管道全位置自动焊的研究现状及展望

郭春富 ，孙伟强 ，，刘帛炎 ，，常云龙

（1.广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院）广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510650；2.沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870）

管道全位置自动焊的研究现状及展望

郭春富 1，孙伟强 1，2，刘帛炎 1，2，常云龙 2

（1.广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院）广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510650；2.沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870）

管道全位置自动焊是一种近几年发展比较快的管道现场焊接技术。本研究从全位置自动焊的分类出发，分别介绍了全位置氩弧焊、全位置熔化极气体保护焊、全位置高能束焊和激光复合焊的成形原理、适用范围及优缺点，并对以上焊接方法进行了总结对比。在此基础上展望了管道全位置自动焊接未来的发展方向：高精度的传感器的研究、焊缝成形机理研究以及高能束焊接方法的在管道全位置焊接的应用是今后研究的热点；等离子弧焊接是管道全位置焊接未来的发展方向之一；钛及钛合金等有色金属的全位置自动焊技术也是未来的发展方向之一。

管道；全位置焊接；研究现状；展望

0 前言

随着经济发展和对能源需求的日益增长，长输油气管道需求越来越旺盛，而焊接成本高、自动化程度低是制约管道技术推广应用的技术瓶颈。目前应用于管道全位置焊接的主要方法有焊条电弧焊、半自动焊以及自动焊等。自动焊具有工作效率高、焊缝质量良好、焊接稳定性可靠性高、可以释放劳动力等优点，但由于现场施工安装不宜使管子旋转，所以国内外都开始大力发展全位置焊接技术。如今比较成熟的管道全位置自动焊焊接方法有钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊。随着人力成本的快速提升和各种材料大厚度管材应用范围的扩大，对全位置自动焊的需求越发迫切。因此，对大口径厚壁管道焊接效率的提升和新型高效现场全位置管道焊接技术的开发成为21世纪最有发展前景的焊接技术之一。

1 管道全位置自动焊的特点

管道全位置焊接旋转一周的过程可分为平焊、立向下焊、仰焊、立向上焊，由于管道全位置焊接过程是熔池的位置是一个渐变过程，其所处不同位置的受力情况也是时刻在变化的，其中4个典型位置熔池受力情如图1所示（以TIG无填丝情况为例）。由图1可知，焊接过程中熔池受到电弧的轴向电弧力F、液态金属的表面张力f在弯曲液面上形成的合力和重力G三种力的共同作用；在电弧轴线与管道中心重合时，只有重力不随焊枪位置的改变而变化。在平焊位置，重力易造成熔池向下流动，与电弧力联合作用会导致内部余高过高；在仰焊位置，重力使熔池向下脱离焊缝，造成焊缝内凹、成形不均匀，但可以通过电弧力削弱重力的不利影响；立向下焊或立向上焊时熔池有越过电弧沿着坡口而向下流淌的趋势，使焊缝易形成未熔合、焊瘤、成形不均匀等焊接缺陷[1-2]。需要指出的是，TIG焊的熔池相对较小，熔池受到的电弧力也最简单，其他方法熔池受力的复杂性远远大于TIG焊。各种焊接方法的管道全位置焊接都根据各自焊接熔池的受力特点来制定不同的焊接工艺。

2 全位置TIG焊

TIG焊是最早应用于管道全位置焊的焊接方法，也是目前应用最成熟的一种全位置焊方法。TIG焊焊接熔池小、电弧呈钟罩形、采用搭桥方式过渡，便于全位置焊接，常用方法有直流脉冲TIG焊、ATIG焊和窄间隙热丝TIG焊。其中，小口径薄壁管的焊接无需填丝。

图1 全位置焊接熔池受力示意[2]

