管道自動(dòng)焊接過(guò)程中微調(diào)控制的作用機(jī)理

林紅香， 端 云

（南京華東鋼管制造有限公司， 南京212001）

0 前 言

在管道對(duì)接環(huán)縫焊接中， 常因管件尺寸和形狀等條件限制， 難以進(jìn)行管道里口的焊接， 其接頭也往往未完全焊透。 為此， 通常采用單面焊雙面成形技術(shù)（背面不加襯墊） 來(lái)保證焊道根部均勻平整， 避免出現(xiàn)咬邊、 弧坑及未焊透等焊接缺陷[1]。 由于氬弧焊工藝具有工藝性能好、 易觀察電弧及熔池、 熱輸入容易控制等特點(diǎn)， 結(jié)合自動(dòng)打底焊技術(shù)可有效保證單面焊雙面成形的要求，在壓力容器及承壓管道的預(yù)制和安裝中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)， 某些管道焊接采用自動(dòng)打底單面焊雙面成形技術(shù)， 同樣受到管件、 管材質(zhì)量及組對(duì)精度的影響[3]， 由于在實(shí)際自動(dòng)焊接過(guò)程中進(jìn)行了規(guī)律性的適時(shí)微調(diào)， 很大程度上改善了焊縫質(zhì)量在錯(cuò)邊量、 間隙、 坡口面等變量因素條件下的波動(dòng)[4]。 本研究重點(diǎn)探討了與上述一元或多元變量因素條件下對(duì)應(yīng)的微調(diào)作用機(jī)理， 為改善客觀條件制約下的管道環(huán)縫焊接質(zhì)量提供了參考依據(jù)。 微調(diào)控制在管道焊接全自動(dòng)化、 智能化控制， 以及焊縫追蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的理論意義。

1 自動(dòng)打底焊接過(guò)程的影響因素

管道環(huán)縫焊接時(shí)的組對(duì)質(zhì)量受多重因素的影響。 從原材料生產(chǎn)工藝角度看， 來(lái)料鋼管和管件在橢圓度、 壁厚均勻度、 直度等方面或多或少存在誤差； 從后續(xù)管件的切割、 坡口加工過(guò)程看，其加工誤差也無(wú)法避免[5]。

直接影響因素及其成因有以下幾點(diǎn)： ①錯(cuò)邊量方面， 圓度不夠、 坡口偏、 壁厚不均勻， 并且鋼管直徑越大， 錯(cuò)邊量越大； ②間隙方面， 組對(duì)、 鋼管端面不在同一個(gè)平面上； ③干伸長(zhǎng)方面， 焊槍的高低， 焊絲伸出導(dǎo)電嘴的長(zhǎng)度。

間接影響因素及其成因如下： ①圓度， 材料本身問(wèn)題導(dǎo)致錯(cuò)邊量不均； ②焊槍位置， 現(xiàn)有設(shè)備的焊槍角度可調(diào)， 伸縮隨意， 但設(shè)備無(wú)法讀出焊槍的伸縮量； ③點(diǎn)焊點(diǎn)， 通常比較厚， 影響焊縫成形， 需調(diào)節(jié)焊槍的高低， 但一般把點(diǎn)焊點(diǎn)打磨薄， 此困難容易解決； ④焊縫收縮， 焊接過(guò)程中試件受熱， 焊縫間隙變??； ⑤試件夾持不水平， 包括鋼管圓度、 同心度及加工精度， 變位機(jī)與管件的同心度， 卡盤(pán)精度； ⑥焊道傾斜 （管子、 設(shè)備、 竄動(dòng)）， 包括鋼管直度、 設(shè)備穩(wěn)定性。

由于直接或間接影響因素的制約， 導(dǎo)致了管道焊接組對(duì)過(guò)程中出現(xiàn)焊縫坡口數(shù)據(jù)變化、 不連續(xù)的問(wèn)題。 自動(dòng)打底焊接對(duì)坡口條件具有定量要求， 對(duì)于變量誤差太大的坡口條件將難以適應(yīng)，勢(shì)必影響焊縫成形質(zhì)量和焊接接頭質(zhì)量。

2 自動(dòng)焊接過(guò)程中微調(diào)控制機(jī)理

管道自動(dòng)化焊接過(guò)程中， 造成坡口數(shù)據(jù)變化的主要因素包括錯(cuò)邊量、 間隙、 橢圓度、 焊接過(guò)程中的焊縫收縮、 焊道傾斜和點(diǎn)焊點(diǎn)等。 這些變量的存在使得焊接工藝規(guī)范很難與局部坡口條件相匹配， 往往造成焊縫成形不良甚至焊接缺陷。實(shí)際焊接時(shí)， 為獲得良好的焊縫成形和焊接接頭， 需在坡口數(shù)據(jù)變化的條件下對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行一系列規(guī)律性微調(diào)。 從造成坡口數(shù)據(jù)變化的單一變量及二元變量來(lái)分析， 相應(yīng)的工藝參數(shù)微調(diào)及其作用機(jī)理主要包括以下方面[6]。

