管道预制自动焊工艺的开发及应用

中国核工业华兴建设有限公司 （江苏仪征 211900） 路书永 闫冬冬

1. 概述

近年来随着公司安装工程项目的不断拓展，优秀焊工缺口比较大。另外，手工焊工培训周期长、成本高，而采用管道自动焊可以减少焊工人数，降低施工成本，并且自动焊工培训周期短、技术稳定、受外界因素影响小。例如某化工装置工艺管线材质为304和321不锈钢，由于工期紧、质量要求高，加上优秀焊工短缺，所以决定使用自动焊。

2. 管道预制自动焊工艺的选择及介绍

（1）自动GMAW焊接 GMAW焊的电弧热量集中，熔深相对较深；且焊接效率高，焊接变形小，并可以获得含氢量较低的焊缝金属。但用该工艺方法的焊接接头力学性能稍差，有设计文件对GMAW工艺的使用具有一定的限制。

（2）埋弧焊 埋弧焊电弧熔深能力以及焊丝的熔敷效率都很高，且具有焊缝质量高、劳动条件好、生产效率高等优点。

但埋弧焊由于其自身在管道焊接方面具有一定的限制作用，故不能应用管道打底焊接。

（3）自动TIG焊接 TIG焊可以焊接几乎所有的金属，焊接工艺性能好，明弧，能观察电弧以及熔池，且电弧燃烧稳定，无飞溅，焊后不需去渣和打磨，焊缝成形美观；能实现全位置焊接，是实现单面焊背面成形的理想焊接方法。

但TIG焊熔深浅，熔敷速度慢，焊接生产率较低；钨极载流能力有限，过大焊接电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒可能进入熔池，造成焊缝金属的污染。

通过对以上几种焊接方法的对比，自动TIG焊接的工艺性能以及力学性能都较好，再加上管道焊接的工艺设计理念支持用TIG焊接，因此我们选用自动TIG焊接用于管道预制。随着技术的进一步成熟，我们将逐步研究自动TIG焊接打底+埋弧焊填充盖面的焊接方法进行管道预制。

3. 管道自动焊焊机的选择

通过对国内外一些自动焊厂家产品的市场调研，选用了某公司的管道预制自动焊设备（见图1）。该设备由焊接电源、水箱、悬臂架、焊接控制系统、旋转变位机及轨道组成；该焊机采用直流电源，具有自动焊接控制程序，能实现单面焊双面成形，正反面成形光滑，无咬边、焊瘤等焊接缺陷，电弧的稳定性和挺度好，能够保证优质可靠均匀的焊接质量。

图1 管道预制自动焊接设备

4. 材料的选择及要求

（1）管材的要求 管道自动焊对母材的要求相对严格，钢管的内外表面不得有裂纹、折叠、轧折、离层和结疤存在, 不锈钢管外径、厚度允许偏差必须满足GB/T13296—2007的要求，且厚度偏差需均匀一致，304及321不锈钢的化学成分如表1、表2所示。

表1 304化学成分（质量分数） （%）

表2 321化学成分（质量分数） （%）

（2）焊材的要求 304不锈钢选用ER308，φ1.2mm的焊丝，321不锈钢选用ER321，φ1.2mm的焊丝，采购标准为YB/T5092—2005；钢丝表面应光滑，不得有锈蚀、氧化皮和其他对使用有害的缺陷，具体化学成分如表3、表4所示。

表3 ER308焊丝化学成分（质量分数） （%）

表4 ER321焊丝化学成分（质量分数） （%）

5. 焊接工艺

（1）坡口加工及组对工艺 首先，采用V形坡口进行加工组对，工艺试验结果按NB/T47014—2011和JB/T4730—2005的要求检测，全部合格，如图2所示。坡口组对如图3及表5所示。

图2 坡口加工要求

图3 坡口组对示意

表5 坡口加工及组对参数

其次，组对工艺。①组对前将坡口及其内外侧表面≥20mm范围内的油、漆、垢、锈及毛刺等清除干净，且不得有裂纹、夹层等缺陷。②坡口外表面用磨光机打磨，内表面用内磨机打磨，打磨时不允许破坏坡口加工面，必要时采用软磨头进行打磨。③组对间隙2～3mm，内壁错边量不超过管壁厚度的10%。④定位焊正常焊3～4点，均匀分布，长度30mm左右，定位焊完毕后需打磨点焊点，使之剩余焊缝金属厚度大约在1.5mm。厚度管道（一般当厚度≥8mm时）定位焊需增加到6～8焊点。

（2）焊接工艺 首先，检查自动焊设备各组成系统连接线接口是否接好；检查设备水、气是否通畅；焊接冷却水箱加水，水位应≥170mm；焊前需进行预旋转，防止管子由于组对原因出现焊接变差，以及预防管子+弯头焊接时撞击到焊接电源；焊前需对管子进行水平度测量，及时调整夹具以及水平支撑，尽量避免出现管子倾斜的现象。经过试验，倾斜度高低差≤2mm；调整焊机的角度调节器应在12:15～12:30之间，钨极与瓷嘴必须垂直于工件；调节钨极，使之对中管子坡口中心位置；焊接不锈钢管时尽量选用φ7mm、φ8mm的喷嘴；焊接厚壁管时选用φ5mm、φ6mm的喷嘴。焊前起弧顺序：先摆动→后起弧→再送丝，起弧时在间隙较小的点焊位置起弧；钨极伸出瓷嘴长度在10mm左右；然而对于厚壁管，经过试验验证，钨极伸出长度可达到20mm，但此时需加大气体流量，一般为15～20L/min；钨极距工件高度在2mm左右，采用目视观察；检查钨极是否打磨好，用砂轮机将钨极端部打磨成锥状，检查焊丝是否在钨极正下方位置，钨极长度、焊丝与钨极的距离、夹角及钨丝与工件的距离等参数设置如图4及表6所示。不锈钢焊接时检查背面保护气体是否通畅，流量是否达到预定值。