直流脉冲TIG焊电流按一定频率周期性变化，每次通过脉冲电流时，工件上就形成一个点状熔池；脉冲电流停止时，点状熔池即冷凝。此时电弧由基值电流维持稳定燃烧，使下一次脉冲电流导通时脉冲电弧能够可靠燃烧，又形成一个新的焊点[3]。在全位置焊接过程中减小相邻区段电流变化差值可以改善焊缝成形，使焊波更美观[4]。姚寿铭[5]在20钢管对接试验中，使用高精度脉冲功能的全位置自动TIG焊逆变直流脉冲焊机，并采用填丝和U型坡口的方式完成对φ88.9 mm×4.5 mm管道的全位置焊接。文献[6-7]将全位置TIG焊应用于Z2CN18.10和12Cr1MoVG不锈钢的焊接，并首次实现12Cr1MoVG管子与12Cr2MoWVTiB管子等多种材料的管子异种金属对接试验。采用弧压传感控制弧长对环焊缝进行12段参数试验，并讨论保护气流量、焊接速度、焊接电流、送丝速度、电弧电压等对焊缝成形的影响。奚运涛等人[8-9]对φ12 mm×1 mm的不开坡口、不留间隙、φ32 mm×3 mm的20钢进行V型坡口不留间隙全位置脉冲TIG焊。并通过回火焊道改善了组织和性能。

活性化TIG焊（A-TIG焊）是在工件表面上涂敷活性剂后再进行焊接，设备如图2所示。SiO2和TiO2作为活性剂可以改变熔池的流动方向；SiO2将电弧电压提高大约4.2 V，使等离子体收缩；TiO2使表面张力温度梯度由负变正[10]。吴军、方建筠等人[11-12]采用A-TIG将φ57mm×5 mm的20钢和φ50mm×6 mm的TP304不锈钢管对接，均实现了不开坡口单面焊双面成形。其中碳钢焊缝中心区是晶粒略微变大的珠光体和相对粗大的针状或块状铁素体的混合物；不锈钢焊缝熔合区组织为晶粒粗大、偏析度增加的方向性较强的联生结晶形成的奥氏体柱状晶与晶界处的σ铁素体相。相比普通全位置TIG焊，全位置A-TIG的焊缝组织更均匀，晶粒更细小，效率也更高。在φ51 mm×6 mm低碳钢和φ45 mm×6 mm不锈钢管道的不开坡口单面焊双面成形A-TIG焊试验中，可以分析得出：由于全位置A-TIG焊的焊接熔池流动是一种向中心流动的方式，所以在立向上焊过程中容易出现焊接质量的问题[13-14]。通过对全位置自动A-TIG焊熔池的受力分析，并在试验中论证了在12点位置时焊缝的外表面有轻微的凹陷，在6点位置焊缝的外表面的凸起、内表面焊透但有凹陷、内凹量小于0.5 mm，在9点位置焊缝的外表面略凸起。刘观辉、易耀勇等人[15-16]对φ159 mm×6 mm的304N2不锈钢进行全位置A-TIG焊研究，对直流、脉冲以及步进脉冲三种不同模式A-TIG焊组织成分和力学性能，证明焊缝组织与TIG焊焊缝类似、步进脉冲A-TIG焊缝性能最好直流ATIG焊缝性能最差。脉冲和活性剂联合作用，可以一次性焊透更厚的母材，从而减少工序节约成本，也可以避免多道焊过程中对前一道焊缝的加热导致组织粗大。

图2 全位置A-TIG焊设备

相比传统TIG焊，窄间隙TIG焊的优点有：生产效率高，焊接质量高且稳定，节省焊材，改善劳动条件，降低劳动强度，可以监控整个焊接过程，多层焊时最多可达200 mm[6]。坡口要求如图3所示，根据不同位置的熔池受力情况设计相应的焊接参数，有利于保证全位置焊缝质量以及控制焊缝缺陷。徐祥久等人[17]设计了一套针对大口径厚壁钢管全位置窄间隙热丝TIG的焊接机头和焊接工艺，克服了厚壁大口径管道全位置焊接的难题。目前窄间隙TIG仍主要应用于小口径薄壁管道的焊接。

图3 窄间隙TIG焊适用坡口示意

钨极氩弧焊应用在管道全位置焊接主要面临焊接效率的问题，无论是脉冲TIG焊峰值电流形成小孔熔池，还是涂覆活性剂的TIG焊，其目的都是增大熔深或提高熔敷效率。相比之下，熔化极气体保护焊的电弧能量和熔敷效率都高于TIG焊，其焊接效率也更高。

