杜興吉，夏正文，王 坤

（浙江久立特材科技股份有限公司，湖州313012）

0 引 言

臍帶纜一般由電纜、光纖、輸送化學(xué)制劑和液壓流體的鋼管、外部保護(hù)層（鋼管和復(fù)合材料）等組成，長(zhǎng)度為幾百至上萬(wàn)米。其主要作用為輸送化學(xué)制劑、液壓流體、電及信號(hào)，是海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的生命線。臍帶纜內(nèi)部部件的損壞將會(huì)使通信中斷并且影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制[1]。

深海臍帶纜中的鋼管一般采用S32750（SAF2507）超級(jí)雙相不銹鋼管，直徑6.3～50.8 mm，壁厚0.5～3 mm。S32750中Cr和Mo的含量都很高，因此具有極好的抗點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕和均勻腐蝕的能力，最小屈服強(qiáng)度是550 MPa，抗拉強(qiáng)度 800～1 000 MPa。

深海臍帶纜由多管件結(jié)構(gòu)組成。通常最里面的管（內(nèi)管）為液壓流體輸送管，內(nèi)管和外部保護(hù)層（外管）之間為電纜和光纖。在制造臍帶纜前首先需要將每根約10 m的無(wú)縫鋼管對(duì)焊后盤成一卷，最長(zhǎng)可達(dá)20 km。

由于臍帶纜用鋼管在深海（有時(shí)深達(dá)2 000多米）下使用，且工作條件復(fù)雜、惡劣，難以維修，因此對(duì)其焊接接頭質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。但在實(shí)際生產(chǎn)中，其焊接缺陷嚴(yán)重影響了盤管性能，尤其是降低了疲勞壽命。

管-管對(duì)接時(shí)，由于兩端的鋼管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且一側(cè)鋼管的一端已與盤卷在盤管機(jī)的鋼管相連接，所以焊接過(guò)程中管子不能轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法旋轉(zhuǎn)，須靠焊頭帶動(dòng)鎢極的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)全位置焊接。全位置焊接對(duì)兩管端校直、管口整圓以及對(duì)中等焊接前的工作要求很高，同時(shí)在焊接過(guò)程中，也要求其具有較高的焊接精度和焊接操作技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于此類焊接的焊管設(shè)備基本都是從德國(guó)、法國(guó)和美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口的[3]。

本研究針對(duì)管-管焊接的特殊性，通過(guò)大量試驗(yàn)，找出了焊接工藝參數(shù)的最佳數(shù)值。

1 焊前準(zhǔn)備

生產(chǎn)臍帶纜內(nèi)套鋼管所用的超級(jí)雙相不銹鋼無(wú)縫管越長(zhǎng)，所需要的對(duì)接焊也就越少，因此鋼管自然是越長(zhǎng)越好，但是這受到無(wú)縫管生產(chǎn)設(shè)備等條件的限制，因此一般長(zhǎng)度為12～40 m。由于鋼管比較長(zhǎng)，這給對(duì)接焊前的精密對(duì)頭造成了困難。其不銹鋼鋼管本身的質(zhì)量也對(duì)對(duì)接焊質(zhì)量有很大的影響，因此，需做好以下工作：

（1）校直。將準(zhǔn)備焊接的兩個(gè)管端處完全校直，每個(gè)管端校直長(zhǎng)度大于400 mm，以保證管管對(duì)接時(shí)的對(duì)口裝夾，使得完全校直端的兩端軸線在同一條直線上。

（2）整圓。將校直好的準(zhǔn)備對(duì)接焊的兩個(gè)管端采用冷整圓方法進(jìn)行整圓，使不小于50 mm的管端消除橢圓。

（3）管子切割后去除管口毛刺。并對(duì)管口兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)的管壁內(nèi)外表面清理。

2 管-管精密組對(duì)

2.1 影響管-管精密組對(duì)的因素

從工藝角度看，對(duì)焊焊件的要求通常以沿軸線全長(zhǎng)的直線度、焊縫處的圓度、錯(cuò)邊等要素來(lái)評(píng)價(jià)。焊件軸線的直線度是最基本的要求，由對(duì)焊兩管件的同軸度來(lái)實(shí)現(xiàn)。裝配所能達(dá)到的同軸度決定了焊件軸線所能達(dá)到的直線度和焊前加工尺寸在焊后的同軸度。因此裝夾系統(tǒng)必須在定位夾緊時(shí)保證相應(yīng)的位置公差—同軸度[6]。

