王 瑋,張 鋒,趙勇強(qiáng),龐亞峰
(1.中國石油天然氣管道局科技中心,河北廊坊 065000;2.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院,河北廊坊 065000;3.中國石油天然氣管道局第三工程公司,河南中牟 451450;4.中國石油天然氣管道局第一工程公司,河北廊坊 065000)
管道焊接中采用單絲焊時,如果焊接速度較高,電弧的熱量沒有向母材充分?jǐn)U散,形成的熔池小,周圍的母材溫度梯度大,熔池凝固快,熔化金屬來不及和母材充分熔合,因此焊縫余高大,容易產(chǎn)生咬邊甚至不成形,焊縫內(nèi)易出現(xiàn)未熔合缺陷。
TANDEM單弧雙絲焊 (見圖1(a))技術(shù)是國外從不協(xié)同雙絲焊技術(shù)發(fā)展起來的高效焊接技術(shù),大弧雙絲焊槍里安裝了兩根按一定角度置放的焊絲,且相互絕緣,兩根焊絲分別由各自的電源供電 (見圖1(b)),且所有參數(shù)都彼此獨(dú)立,在保證每個電弧穩(wěn)定燃燒的前提下,將兩個電弧的相互干擾降到最低。
采用TANDEM單弧雙絲焊時,前絲焊接電流較大,有利于形成較大的熔深,后絲電流稍小,起到填充蓋面的作用;兩根焊絲互為加熱,充分利用電弧的能量,實(shí)現(xiàn)較大的熔敷率,使熔池里有充足的熔融金屬和母材充分熔合,因此焊縫成形美觀;一前一后兩個電弧,大大加長了熔池的尺寸,熔池中的氣體有充足的時間析出,氣孔傾向極低;這種焊接方法雖然電流大,但焊接速度很快,因此熱輸入量反而小,焊接變形也很小。與其他焊接技術(shù)相比,熔敷速度快、焊接效率高、焊接質(zhì)量好、飛濺少。
正因為單弧雙絲焊技術(shù)有上述技術(shù)特點(diǎn),所以將單弧雙絲焊技術(shù)與管道全位置自動焊技術(shù)融合,開展管道全位置單弧雙絲自動焊技術(shù)研究并盡快將該技術(shù)應(yīng)用到長輸管道施工中成為必然,同時管道單弧雙絲自動焊技術(shù)將帶動現(xiàn)有管道自動焊技術(shù)及裝備升級,為我國管道建設(shè)提供技術(shù)支持。
現(xiàn)有管道全位置自動焊技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用時,在根焊、填充焊以及蓋面焊過程中易產(chǎn)生未熔合缺陷(為了兼顧焊接規(guī)范和全位置成形),降低了焊縫一次合格率,嚴(yán)重影響了自動焊技術(shù)的推廣應(yīng)用。而通過加大焊接規(guī)范參數(shù)來解決未熔合問題又難以克服成形的難題,這一對矛盾一直影響著自動焊技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。
新型的單弧雙絲焊技術(shù)為解決高效、高質(zhì)量施工提供了一種技術(shù)途徑:由于單弧雙絲焊接過程中熔池的自然長度和寬度均比現(xiàn)有自動焊熔池大,在熱輸入相同的情況下,熔深又大,因而對克服邊緣未熔、層間未熔有非常明顯的效果 (見圖2);由于單弧雙絲中的兩個獨(dú)立電弧相位差為180°(見圖3),且保證實(shí)現(xiàn)一脈一滴的過渡,避免了兩個電弧的相互干擾,增強(qiáng)了電弧和熔池的穩(wěn)定性,在全位置焊接中更容易保證焊縫成形和焊接質(zhì)量。
圖2 單弧雙絲與單弧單絲熔池及焊縫成形比較
圖3 單弧雙絲熔滴過渡形態(tài)及電流波形
下文闡述的管道全位置單弧雙絲自動焊技術(shù)以Fronius公司的TPS 3200為基本單元,通過與現(xiàn)有自動焊系統(tǒng)融合,利用管道全位置自動焊的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng),組成單弧雙絲管道全位置自動焊系統(tǒng) (見圖4)。該系統(tǒng)由四臺Fronius公司的TPS 3200電源、四臺送絲機(jī)以及兩把雙絲焊槍組成。電源和送絲機(jī)分成兩組,每組兩臺電源通過協(xié)同控制板確定主從關(guān)系,送絲機(jī)與電源一一匹配,在焊接過程中主絲在前,輔絲在后。單弧雙絲焊槍采用強(qiáng)制水冷結(jié)構(gòu),根據(jù)焊接工藝要求,主絲送絲速度大于輔絲送絲速度,實(shí)現(xiàn)大熔深和大熔寬的目的,進(jìn)而解決實(shí)芯焊絲管道全位置自動焊過程中的未熔合問題。
