基于参数匹配分析法的全自动焊接技术管理研究

郗祥远 龚海洋 吴晓超 马磊

1廊坊中油朗威工程项目管理有限公司

2华北油田公司第四采油厂

近年来，我国天然气管道建设正处于蓬勃发展阶段，管道建设速度的加快直接推动了全自动焊接技术的应用与发展[1-2]。相比于传统的手工焊与半自动焊，全自动焊接具有焊道成型快、焊接质量高、人为干扰少的优点[3-6]。中俄东线管道工程建设已经实现全自动焊接的全线推广，并且随着工程推进，全自动焊接设备的国产化占比也逐渐提高[7-10]。全自动焊接的广泛推广与设备国产化应用正处于持续发展与完善阶段，全自动焊接技术的管理也将是未来长输管道工程建设的重点之一。

全自动焊接的主要特点是参数内置、自动焊接与薄层多焊[11-13]。通过专家设置的焊接参数，利用自动化机械设备来进行焊接，保证焊接的稳定性并减少人为因素干扰。实际工程建设中，由于设备转场导致稳定性降低、坡口参数变化与错边等因素会导致工艺参数匹配性差的问题，进而对焊层参数的稳定性与焊接质量产生影响[14-17]。

目前，管道施工现场的全自动焊接技术应用主要局限于从焊材与焊工角度上进行管理，缺少对焊接参数以及焊层稳定性的分析。本文对焊接参数进行提取并测量焊层厚度，通过参数匹配性分析得到全自动焊接参数设置的重要方法，提出了全自动焊接技术现场标准化管理方法。

1 全自动焊接数据测试与分析

1.1 数据采集与分析方法

通过PCM 系统对全自动外焊机A-610 焊接过程参数（包括焊接角度、焊接电压、焊接电流、焊接速度与送丝速度）进行采集，并将焊接数据传输至管道建设全生命周期数据库内。采用“智能工地”实现对焊接参数的实时监控，对“智能工地”中数据进行收集，即可得到焊口各焊层的焊接参数。此外，根据“智能工地”得到的焊接参数，对单位焊接面积、焊接线能量与单位体积焊接能量进行计算分析，具体计算方法如下：

式中：S为焊接面积，mm2；QL为焊接能量，J/mm-1；Vwi为送丝速度，mm/s；Sw为焊丝截面积，mm2；Vwe为焊接速度，mm/s；U为电压，V；I为焊接电流，A；S为单位焊接面积，mm2；Ql为焊接能量；QV为单位体积焊接能量，J/mm3。

对各焊层（热焊层与填充层）焊接前后的剩余壁厚进行测量，并通过差值法得到各层的焊接厚度。盖面层则采用焊接前剩余壁厚+盖面余高的方式计算焊层厚度。各焊层均测量焊缝圆周0、1、3、5、6、7、9 和11 点位共8 个位置的焊层厚度，并进行数据分析。

1.2 焊接参数分析

某焊口的各焊层焊接参数如图1 所示（填充焊层采用双焊枪焊接方式，只显示前焊枪参数；盖面焊层只显示C1 层），结果表明：各焊层的相关参数随焊接角度的变化情况有明显差异。由于焊接采用恒压电源，因此各层的焊接电压基本保持不变。全自动焊接过程中各参数随焊接角度变化的同时也保证与其他参数自动匹配，保证熔化金属量与热输送量处于较为稳定的状态。

图1 全自动焊接各层焊接参数随焊接角度变化情况Fig.1 Variation of welding parameters of each layer in fully automatic welding with welding angle

对于热焊层，焊接速度基本保持不变，而焊接电流与送丝速度在4 点位和8 点位位置开始降低，这会导致单位长度熔池内熔化金属量的减少。对于填充层（F1 与F2），焊接电流、焊接速度与送丝速度均在5 点位和7 点位位置开始降低。焊接速度与送丝速度两个参数的相对变化情况对熔池内熔化金属量具有较大影响，若焊接速度相对于送丝速度降低幅度更大，则会增加单位焊接长度的焊丝熔化量，从而导致焊接厚度的增加。对于盖面焊层，焊接速度在5 点位和7 点位位置降低较为明显，焊枪处于仰焊位置处，熔化金属受重力作用下坠，焊接速度的降低便于焊工观察熔池情况。

1.3 焊层厚度分析

从表1 中数据可知，各焊层单枪焊接厚度均小于3.50 mm，双枪焊接厚度小于7.00 mm。热焊层的各点位焊接厚度标准差较小，说明焊接厚度较为均匀，这是因为该焊层焊接参数稳定性较好且焊接速度高，焊道成型快，受外力因素影响较小。填充焊F2 层的平均厚度比F1 层有所降低，原因在于随着焊接层数的增加，坡口逐渐放宽导致熔化金属填充的高度增加。

表1 全自动焊接各层各点位焊接厚度Tab.1 Fully automatic welding thickness at each layer and point mm