對(duì)于全位置焊接而言，工件的組對(duì)精度對(duì)焊縫的質(zhì)量穩(wěn)定性起著決定性作用。全位置鋼管自動(dòng)焊要保證焊接工藝的重現(xiàn)性，焊接組對(duì)是焊前準(zhǔn)備工作中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。影響鋼管組對(duì)精度的幾個(gè)主要因素有以下幾點(diǎn)：

（1）鋼管壁厚誤差和管徑誤差。壁厚誤差和管徑誤差的大小會(huì)嚴(yán)重影響到管子的組對(duì)精度，誤差過(guò)大，管子組對(duì)時(shí)的錯(cuò)邊量也大，從而影響焊接質(zhì)量[5]。

（2）鋼管的直線度。鋼管的直線度特別是管端的直線度對(duì)對(duì)接的精度有著很大的影響。試驗(yàn)時(shí)的鋼管管端的直線度有時(shí)達(dá)到500 mm偏差4～5 mm。

（3）組對(duì)夾具的加工精度。雖然用來(lái)定位兩端鋼管的左右側(cè)夾具的圓槽是一次定位加工出來(lái)的，但實(shí)際上還是有一定的誤差的。

（4）左右?jiàn)A具之間安裝焊接機(jī)頭的軸向空隙大小。用來(lái)定位兩端鋼管的左右?jiàn)A具之間安裝焊接機(jī)頭的軸向空隙越短，越能保證焊件焊接處的直線度。如封閉式焊接機(jī)頭其軸向距離約50 mm，鋼管左右側(cè)都只要伸出25 mm即可。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，大多數(shù)需加絲的開(kāi)放式焊接機(jī)頭軸向距離在140 mm左右，安裝焊接機(jī)頭的一側(cè)鋼管至少得伸出110 mm左右。因此選購(gòu)焊接機(jī)頭時(shí)軸向尺寸也是一個(gè)得考慮重要的因素。

對(duì)于鋼管組對(duì)采用一端固定，另一端采用十字滑臺(tái)進(jìn)行高低位置、前后位置的微調(diào)的方法（或一端進(jìn)行高低位置微調(diào)，另一端采用前后位置的微調(diào)），存在著一定的不足： 焊接后鋼管的直線度、同軸度無(wú)法保證?？烧{(diào)整的定位裝置，沒(méi)有了現(xiàn)有定位裝置的直線度保證。左右定位裝置的安裝誤差、滑臺(tái)的加工和安裝誤差、滑臺(tái)手工調(diào)整誤差等都會(huì)對(duì)焊接后鋼管的直線度產(chǎn)生一定的影響。焊接后前后鋼管的直線度可能較差，前后二根鋼管的軸心也有可能不在同一條軸線上。

2.2 保證管-管精密組對(duì)的工裝設(shè)備

全位置自動(dòng)焊接機(jī)頭通過(guò)其自身固有的夾塊固定在一側(cè)的不銹鋼管子上，并將鋼管快速裝夾在對(duì)焊工裝上。

管-管對(duì)接組對(duì)時(shí)，兩端應(yīng)齊平，無(wú)間隙，錯(cuò)邊量不宜超過(guò)管壁厚度10%，且控制在±0.2 mm。為降低應(yīng)力，對(duì)中時(shí)應(yīng)盡可能使對(duì)焊兩管處于自由狀態(tài)，嚴(yán)禁在管子拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)對(duì)中固定。

在試驗(yàn)中，主要出現(xiàn)的缺陷有焊偏、錯(cuò)邊及未融合等。究其原因，主要是組對(duì)裝夾的問(wèn)題。由于管子壁薄、外徑小，接口處很窄，對(duì)中很難保證。所以，設(shè)計(jì)了一種在焊接小管徑鋼管時(shí)的高精度工裝夾具以保證對(duì)中，該組對(duì)工裝，主要由左、右、中三套夾具，三維微調(diào)裝置和快速夾鉗等組成，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的組對(duì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，中夾具下面有三維微調(diào)裝置，主要解決兩端鋼管的準(zhǔn)確組對(duì)問(wèn)題，保證組對(duì)的準(zhǔn)確性，其三個(gè)方向的調(diào)節(jié)精度可達(dá)到0.03 mm。同時(shí)為了滿足焊接后鋼管的直線度，左、右?jiàn)A具上的V形槽 （半圓槽）是在一次定位同時(shí)加工出來(lái)的，并將安裝焊接機(jī)頭的位置減少到盡可能短，以盡可能減少鋼管彎曲帶來(lái)的錯(cuò)邊。

