摘 要

摘　要：為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜施工環(huán)境下的管道自動焊接，利用自保護(hù)藥芯焊絲具有較好的全位置焊接性、良好的脫渣性與電弧穩(wěn)定性、未熔合缺陷低、無需保護(hù)氣體、在風(fēng)速小于8m／s時不需采用

摘　要：為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜施工環(huán)境下的管道自動焊接，利用自保護(hù)藥芯焊絲具有較好的全位置焊接性、良好的脫渣性與電弧穩(wěn)定性、未熔合缺陷低、無需保護(hù)氣體、在風(fēng)速小于8m／s時不需采用任何防風(fēng)措施的優(yōu)勢，研制了管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動焊接系統(tǒng)(由安裝焊炬的焊接小車、導(dǎo)向軌道、自動控制系統(tǒng)、焊接電源及送絲機(jī)等組成)，應(yīng)用自保護(hù)藥芯成品焊絲對X80管線鋼進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，確定了合適的自保護(hù)藥芯焊絲自動焊焊接參數(shù)，進(jìn)而制訂了“內(nèi)焊機(jī)根焊+管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動焊接填充、蓋面焊接”的焊接工藝，并對該工藝焊縫進(jìn)行了力學(xué)性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動焊接系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，焊接過程平穩(wěn)，可有效提高焊接過程的連續(xù)性與穩(wěn)定性，焊接接頭的內(nèi)在質(zhì)量、外觀成形、力學(xué)性能都滿足X80管線鋼的焊接標(biāo)準(zhǔn)要求，且焊接時不需防風(fēng)棚，可有效降低管道焊接綜合成本。同時，還提出了進(jìn)一步研發(fā)適合于自動焊接的專用自保護(hù)藥芯焊絲的合理化建議。

關(guān)鍵詞：天然氣  管道  自保護(hù)藥芯焊絲  自動焊  焊接系統(tǒng)  焊接工藝  焊接效率  力學(xué)性能

A technology of automatic welding in long-distance pipelines by use of all-position self-shielded flux cored wires

Abstract：In order to achieve automatic welding of pipes under complex operation environment，an automatic welding system was developed by use of all position self shielded flux cored wires due to their many advantages，such as all-position weldability，good detachability，arc’s stability，prevention of welding defects like incomplete fusion，unnecessary protective gases for welding nor need of any protection against wind when the wind speed is<8 m／s．Tiffs system consists of a welding carrier，guidc rail，an auto-centrol system，welding source，wire feeder，and so on．Welding experiments of this system were performed on the X80 pipeline steel to determine proper welding parameters．The welding technology comprises root welding，filling welding and cover welding and thcir welding parameters were obtained from experimental analysis．On this basis，the mechanical properties tests were carried out on weldted joints in this case．Results show that this system can help improve the continuity and stability of the whole welding process and the welded joints’inherent quality，appearance shape，and mechanical performance can all meet the welding criteria for X80 pipeline steel；with windbreak fences unnecessarily needed，the overall welding cost will be sharply reduced．Meanwhile，more Dositive proposals were presented herein for the further research and development of this self shielded flux core wires．

Keywords：natural gas，pipeline，self-shieded flux core wire，automatic welding，welding system，welding technology，welding efficiency，mechanical property

近年來，管道自動焊接技術(shù)以自動化程度高、工人勞動強(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)勢在油氣長輸管道工程現(xiàn)場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，管道自動焊接技術(shù)多應(yīng)用于地勢較為平坦的施工環(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、焊接時無需保護(hù)氣體、焊縫未熔合缺欠低、風(fēng)速小于8m／s時不需防風(fēng)棚等優(yōu)勢備受關(guān)注^[7-14]。

鑒于管道自動焊接技術(shù)與自保護(hù)藥芯焊絲的顯著優(yōu)勢，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)藥芯焊絲自動焊接參數(shù)，并結(jié)合管道自動焊接與自保護(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)藥芯焊絲自動焊接技術(shù)的持續(xù)深入研究。

1　管道全位置焊接及自動焊接技術(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，整個管口的焊接工序由管端坡口、管口組對、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，可應(yīng)用手工電弧焊、半自動焊或者自動焊對管口進(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焊接過程是一個從平焊狀態(tài)到市焊狀態(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)時變化。

1．2　管道自動焊接技術(shù)原理

管道自動焊接技術(shù)是指借助自動焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)管道相對固定時自動焊接環(huán)焊縫的一種技術(shù)。通過自動控制系統(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、焊炬擺動寬度及擺動頻率等焊接參數(shù)的變化，以實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫全位置的自動焊接。