2.1 一元變量因素下的微調(diào)

2.1.1 錯(cuò)邊量

鋼管錯(cuò)邊量過(guò)大可能導(dǎo)致焊縫側(cè)面未熔合、咬邊、 焊縫底部未焊透等缺陷， 為了消除錯(cuò)邊的影響， 焊接過(guò)程中需要將焊槍位置向一側(cè)偏移一定量， 如圖1 所示。

圖1 針對(duì)錯(cuò)邊量的微調(diào)控制

焊接過(guò)程微調(diào)動(dòng)作主要為： 左右調(diào)節(jié)焊槍位置。

作用機(jī)理： 由于焊接過(guò)程中， 整個(gè)母材金屬的溫度場(chǎng)是不均勻的， 只有達(dá)到其熔點(diǎn)溫度以上的那部分金屬發(fā)生熔化。 以圖1 中的錯(cuò)邊情況為例， 焊槍向左移動(dòng)， 使熔池中心左移， 焊接電弧熱量迫使坡口左側(cè)母材熔化量增加， 減小左右兩側(cè)融化的填充金屬與局部熔化的母材金屬形成的熔池液態(tài)金屬的差量， 順利過(guò)渡錯(cuò)邊區(qū)域， 從而避免咬邊、 未熔合和未焊透等缺陷的產(chǎn)生。

2.1.2 間隙

間隙過(guò)大則熔池下陷嚴(yán)重， 背面焊縫余高過(guò)大， 填充金屬不足時(shí)容易焊漏； 間隙過(guò)小可導(dǎo)致背面未熔合等缺陷。 微調(diào)的作用機(jī)理如圖2所示。

焊接過(guò)程微調(diào)動(dòng)作為： ①調(diào)擺幅； ②調(diào)焊接速度。

圖2 針對(duì)間隙的微調(diào)控制

作用機(jī)理： 當(dāng)間隙由小變大時(shí)， 增大擺幅可以推動(dòng)橫向熔池金屬流動(dòng)， 使液態(tài)金屬流動(dòng)覆蓋到電弧作用較弱的母材未熔化部分， 增加熔寬；當(dāng)間隙逐漸增大到熔池不足以填充焊縫時(shí)， 在增大焊槍擺幅的同時(shí)還需降低焊接速度， 使倒流的熔池能夠滿足增加的熔敷金屬的需要， 從而盡量避免液態(tài)金屬垂落、 背面焊縫余高過(guò)高、 焊漏等缺陷。

2.1.3 干伸長(zhǎng)

此因素包括干伸長(zhǎng)的大小、 焊槍的高低、 鋼管的橢圓度不均等。 微調(diào)動(dòng)作如圖3 所示。

圖3 針對(duì)橢圓度的微調(diào)控制

焊接過(guò)程微調(diào)動(dòng)作主要是： 上下調(diào)焊槍位置（見(jiàn)圖3 中①和②）。

作用機(jī)理： 當(dāng)其他條件不變時(shí)， 焊絲干伸長(zhǎng)的變動(dòng)會(huì)引起電流和電壓的波動(dòng)。 管件橢圓度變化到情況①時(shí)， 需向下壓焊槍， 保持電流、 電壓的穩(wěn)定， 使焊縫高度一致； 管件橢圓度變化到情況②時(shí)， 需向上抬焊槍， 一方面是為了維持電流、 電壓穩(wěn)定， 保證焊縫成形， 另一方面避免TIG 打底焊時(shí)管件剮蹭到鎢極。

2.1.4 焊接過(guò)程焊縫收縮

應(yīng)對(duì)焊縫收縮而采取的微調(diào)及作用機(jī)理與間隙變化時(shí)的相同， 如圖4 所示。

焊接過(guò)程微調(diào)動(dòng)作為： ①焊槍擺幅調(diào)節(jié)；②TIG 打底時(shí)， 送絲速度調(diào)節(jié)。

圖4 針對(duì)焊接過(guò)程焊縫收縮的微調(diào)控制

作用機(jī)理： 焊接過(guò)程中， 焊縫收縮導(dǎo)致坡口間隙由大變小， 通過(guò)減小焊槍擺幅， 避免過(guò)多的熔融金屬流動(dòng)到焊縫邊緣， 降低熔寬； 當(dāng)間隙進(jìn)一步減小時(shí)， 必須降低送絲速度， 以減少熔敷金屬量， 增強(qiáng)焊道熔合性， 有效避免未熔合、 未焊透等缺陷。

2.1.5 焊道傾斜

焊道傾斜 （坡口面與管道件軸線不垂直），可造成焊偏、 側(cè)面未熔合、 焊縫成形差等問(wèn)題?？砂磮D5 所示進(jìn)行微調(diào)。

圖5 針對(duì)焊道傾斜的微調(diào)控制

焊接過(guò)程微調(diào)動(dòng)作為： 主要調(diào)節(jié)焊槍位置。

作用機(jī)理： 管道件竄動(dòng)或者直線度、 設(shè)備夾持穩(wěn)定性、 坡口切割等因素都可能造成焊道傾斜。 向焊道傾斜側(cè)調(diào)節(jié)焊槍位置， 可獲得良好的熔池形態(tài)， 有效避免焊偏、 側(cè)面未熔合、 成形差等問(wèn)題。

