式、擺動(dòng)幅度根據(jù)坡口的寬度設(shè)定。

圖6 控制系統(tǒng)流程圖

3.1 坡口的確定

3.1.1 坡口形式及參數(shù)

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接工藝所用坡口形式為U形坡口（圖7）。

圖7 U形坡口示意圖

U形坡口參數(shù)分別為：坡口與圓弧相切，角度（α）為8°；內(nèi)坡口角度（β）為37.5°；高度（h）為1.25mm±0.15mm；圓弧半徑（R）為3.2mm；鈍邊（e）為1.5mm±0.15mm；管口組對(duì)錯(cuò)邊量小于等于1.5mm；管道無間隙組對(duì)坡口上開口寬度（W）為9.5mm±0.2mm。

3.1.2 坡口參數(shù)確定依據(jù)

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接坡口參數(shù)主要由焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)及效果確定。

1）當(dāng)α＝6°、W＝8.5mm時(shí)，坡口較窄，熱焊和填充焊均可采用直拉排焊方式，焊炬無需擺動(dòng)，熔敷效率高。但存在以下問題：①不利于熔池鐵水翻渣，易造成夾渣等缺陷；②焊絲在焊接過程中易接觸坡口端面而引燃電弧，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定；③清渣不方便，增加清渣時(shí)間和焊工勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）當(dāng)α＝8°、W＝9.5mm時(shí)，坡口寬度適中，既利于熱焊、填充焊和蓋面焊的焊縫成形，又避免夾渣，便于焊工清渣，焊接效率得到有效提高。

3）當(dāng)α＝10°、W＝10.5mm時(shí)，坡口寬度較大，利于鐵水翻渣及焊工清渣，且熱焊焊縫成形美觀。但填充焊層數(shù)增多，增大了焊材消耗量和焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，且寬坡口結(jié)構(gòu)需要焊炬大幅度擺動(dòng)，易破壞熔池的連續(xù)性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊緣未熔、咬邊和焊縫中心局部凹陷等缺陷，仰臉位置鐵水下墜嚴(yán)重，成形性極差。

3.2 焊絲選擇

焊絲的選擇主要依據(jù)焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)及焊縫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果而定。經(jīng)大量室內(nèi)外焊接試驗(yàn)，自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接用焊絲確定為Hobart 81N1＋成品焊絲，具有極強(qiáng)的電弧穩(wěn)定性、較好的焊縫成形及脫渣性。

3.3 焊接參數(shù)

3.3.1 焊接設(shè)備

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接工藝所需焊接設(shè)備為：內(nèi)焊機(jī)1臺(tái)；自保藥芯焊絲自動(dòng)焊系統(tǒng)一套（包含2臺(tái)焊接小車、2臺(tái)焊接電源、2臺(tái)送絲機(jī)）。

3.3.2 焊接參數(shù)

自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)的焊接參數(shù)見表1。

進(jìn)行熱焊、填充焊、蓋面焊時(shí)應(yīng)注意：0點(diǎn)～2點(diǎn)焊接段具有平焊特點(diǎn)，焊接電壓宜稍高、電流稍大；2點(diǎn)～4點(diǎn)焊接段具有立焊特點(diǎn)，熔池不易穩(wěn)定，鐵水易下墜，宜適當(dāng)減小焊接電壓，或適當(dāng)增大焊接電流，或適當(dāng)提高焊接速度；4點(diǎn)～6點(diǎn)焊接段具有仰焊特點(diǎn)，鐵水易下墜，焊接電壓宜較低、電流較小，焊接速度宜相對(duì)較慢。

表1 自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)焊接參數(shù)表

4 試驗(yàn)效果

試驗(yàn)證明，自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接過程平穩(wěn)，焊縫成形好，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、側(cè)彎性能、硬度值、沖擊功等力學(xué)性能均滿足X80管線鋼的焊接標(biāo)準(zhǔn)要求。其焊縫及熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。同時(shí)，自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接可進(jìn)一步降低焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效規(guī)避焊接施工中氣體供給帶來的不便，可降低管道焊接綜合成本。

表2 自保藥芯焊絲自動(dòng)焊接焊縫及熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表

5 結(jié)論與建議

1）管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，抗風(fēng)能力強(qiáng)，焊接過程平穩(wěn)。

2）管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)可有效提高焊接過程的連續(xù)性與穩(wěn)定性，確保焊接接頭的內(nèi)在質(zhì)量與外觀成形，進(jìn)一步降低焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低管道焊接綜合成本。

3）管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接工藝制訂合理，焊縫各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足管道工程建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，是管道焊接領(lǐng)域低成本且高效率的焊接工藝。

4）管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊接應(yīng)用現(xiàn)有的成品藥芯焊絲，盡管各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，若要取得更佳的焊接效果，建議進(jìn)一步研發(fā)適用于自動(dòng)焊接的專用自保護(hù)藥芯焊絲。

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