2　管道全位置自保護(hù)藥芯焊絲自動焊接系統(tǒng)

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

 

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、擺動寬度、擺動軌跡、擺動速率等，從而實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫的高效全位置自動焊接。焊接時，首先由l臺焊接小車從l2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l2點(diǎn)位置后，另l臺焊接小車隨即移動至l2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臺焊接小車空間不下擾的狀態(tài)下，保持起弧過程的最小時間差，以保證焊接過程巾焊縫兩側(cè)應(yīng)力的基本對稱，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，必須對前一焊層進(jìn)行清渣處理。

 

2．2　機(jī)械部分

自保藥芯焊絲自動焊接系統(tǒng)機(jī)械部分主要由焊接小車和驅(qū)動機(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。

 

2．2．2驅(qū)動機(jī)構(gòu)

驅(qū)動機(jī)構(gòu)是自保藥芯焊絲自動焊接系統(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。

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

 

行走機(jī)構(gòu)的工作原理：驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動大帶輪，然后通過漲緊輪軸將動力傳遞給安裝于傳動齒輪軸一端的小帶輪，帶動傳動齒輪軸旋轉(zhuǎn)，繼而通過傳動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)與齒輪的動力傳動(圖5)。

 

2．3　控制部分

自保藥芯焊絲自動焊接系統(tǒng)控制部分采用邏輯控制器(P1．(：)作為主控制器，完成數(shù)據(jù)計(jì)算和動作控制。

2．3．1焊接方式

自保藥芯焊絲自動焊接足由2臺焊接小車帶動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)～l點(diǎn)……ll.5點(diǎn)～l2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而實(shí)時調(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)動器，進(jìn)而對相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制。

 

可編程PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，控制、協(xié)調(diào)各動作的順序，并對手持控制器發(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)藥芯焊絲自動焊接工藝

自保藥芯焊絲自動焊焊接工藝為“內(nèi)焊機(jī)根焊+自保藥芯焊絲自動焊填充、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、擺動幅度根據(jù)坡口的寬度設(shè)定。

3．1　坡口的確定

3．1．1坡口形式及參數(shù)

自保藥芯焊絲自動焊接工藝所用坡口形式為U形坡口(圖7)。

 

U形坡口參數(shù)分別為：坡口與圓弧相切，角度(a)為8°；內(nèi)坡口角度(b)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；管口組對錯邊量小于等于l.5mm；管道無間隙組對坡口上開口寬度(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)a＝6°、W＝8.5mm時，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，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焊絲住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，增加清渣時間和焊工勞動強(qiáng)度。

2)當(dāng)a＝8°、W＝9.5mm時，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)a＝10°、W＝10.5mm時，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，增大了焊材消耗囂和焊工的勞動強(qiáng)度，且寬坡口結(jié)構(gòu)需要焊炬火幅度擺動，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)，自保藥芯焊絲自動焊接用焊絲確定為Hobart 8lNl+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

自保藥芯焊絲自動焊接工藝所需焊接沒備為：內(nèi)焊機(jī)l臺；自保藥芯焊絲自動焊系統(tǒng)一套(包含2臺焊接小車、2臺焊接電源、2臺送絲機(jī))。

3．3．2焊接參數(shù)

自保藥芯焊絲自動焊接系統(tǒng)的焊接參數(shù)見表1。

進(jìn)行熱焊、填充焊、蓋面焊時應(yīng)注意：0點(diǎn)～2點(diǎn)焊接段具有平焊特點(diǎn)，學(xué)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，焊接速度宜相對較慢。

 

4　試驗(yàn)效果

試驗(yàn)證明，白保藥芯焊絲自動焊接過程平穩(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，自保藥芯焊絲自動焊接可進(jìn)一步降低焊工的勞動強(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。

 

5　結(jié)論與建議

1)管道全位置白保護(hù)藥芯焊絲自動焊接系統(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強(qiáng)度，降低管道焊接綜合成本。

3)管道傘位置自保護(hù)藥芯焊絲自動焊接工藝制訂合理，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。占焊絲自動焊接應(yīng)用現(xiàn)有的成品藥：芑=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)適用于自動焊接的專用自保護(hù)藥芯焊絲。

 

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本文作者：曾惠林  王長江  楊雪梅  王新升  劉然

作者單位：中國石油天然氣管道科學(xué)研究院

  廊坊東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院