圖1 小管對(duì)接精密組對(duì)工裝示意圖

3 全位置焊接

焊接時(shí)須保證在整個(gè)焊縫周圍具有連續(xù)不斷的無(wú)紊流氬氣保護(hù)。通常根據(jù)情況采用純氬或高純氬進(jìn)行正面/背面的保護(hù)，焊接之前和焊接結(jié)束后應(yīng)保證足夠的提前充氣和滯后停氣；對(duì)于背面氣體保護(hù)應(yīng)控制其流量和規(guī)則性，避免管內(nèi)產(chǎn)生高壓；對(duì)于正面保護(hù)氣體，氣體流量不宜過(guò)大，否則會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性，造成電弧偏轉(zhuǎn)[5]。

3.1 焊接機(jī)頭的選擇

對(duì)于直徑5～58 mm，壁厚≤1.5 mm的薄壁鋼管之間的對(duì)焊，一般采用密封式機(jī)頭就可以了，被焊母材加熱熔化后直接連接起來(lái)，由于采用密封式設(shè)計(jì)，氣保護(hù)效果更加充分，并帶有可保證被焊件精確定位的復(fù)式夾具。但密封式管焊接頭不能進(jìn)行填絲焊，只能用于3 mm以下的不銹鋼管管焊。

深海臍帶纜中的超級(jí)雙相不銹鋼管，其壁厚一般0.5～3 mm，基本也是在3 mm以下的。但是臍帶纜所用鋼管在深海下使用，且工作條件復(fù)雜、惡劣，對(duì)抗腐蝕等性能要求非常高，需要加填充焊絲改變焊縫成分以提高焊縫接頭的質(zhì)量。由于保護(hù)氣體為純氬，無(wú)氧化性，焊絲熔化后成分基本不發(fā)生變化，所以焊絲成分即為焊縫成分。所以臍帶纜鋼管對(duì)接焊中一般采用了加絲的開(kāi)放式全位置TIG焊機(jī)。但開(kāi)放式全位置TIG焊機(jī)也給鋼管的精密組對(duì)帶來(lái)了困難，更何況對(duì)接的是十多米、甚至數(shù)十米長(zhǎng)的鋼管。

焊接試驗(yàn)設(shè)備為法國(guó)寶利蘇迪全位置焊管機(jī)，主要組成部分包括：PS164-2便攜式電源、MUIV8/38P焊接機(jī)頭 （適用范圍為準(zhǔn)8～38 mm）和Polyfil-3送絲機(jī)等。內(nèi)置60個(gè)預(yù)置程序，基本涵蓋了常用的多種不同材料，不同管徑和厚度的焊接應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)內(nèi)置打印機(jī)打印出焊接實(shí)時(shí)參數(shù)，通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)程序，直接調(diào)用內(nèi)存中的16個(gè)程序。從而大大降低了對(duì)操作人員的技術(shù)要求，并保證了焊縫質(zhì)量。

全位置自動(dòng)焊接機(jī)頭上的鎢極在齒條的驅(qū)動(dòng)下沿管子外壁連續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接。

通過(guò)對(duì)各焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化配置，可獲得非常理想的薄壁不銹鋼管件焊縫質(zhì)量和外觀成形。

3.2 對(duì)焊試驗(yàn)

試驗(yàn)用的是S32750（SAF2507）超級(jí)雙相不銹鋼無(wú)縫管，規(guī)格準(zhǔn)14.7 mm×1 mm，長(zhǎng)度12 m。

雙相不銹鋼管的焊接材料或填充材料通常采用比母材含鎳高的材料，對(duì)于含氮的雙相不銹鋼要求焊材和母材的含氮量相同，以保證焊縫金屬有足夠的奧氏體量。所以焊絲采用了25.10.4 L，直徑為1.0 mm。

鎢極直徑為 2.4 mm，噴嘴直徑為10 mm，外保護(hù)氣體為99.99%的氬氣，噴嘴氣體流量約為6～10 L/min，內(nèi)保護(hù)氣體為純氮?dú)猓瑲怏w流量約為10～15 L/min。