圖4 單弧雙絲全位置自動焊系統(tǒng)
全數(shù)字控制系統(tǒng)由兩部分組成:一部分是基于觸摸屏的專家焊接系統(tǒng),用戶可通過該系統(tǒng)完成焊接參數(shù)的修改、上傳及下載;另一部分是主控系統(tǒng),包括了電源模塊、主控單元 (DSP)、中間信號處理 (ARM)和焊接電源控制單元 (ROBOT5000)。
專家焊接系統(tǒng)采用觸摸屏進(jìn)行焊接參數(shù)的輸入、輸出、修改、存儲,建立對不同管材、焊材、壁厚的網(wǎng)狀工藝數(shù)據(jù)庫,并配合RCU參數(shù)控制器實(shí)現(xiàn)焊接過程的實(shí)時參數(shù)顯示及修改,積累工藝參數(shù)。在本系統(tǒng)中需要解決的技術(shù)問題是觸摸屏與主控板的通訊,包括參數(shù)的設(shè)定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式的推導(dǎo)、數(shù)據(jù)量的設(shè)定輸出等;另外,通過大量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸并存儲以不斷積累重要數(shù)據(jù)也是控制系統(tǒng)需具備的功能。
主控系統(tǒng)主要包括直流電源模塊、PMAC控制卡、信號轉(zhuǎn)接板、ARM信號處理板、焊接電源控制板等部件,負(fù)責(zé)各種信號的處理、各種運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)和各種參數(shù)的修改、運(yùn)算。PMAC控制卡是以DSP數(shù)字信號處理器為核心,內(nèi)置單弧雙絲焊運(yùn)動控制和參數(shù)調(diào)用程序,可實(shí)現(xiàn)對多軸的控制、I/O接口控制和所有的運(yùn)算。DSP的高速運(yùn)算性能(20 MIPS)可確保多軸的控制、參數(shù)調(diào)用及相關(guān)運(yùn)算在極短的時間內(nèi)完成 (見圖5)。
單弧雙絲管道全位置自動焊技術(shù)適用于窄間隙高速焊接,在管道全位置焊接過程中,熱焊、填充焊都無需擺動,完全依靠電弧及熔池的自然寬度便可流暢地完成各層的焊接工作,且保證坡口邊緣的完美熔合 (見圖6)。坡口為復(fù)合U型坡口 (見圖7),單層板厚度2.5 mm,焊接電壓22 V,送絲速度8.0m/min(前絲)和7.5m/min(后絲)。
單弧雙絲全位置自動焊焊縫力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1。
圖7 單弧雙絲管道自動焊工藝坡口
表1 單弧雙絲全位置自動焊焊縫力學(xué)性能檢測結(jié)果
在進(jìn)行管道全位置焊接中存在的最大難點(diǎn)是仰臉焊成形較難,原因之一是焊工在高速焊接中觀察較困難,另外工藝參數(shù) (包括前絲和后絲的匹配)需要精確調(diào)整。而單弧雙絲全位置自動焊的技術(shù)優(yōu)勢,使得焊縫的缺陷大大降低,是值得盡快推廣應(yīng)用的技術(shù)。
本文中研究的TANDEM單弧雙絲全位置自動焊技術(shù)不但焊接速度高,且熔深大、自然熔寬大,對降低焊縫未熔合缺陷起到了很好的作用;通過將TANDEM單弧雙絲焊技術(shù)與現(xiàn)有自動焊系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)融合,研制出全新的單弧雙絲管道全位置自動焊機(jī),并盡快完成全位置自動焊接工藝研究,必將大大提高管道全位置自動焊接的效率,同時可以有效解決焊接過程中未熔合等技術(shù)問題,從而推動管道全位置自動焊接技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展。