（中石化 江蘇油建工程有限公司，江蘇揚州225009）

0 前言

在長輸管道焊接方面，全自動焊接高效高速，質量穩(wěn)定，操作簡便，焊縫外觀成形美觀、內在質量狀況穩(wěn)定，目前主要應用于大口徑、大壁厚管道，大機組流水作業(yè)[1-2]。如在沙特SWCC輸水管線建設就采用SERIMAX SATURNAX 05自動焊接系統進行壁厚15.88～22.22mm、直徑1930mm的API5L標準B、X42、X60、X65鋼管焊接。管線建設的關鍵在于焊接施工技術，焊接質量決定著管線運行的安全性[3]。我國西氣東輸二線管道建設選用中油管道所生產的PAW2000A和PAW3000型管道自動焊機分別進行大管徑管道的熱焊與填充蓋面焊接[4]，但是在小口徑領域暫未見實際應用。

目前針對大管徑一般采用SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統，主要適用于直徑500 mm以上的長輸管道焊接。為了進行小口徑φ168mm管道焊接，對SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統進行改裝。但在將大口徑改造為小口徑管道焊接的過程中，由于管道直徑變化，焊槍角度、焊接小車行走輪以及焊接參數等都會發(fā)生變化，在此重點研究小口徑、大壁厚管道的全自動焊適應性改進技術，以及厚壁小口徑管道電弧焊接過程中不同參數對焊接質量的影響。

1 試驗方法

試驗設備采用改造的SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統，如圖1所示。主要試驗條件如表1所示。

表1 主要試驗條件

每套SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統包括1個電源分配箱、4個焊接電源、2個電氣控制箱、2個送絲控制箱、2個雙槍頭焊接小車，如圖1所示。

圖1 SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統

2 試驗結果與分析

2.1 焊槍角度

由于管道直徑變化，焊槍角度隨之發(fā)生變化，在焊接小口徑管道時，采用原大口徑焊槍角度對焊縫成形和焊接質量都有較大影響，需調整至與小口徑管道匹配的焊槍角度進行焊接。

2.1.1 焊槍結構

SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統采用雙槍下向焊技術，如圖2所示。管道外作業(yè)，兩把焊炬固定在同一支架上，一前一后同步進行，焊接過程中采用垂直跟蹤系統以確保電弧穩(wěn)定。根焊時使用銅襯墊內對口器[5-6]，單面焊雙面成型。填充焊雙槍處于鋼管橫向同一平面，蓋面焊時為得到一定的焊縫寬度，通過調節(jié)相關旋鈕使雙槍獲取一定的偏移量（前后“錯開”），實現排焊蓋面。

圖2 φ813 mm大口徑雙槍下向焊接示意與焊槍

2.1.2 焊接工作角分析及區(qū)間劃分確定

為了獲得適當的熔深熔寬和方便觀察熔池以保證良好的焊接質量和焊縫外觀，焊接時焊槍角度一般約為90°。以直徑813 mm焊接系統的焊槍支架為基礎，分別選取直徑168 mm、336 mm、356 mm、610 mm、660 mm、813 mm和1 930 mm的鋼管（直徑小于168mm的鋼管不適用全自動焊接，暫不考慮），依次分析各個形成的焊槍角度，各管徑焊槍角度示意如圖3所示。1槍表示同一臺焊接小車的前焊炬，2槍表示同一臺焊接小車的后焊炬，焊槍支架中心線的延長線平行于各管徑的橫截面并過其圓心（下同），焊槍角度為焊槍與其和管道交點切線的夾角。

圖3 各管徑焊槍角度示意

比較分析發(fā)現：直徑813 mm鋼管上，1槍和2槍的焊槍角度分別為82°和83°，如圖4所示，焊接時焊槍角度與90°偏差在10°范圍內，焊接質量較穩(wěn)定；直徑660 mm和1 930 mm鋼管上，1槍的焊槍角度分別為80°和84°，2槍的焊槍角度分別為85°和82°，焊接時焊槍角度與90°偏差都在 10°范圍內，焊接質量較穩(wěn)定。隨著直徑的減小，從直徑610mm到直徑356mm鋼管上，1槍的焊槍角度逐漸減小至76°，焊接時 1 槍的焊槍角度與 90°偏差在 10°～15°。通過實驗可知，此時采用直徑813mm鋼管上所用的焊槍支架焊縫成形和焊接質量均較差，2槍同理。

隨著直徑的進一步減小，從直徑336mm開始到直徑168 mm鋼管上，1槍的焊槍角度逐漸減小至64°，焊接時1槍的焊槍角度與90°偏差大于等于15°。通過實驗可知，此時采用直徑813 mm鋼管上所用的焊槍支架焊縫難以成形，2槍同理。

初步可確定同一個焊槍角度支架無法滿足直徑168～1 930 mm所有口徑的使用。

綜上所述并考慮實際應用影響因素：a.長輸管線口徑設計選用率；b.焊槍角度與90°偏差控制在10°以內確保電弧穩(wěn)定；c.安裝便利性（減少焊槍支架角度種類）等。設直徑336 mm和直徑610 mm規(guī)格為臨界點，將焊接系統焊槍支架的適用范圍定為3種，分別適用直徑168～336mm、直徑356～610mm、直徑660～1 930 mm的管道焊接。新型焊槍支架的焊槍角度及其實物如圖5所示。