与其他焊层相比，热焊层焊接速度快、送丝量大，起到后热和去氢的作用。在焊接过程中，热焊层在4 点位和8 点位单位长度熔池内熔化金属量变少，但是受重力影响导致4—8 点位焊接厚度变化不大。对于填充焊层（F1 与F2）与盖面焊层，当焊接位置到达5 或7 点位后，焊接厚度随焊接角度显著增加。其中，填充层（双焊枪）6 点位的焊接厚度比0 点位厚约0.5 mm，盖面层6 点位的焊接厚度比0 点位厚约0.3 mm。从焊接参数方面来看，填充焊层与盖面焊层在仰脸位置的焊接速度与送丝速度均降低，焊接厚度变化受熔池内熔化金属量与受力情况综合影响。

1.4 参数匹配性分析

为了进一步研究全自动焊接参数设置规律以及参数匹配性，对焊接数据进行处理，得到各焊层单位焊接面积、线能量与单位体积能量随焊接角度变化关系（图2）。单位焊接面积即为垂直于焊接方向的截面上焊丝熔化所占的面积（不考虑焊丝熔化前后的体积变化与熔化金属的流动性），可表征单位长度熔池内熔化的金属量。线能量为单位焊接长度上输送至熔池内的能量（不考虑其他能量转换形式），而单位体积能量为输送至单位体积焊丝内的能量。

图2 全自动焊接各层单位焊接面积、线能量与单位体积能量随焊接角度变化Fig.2 Variation of unit welding area，line energy，and unit volume energy of each layer in fully automatic welding with welding angle

综上可以看出，各焊层单位体积焊接能量随焊接角度增加较为稳定，能量值始终保持在29～31 J/mm3范围内波动（不包括起弧与收弧阶段）。结果表明，全自动焊接过程中单位焊接面积与线能量变化保持同步。此外，单位体积焊接能量也可表示为

在全自动焊接过程中焊接电压、焊接电流与送丝速度会自动进行匹配，保证单位体积焊丝的热输送量不变。这是因为要保证熔化后焊丝的温度处于稳定范围，使焊丝金属在熔池内与母材金属能够良好熔合。

从图2 可知，填充焊层（F1 与F2）与盖面焊层在5—7 点位的单位焊接面积增加，导致融化焊丝在该区域内积累。焊接厚度不仅受单位焊接面积影响，还与电弧力有关。电弧力较为复杂，包括电磁收缩力、等离子流力、斑点压力等，对熔池产生机械作用的压力统称为电弧吹力。在电弧吹力的作用下，熔池内熔化金属被搅拌并且使其不受重力作用下坠[18-19]。为了观察仰脸部位熔池状态，焊接速度的降低幅度较大，即单位焊接面积增加，电弧吹力难以平衡熔化金属重力，致使5—7 点位焊接厚度增加。因此，全自动焊接过程应从传统的手工焊与半自动焊管理模式进行转变，避免人为因素对焊接过程进行过度干扰，保证焊接参数与焊层尺寸参数的稳定性。

2 现场标准化管理方法

全自动焊接技术标准化管理包括组织标准化管理、工艺与设备标准化管理和焊接质量评定标准化管理。

（1）组织标准化管理。组织标准化管理即培养有能力调整焊接工艺参数的专业人员，对焊接工艺参数的调整及焊接成型质量负责。随着全自动焊接技术发展，焊接人员对焊接的参与程度逐渐弱化，因此要培养精通分析参数、指导参数调节的专业人才，及时应对现场特殊情况，简化焊接技术问题处理流程，提高全自动焊接效率。

（2）工艺与设备标准化管理。工艺与设备标准化管理主要包括焊接工艺再细化管理以及焊接机组稳定性维护管理。目前焊接工艺规程缺少对各焊层焊接厚度的明确规定，难以对焊接层厚度进行管控，因此施工过程可能会偏离全自动焊接“薄层多道焊”的理念。通过工艺规程再细化，落实各焊层的参数指标，可达到过程细化、结果达标的目的。此外，应注重焊接机组的设备稳定性维护，积极探寻各种因素（如设备转场、变壁厚焊接等）对设备稳定性的影响，及时预防因设备不稳定导致焊口质量不合格或焊口外观参数超标的问题。

（3）焊接质量评定标准化管理。焊接质量评定标准化管理主要是指对焊口无损检测结果与外观检查结果及时反馈，将焊口质量与对应的焊接参数统一分析，根据焊口质量对工艺参数设置进行评定，完善测试、监控、分析与纠偏过程。

3 结束语

通过对全自动外焊机的焊接参数与焊层尺寸的测量，分析了参数设置对焊接厚度的影响和全自动焊接参数的匹配性规律。结合数据分析与现场经验，从焊接专业技术人员培养、焊接工艺完善、焊接大数据分析与连头焊接参数动态化设置等方面，给出了全自动焊接技术现场标准化管理方法和内容。