2.1.6 點(diǎn)焊點(diǎn)

管道件組對(duì)時(shí)要求坡口根部要進(jìn)行定位點(diǎn)焊。 對(duì)于點(diǎn)焊點(diǎn)與后續(xù)自動(dòng)打底焊可能存在的未熔合、 焊縫成形差等情況的微調(diào)動(dòng)作如圖6所示。

圖6 針對(duì)點(diǎn)焊點(diǎn)的微調(diào)控制

焊接過(guò)程微調(diào)動(dòng)作為： ①焊接電流足夠大能夠保證背面熔透的前提下， 適當(dāng)抬高焊槍； ②點(diǎn)焊點(diǎn)厚度較大時(shí)， 降低送絲速度或停止送絲。

作用機(jī)理： 焊至點(diǎn)焊點(diǎn)位置時(shí)， 需適當(dāng)抬高焊槍， 降低熔深， 保證焊縫高度一致， 避免TIG焊時(shí)撞傷鎢極； 若點(diǎn)焊點(diǎn)較高， 應(yīng)降低送絲速度或者直接停止送絲， 避免造成此處未熔合、 焊縫成形差等問(wèn)題。

2.2 多元變量因素下的微調(diào)

影響管道自動(dòng)焊接過(guò)程的因素是復(fù)雜且多元的， 表1 分析了兩個(gè)變量因素存在時(shí)， 焊接過(guò)程中的微調(diào)動(dòng)作。 管件坡口形式及鋼管旋轉(zhuǎn)的方向如圖7 所示。

表1 二元變量時(shí)微調(diào)控制

圖7 二元變量時(shí)坡口形式及旋轉(zhuǎn)方向

結(jié)合實(shí)際管道自動(dòng)化焊接過(guò)程來(lái)看， 微調(diào)動(dòng)作可主要?dú)w納為三種： 焊槍位置 （上下左右移動(dòng)）、 焊槍擺動(dòng)幅度 （增大或減?。?和焊接速度（增大或降低）。 當(dāng)錯(cuò)邊量、 間隙、 橢圓度、 焊縫收縮、 焊道傾斜、 點(diǎn)焊等變量因素中兩個(gè)或多個(gè)同時(shí)作用時(shí)， 微調(diào)動(dòng)作可執(zhí)行上述的一種、 兩種或者三種的協(xié)同。 由此不難推測(cè)， 實(shí)現(xiàn)管道焊接全自動(dòng)化、 智能化過(guò)程需進(jìn)行的自適應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)作也主要為上述三種。

3 發(fā)展展望

全自動(dòng)化、 智能化是管道焊接的發(fā)展趨勢(shì)，而以焊縫跟蹤為關(guān)鍵技術(shù)的焊接過(guò)程自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制則是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中自動(dòng)微調(diào)的前提[7]。 利用焊縫追蹤技術(shù)監(jiān)測(cè)坡口條件、 熔池形態(tài)以及焊縫成形， 把收集到的實(shí)時(shí)圖像信息轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)據(jù)， 將這些數(shù)據(jù)反饋到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳輸電信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制焊槍、 擺動(dòng)器、 管件轉(zhuǎn)速做出微調(diào)動(dòng)作， 形成了自適應(yīng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制[8-10]。

本研究主要針對(duì)管道自動(dòng)化焊接過(guò)程中微調(diào)作用機(jī)理作了定性分析， 至于坡口數(shù)據(jù)不同變化條件下微調(diào)動(dòng)作的定量分析， 仍待進(jìn)一步研究，這也是自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制中信號(hào)處理和動(dòng)作執(zhí)行的理論前提。

4 結(jié) 論

（1） 管道自動(dòng)焊接過(guò)程中微調(diào)動(dòng)作主要有三部分， 即焊槍位置的調(diào)整、 焊槍擺動(dòng)幅度的調(diào)整和焊接速度的調(diào)整。 微調(diào)控制可以改善焊縫成形、 保證自動(dòng)化焊接質(zhì)量。

（2） 通過(guò)對(duì)以上微調(diào)動(dòng)作的適時(shí)調(diào)節(jié)， 控制不同變量因素條件下熱輸入、 熔池形態(tài)和焊絲填充量的變化， 可以優(yōu)化焊接工藝參數(shù)與焊縫成形系數(shù)的匹配， 減小了材料、 坡口加工和組對(duì)等因素對(duì)焊縫成形的不良影響。

（3） 微調(diào)作用機(jī)理分析是實(shí)現(xiàn)管道自動(dòng)化焊接過(guò)程自適應(yīng)調(diào)節(jié)的理論基礎(chǔ)。 坡口數(shù)據(jù)的不同變化情況與微調(diào)動(dòng)作執(zhí)行對(duì)應(yīng)關(guān)系的獲得是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的關(guān)鍵， 為此亟待進(jìn)行二者之間的定量分析研究。