3 全位置熔化极气体保护焊

在全位置焊接过程中，尤其是立焊和仰焊阶段，熔池在重力作用下容易流淌，这是全位置熔化极气体保护焊面临的最主要问题。基于目前研究提出以下两种解决方案：①加快熔池凝固，即以较小的热输入使熔池变小，并搭配较快的焊接速度；②通过各种电弧控制方法来改变熔池所受作用力，尽可能抵消重力的影响。设备如图4所示。

图4 全位置熔化极气体保护焊设备

基于这两种方法，陈炯[18]提出将STT型CO2半自动焊应用于管道全位置焊。STT型电源采用表面张力过渡的形式代替传统CO2电源的短路过渡，实现单面焊双面成形。通过严格控制电流7个阶段的波形，控制每次熔滴过渡的热量实现减小飞溅，提高焊接质量以保证根焊层质量良好。新提出的这种表面张力的过渡方式类似于TIG焊的搭桥过渡，该模式可以减少飞溅甚至无飞溅，以防止多道焊飞溅拥堵焊道。唐德渝等人[19-22]借鉴STT型CO2电源的表面张力过渡方式，设计了可以提高电弧能量密度、增加电弧穿透力的管道全位置MAG焊专焊电源，开发了脉冲熔滴过渡控制的专用焊接电源，并研制其单片机控制技术，控制其对称的共24个区段。此系统设备和配套工艺适用于双U型复合坡口，焊接效率可达焊条电弧焊的两倍以上。陈树君等人[23]提出采用短路过渡的MAG焊形式，调节短路能量和燃弧能量的分配等，设计了一种连续击穿法的CO2气体保护单面焊接双面成形电源。这种焊接电源能够改善熔池形状和受力状态，保证电弧在超过普通短路过渡负载线的更低电压、更大电流条件下稳定燃烧，以适应管道全位置根焊在小熔池基础上的高能量输入。这种平特性焊接电源可以更好地实现对电流的反馈调节，以便更容易实现对电弧的控制。

由于全位置熔化极气体保护焊和全位置TIG焊的熔池过渡与成形机理不一致，因此全位置熔化极气体保护焊难点在于对焊缝成形的控制。为了消除焊道拥堵、提高焊接质量，控制熔滴过渡从而实现低飞溅、零飞溅是实现管道全位置熔化极气体保护焊的又一关键技术。

4 全位置高能束焊及复合焊

从提高能量和减少焊接飞溅的角度出发，国内外开始尝试将高能束焊接和复合焊接应用于管道全位置焊。目前使用较多的焊接方法有电子束焊、激光电弧复合焊和等离子弧焊。

S.Koga等人[24]对19mm厚天然气管道进行了全位置电子束焊，并研究了具有代表性的8个焊点，研究了错边不匹配对焊缝焊缝形成的影响；M.Wykes等人[25]研究了全位置低压电子束焊，并进行了完整的工艺评定。全位置电子束焊焊接前对接头加工、装配要求严格；被焊工件尺寸和形状受到真空室的限制；电子束易受杂散电磁场的干扰。

激光电弧复合焊可以提高焊接速度、增大熔深，大大提高焊接效率并降低耗材[26]。曾惠林等人[27-28]先设计了管道全位置激光电弧混合焊接安全监控装置，在此基础上进行试验并分析全位置激光电弧复合焊的焊接参数及工艺性能，提出接头内部的缺陷是影响全位置激光电弧复合焊焊缝性能的主要原因。试验证明，X65管线钢的焊接接头硬度略高于母材，热影响区的硬度有所波动；拉伸断裂大多发生在母材部分，熔合线附近发生的断裂时会伴随着气孔未熔透等缺陷存在；熔合区冲击性能强于焊缝区，刻槽锤断试验和弯曲试验均未出现明显缺陷。激光MAG复合根焊用保护气处理和电弧力“托住”熔池，有效地抑制了内凹缺陷，尤其是3点～6点方向，并提出减小激光或电弧功率参数尤其是电弧能量输入可以抑制背面内凹，激光束与管道焊缝切线约为80°时有利于控制缺陷[29]。此外，壁厚、坡口形式、激光与电弧能量的配比等因素的影响也是全位置激光电弧复合焊进一步研究的方向。