图4 钨极与焊丝焊前设置示意

表6 钨极与焊丝焊前设置参数

其次，焊接过程中应及时调整焊机遥控器，一定要保证钨极对中；焊接过程中及时调整电弧高度，观察熔池，以出现椭圆形绿光为合适电弧高度。焊缝高度如果过高，要及时调整，提高焊接速度、降低送丝速度；焊缝高度如果过低，要降低焊接速度、提高送丝速度。打底焊在焊接到点焊位置时一定要断续送丝，在焊接第二层结束后或者当焊缝厚度≥4mm时，可不用背面保护气体；不锈钢气体保护流量在10～20L/min；背保流量在5～15L/min，层间温度≤150℃。焊后收弧顺序：先停丝、后熄弧、关摆动；焊接厚壁管时应采用多层多道焊，防止出现表面氧化的现象。每焊完一层后，检查钨极烧损情况，如烧损严重，更换钨极。

（3）焊接工艺评定试验结果 管道预制自动焊经过304与321两种不锈钢管的焊接工艺评定试验，外观检查结果全部满足NB/T47014—2011的要求，无损检测结果全部达到JB/T4730—2005Ⅰ级片的要求，力学性能试测结果全都合格（见表7）。因此自动焊工艺不仅在工艺性能上技术比较稳定，而且在使用性能上也全部符合要求。

表7 自动焊力学性能试验结果

6. 推广应用中常见问题的解决措施

（1）焊机安装技术 在实际推广过程中，进行管子+弯头的焊接，如管件壁厚超过14mm，由于弯头处重量较重，就会将水平支撑滚轮表面脱离；因此如焊接过程中出现壁厚超过14mm，就需增加水平支撑的数量，原有水平支撑2个，至少需再增加1个。

当管子直径＞200mm时，焊接过程中就会出现弯头与焊机碰撞的现象；因此在以后安装过程中要将旋转变位机与焊机之间的距离加大，加大后的距离应至少为60mm。

（2）焊接过程中出现夹渣的现象 原因分析：组对时出现错边；管子安装时未进行水平度测量；焊接厚壁管时，焊道之间的沟槽过深。

解决措施：组对时严格控制管材错边量，错边量≤2mm；管子在焊前必须进行水平度测量，保证管子处于水平；焊接厚壁管时，要合理的调整焊道分布。

（3）焊接过程中的摆动技术 在焊接厚壁管时（一般管壁厚≥10mm），由于坡口角度为30°，导致填充以及盖面时将会出现焊道以及焊缝过宽；焊接过程中钨极摆动过大，将会出现氧化以及夹渣的现象，所以此时应合理的进行焊道分布。经过试验可知：焊道摆动宽度以≤8mm为宜，摆动宽度为6mm时为最佳。

（4）焊后表面出现氧化的现象 原因分析：氩气的纯度不够，达不到氩气99.99%纯度的要求；层间温度过高；焊接速度较快，熔池未来得及保护；气体流量与钨极喷嘴大小不匹配；焊接电流、焊接速度等参数不匹配。

解决措施：确保氩气的纯度能够达到99.99%的要求；严格控制层间温度≤150℃。经试验得知：钨极喷嘴不宜过小，一般应用为7#喷嘴；在焊接厚壁管时出现喷嘴无法进行焊接的情况时，可将钨极伸长至20mm，此时正面氩气流量可加大至15～20L/min。适当的降低焊接速度，不易过快。

（5）焊接过程中气孔的产生 原因分析：X射线探伤，发现气孔主要出现在层间。主要原因包括：层间清理不干净；每层送丝量过大，焊接层数少；喷嘴使用时间长，气体透镜有损坏，氩气保护效果不理想。

解决措施：层间清理干净；控制每层焊接送丝量，适当增加焊接层数，减少热输入量；经常检查喷嘴、气体透镜，如损坏应及时更换；如某一批材料焊接完后经检测，经常性出现气孔问题，需对材料进行化学分析试验。

7. 结语

（1）应用情况 焊接工艺评定合格后，将自动焊工艺应用于该化工装置厚壁不锈钢工艺管线的焊接，共计施焊51道焊口，拍片224张，一次合格率达98%，满足了工程进度的需要，解决了优秀焊工短缺的矛盾。

（2）工艺创新 通过对管道预制自动焊的开发及应用，掌握了管道预制自动焊的焊接技术，为下一步进行自动TIG+埋弧焊接的研究奠定基础，并为后续的全面推广起一定的指导作用。概括起来主要有以下创新：①管道预制自动焊焊接工艺在我公司首次进行开发以及应用，具有长远的战略意义。②通过对自动焊工艺的开发，焊接参数基本确定，形成了一套自主的工艺成果。③降低了对人员的技能要求，缓解了公司急需大批量高技能焊工的状况。④在焊接速度上，自动焊比手工焊提高很多，有利于批量化生产。

（3）注意事项 坡口加工及组对要求高，需要配套坡口加工机械设备；管道尺寸类型较多且具有一定的重量，车间需要配套的起重机设备。对管道焊接尺寸范围具有一定的局限性，如需满足所有管道类型的焊接，需要购买多套设备。焊机系统需要定期进行维护。