管-管對(duì)接不留間隙，組對(duì)時(shí)也不能使用點(diǎn)焊，以免降低焊縫的抗腐蝕性能，在精密組對(duì)工裝上組對(duì)后，鎢極與管壁間距1.2～1.5 mm，并使鎢極位于對(duì)接口中央，起弧位置5點(diǎn)，一次焊接成形。焊接速度為90～110 mm/min，脈沖持續(xù)時(shí)間0.2 s。焊接電流68～74 A，電壓12～14 V。

對(duì)盤管前經(jīng)X射線平板檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)合格后的部分接頭分別進(jìn)行了拉伸、彎曲、壓扁等力學(xué)性能試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)按照ASTM A1016/A1016M，ASTM E8/E8M和ASTM A370執(zhí)行，測(cè)試的試樣數(shù)量符合ASTM A789/A789M要求。拉伸試驗(yàn)斷裂處均在母材上，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

硬度試驗(yàn)表明，母材和帶焊接接頭的管材洛氏硬度平均值約為30。

壓扁試驗(yàn)按照ASTM A1016/A1016M和ASTM A370執(zhí)行，每一批管。下壓量100%時(shí)，均無(wú)裂紋現(xiàn)象，焊縫處也完好。

彎曲試驗(yàn)采用半管冷壓彎曲，焊縫對(duì)準(zhǔn)上壓頭，冷彎半徑15 mm，面彎和背彎180°均未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果證明，焊縫質(zhì)量良好，焊縫的綜合力學(xué)性能與母材接近。

用幾十根鋼管經(jīng)對(duì)焊、拋光、焊縫100%經(jīng)X射線平板檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)合格后盤成了幾百米長(zhǎng)的盤管。盤成盤管后的焊縫也沒(méi)有出現(xiàn)裂紋等外觀上的缺陷。

經(jīng)最高100 MPa的壓力試驗(yàn)表明，環(huán)焊縫的性能也能滿足產(chǎn)品安全性和可靠性要求。

4 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)論

在生產(chǎn)線上經(jīng)過(guò)大量的對(duì)接焊試驗(yàn)，選擇了合理的焊接規(guī)范參數(shù)，并且通過(guò)對(duì)未盤卷的一頭管子內(nèi)通保護(hù)氣體，獲得了焊縫內(nèi)外表面成形美觀、根部焊透性好、接頭質(zhì)量穩(wěn)定可靠等性能優(yōu)良的焊接接頭。

采用全位置TIG對(duì)接焊機(jī)進(jìn)行焊接，從拉伸、彎曲試驗(yàn)，壓力試驗(yàn)和X射線平板檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，其焊接接頭的力學(xué)性能可滿足要求。

[1]李清泉，楊和振.深海臍帶纜內(nèi)套管間相互作用的研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，25（06）：28-32.

[2]劉秀春，亓安芳，李忠杰.全位置TIG對(duì)接焊機(jī)工藝試驗(yàn)研究[J].鍋爐技術(shù)，2006，37（05）：52-54.

[3]黃紹平，蓋玉先，劉會(huì)英.全位置密封式管焊頭關(guān)鍵技術(shù)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（08）：104-109.

[4]石凱，奚運(yùn)濤，周勇，等.小口徑鋼管全位置脈沖TIG焊的成型控制及組織調(diào)控[J].焊管，2004，27（01）：21-24.

[5]馬嗚亮.薄壁不銹鋼管環(huán)縫全位置自動(dòng) TIG焊[J].焊接技術(shù)，2009，38（06）：60-61.

[6]陳宏，王笑川，侯春林，張志華.中徑管環(huán)縫焊接定心內(nèi)撐工裝設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2008，38（02）：60-63.

[7]許江曉．劉曉林.熱絲TIG全位置自動(dòng)焊工藝參數(shù)的匹配[J].焊接技術(shù)，2010，39（07）：56-58.

[8]季偉明.自動(dòng)焊在管道工廠化預(yù)制中的應(yīng)用研究[J].化工建設(shè)工程，2003，25（03）：12-14.

[9]張瑞華，正海濤，王榮等.低碳鋼管子全位置 A-TIG焊接法[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31（06）：13-16.

[10]虞琳.小口徑耐熱合金鋼管鎢極氬弧焊氣孔探討[J].機(jī)械工程師，2008（1）：13-14.

[11]謝峰，張凌云，厲克勤.鋁合金小直徑溥壁管的全位置工藝研究[J].宇航材料工藝，2000，30（04）：58-61.