等离子弧的穿透力强于氩弧焊，因此国内外开始尝试等离子弧全位置焊，采用不开坡口、不填丝的方式对壁厚3～6 mm管道进行焊接。哈尔滨焊接研究所[30]设计研发了扁形脉冲等离子弧焊炬，并“理顺”了离子气，防止紊流现象的产生；同时还研发了窄间距焊接用机头、电源及控制箱等配套设施，实现窄间隙20 mm厚管道焊接。M.Haneda等人[31]研究了脉冲等离子弧小孔成形，通过试验分析不同区间的作用，研究了接头定位误差的影响；T.Yamade等人[32]研究并开发了全套全位置等离子弧焊电源、控制器以及其他焊接设备，并试验总结了相应的焊接参数。全位置等离子弧焊接研究目前主要集中于薄壁管道，因各种原因还没有应用于生产的案例。

相对于普通弧焊，高能束焊和激光复合焊的能量密度更高。目前全位置高能束焊和复合焊需要解决的问题是中厚壁管道不开坡口一次成形的现场作业。由于受真空室束缚，电子束焊无法焊接过大的工件和现场安装。高精度的激光复合焊也需要激光房等类似设施；激光焊对现场组对的精度要求也过高。

5 结论

（1）管道全位置焊接技术的研究已成为当前焊接研究的前沿方向之一。目前核电、管线运输等工程项目已经广泛应用全位置钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，节约了焊接成本，提高了焊接质量。但国内对全位置焊的成形理论研究和设备的研发还存在不足，所以高精度传感器的研究、各位置焊缝成形机理研究以及高能束焊接方法在管道全位置焊接的应用是今后研究的热点。

（2）虽然高能束焊能解决一定厚度母材的焊缝一次成形问题，但仍面临一些问题：激光焊接要求组对精度极高，电子束焊产品尺寸受到限制；以上两者因设备原因在现场应用还存在诸多问题。等离子一弧焊次焊接厚度较大、组对精度要求低于激光焊接且易实现现场焊接，是管道全位置焊接的发展方向之一。

（3）目前管道全位置自动焊的热点主要集中在碳钢和不锈钢材料。随着海洋工程、化工等行业的发展，对材料的耐蚀性以及特殊性能提出更高的要求，钛等材料的应用也越来越多，其全位置自动焊接技术也是未来发展方向之一。

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Research status and expectation on all-position automatic welding for pipeline

GUO Chunfu1，SUN Weiqiang1，2，LIU Boyan1，2，CHANG Yunlong2
（1.Key Laboratory of Guangdong Province of Modern Welding Technology，Institute of Welding Technology，Guangzhou 510650，China；2.School of Material Science and Engineering，Shenyang University of Technology Shenyang 110870，China）

The all-position automatic welding is a kind of pipeline site welding technology and develops rapidly in recent years.The forming principle，scope of application and advantages and disadvantages of all-position TIG welding，all-position metal gas arc welding，all-position high-energy beam welding and laser-hybrid welding are systematically introduced，as well as above welding methods are summarized and compared.The future development direction of all-position automatic welding for pipeline is prospected：the research of high precision sensor，the mechanism of the appearance of weld and the application of high-energy beam welding method in the all-position welding of pipeline will be the focus in future；plasma arc welding is one of future development directions of pipeline all-position automatic welding；all-position automatic welding technology for nonferrous metals such as titanium and titanium alloys is also one of future development directions.

pipeline；all-position welding；research status；expectation

TG457.6

C

1001－2303（2017）11－0077-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.16

本文参考文献引用格式：郭春富，孙伟强，刘帛炎，等.管道全位置自动焊的研究现状及展望[J].电焊机，2017，47（11）：77-81.

2017-09-06

广东省科学院项目（2016GDASPT-0311，2016GDASPT-0205）；广东省项目（201BB050502008）；广东省对外科技合作项目（201508030024）

郭春富（1971—），男，高级工程师，学士，主要从事焊接工艺、焊接结构及等离子焊接的研究。E-mail：guochf@gwi.gd.cn。