圖4 直徑813 mm鋼管上焊槍角度示意

圖5 各范圍焊槍角度及焊槍支架

管道直徑為168～336 mm時，焊槍角度80°～90°，焊接時焊槍角度與90°偏差在0°～10°；管道直徑為356～610 mm時，焊槍角度87°～90°，焊接時焊槍角度與90°偏差在 0°～3°；管道直徑為 660～1 930 mm 時，焊槍角度 81°～84°，焊接時焊槍角度與 90°偏差在1°～4°。采用新型焊槍支架焊接時工作角與90°偏差都在10°范圍內，焊接時能確保電弧穩(wěn)定。

2.2 焊接小車行走輪的影響

由于管道直徑變化，焊接小車底部夾緊輪失效，小車易從軌道脫落，無法正常工作，需更換小車行走輪或加減相應墊片使焊接小車在軌道上穩(wěn)定行走，確保整個焊接過程的順利進行。

2.2.1 行走結構

焊接小車上有2個與軌道嚙合的齒輪（驅動小車），和夾緊輪配合完成行走，如圖6所示。R為軌道外側半徑，B為軌道圓心到兩嚙合齒輪圓心連線的垂直距離，L為內側夾緊輪與軌道接觸點到兩嚙合齒輪圓心連線的垂直距離（關鍵值），內側夾緊輪兩嚙合齒輪之間的距離A=126 mm，嚙合輪半徑r=11 mm。

圖6 小車嚙合齒輪、夾緊輪實物及簡化示意

2.2.2 焊接小車夾緊輪結構

焊接小車夾緊輪結構如圖7所示。E為內側夾緊輪與小車體之間安裝的墊圈厚度（通過調節(jié)此厚度可緊固夾緊機構）。A、B型號的內側夾緊輪實物及示意如圖8所示。H為存放備用墊圈厚度。A型：頸部高度8.5 mm；B型：頸部高度2 mm。

圖7 焊接小車夾緊輪結構

圖8 A、B型號的內側夾緊輪實物及示意

2.2.3 結構分析

（1）關鍵值L的確定。根據圖6的幾何關系：

由式（1）、式（2）可得

由式（3）可知，A=126 mm，r=11 mm 都是定值，當軌道半徑R即管徑發(fā)生變化時，L有一個確定的對應值。當R為直徑813 mm鋼管的軌道半徑（軌道周長為 2 802.3 mm）時，由式（3）得 L1≈6.64 mm，如圖9所示。直徑813 mm鋼管使用的是A型夾緊輪，夾緊輪與小車體之間安裝E=6.7 mm厚度的墊圈。

圖9 直徑813 mm鋼管嚙合齒輪、夾緊輪方位簡化示意

（2）關鍵值L的適配分析。

由于管道直徑變化，L值為變量，原焊接小車底部夾緊輪失效，焊接小車易從軌道脫落。若使夾緊輪夾緊牢固正常工作，需匹配小車行走輪或加減相應墊片。

當R為直徑168 mm鋼管的軌道半徑（軌道周長為 791.7 mm）時，由式（3）得 L2≈-4.34 mm，如圖10所示。

圖10 直徑168 mm鋼管上嚙合齒輪、夾緊輪方位簡化示意

若在原直徑813 mm鋼管上行走的焊接小車上改動，內側夾緊輪需向內移（上移）L=L1-L2=10.98mm，約為11.0mm。另外由于直徑813mm與直徑168 mm制作工藝不同，直徑168 mm軌道的嚙合齒輪比直徑813 mm軌道的嚙合齒輪突出0.5 mm。

a.若選用A型，即使將E=6.7 mm厚度的墊圈全部去掉也無法滿足上移11.0 mm的要求，故A型不可用。

b.若選用B型，則上移6.5mm（8.5 mm-2 mm），考慮齒輪突出的0.5 mm，此時上移6 mm（6.5 mm-0.5 mm）。若要滿足上移11.0 mm的要求，只需將墊圈減去5.0 mm。故選用B型。此時墊圈剩余的厚度為E=1.7 mm（6.7 mm-5.0 mm），故需保留E=1.7 mm厚的墊圈，將多余的5 mm墊圈放在H處。

小結：通過安裝B型內側夾緊輪，墊圈厚度E取1.7 mm進行試驗，嚙合適當，夾緊牢固，可以正常工作。

各個管徑的夾緊輪選用和墊圈厚度匹配如表2所示。

表2 夾緊輪和墊圈厚度匹配

2.3 焊接工藝參數

由于從直徑813 mm到直徑168 mm鋼管的直徑和厚度發(fā)生巨大變化，原有焊接工藝參數已不適應小口徑鋼管的焊接，主要表現為散熱慢、凝固慢等特點，需對焊接工藝參數進行適應性調整，即將焊接主要參數（焊接電流、焊接速度、送絲速度等）以逐步遞減2%的頻率進行試驗，并用SERIMAX焊接程序軟件進行穩(wěn)定性校驗，如圖11所示。

通過大量實驗證實，直徑168 mm鋼管上使用的焊接工藝參數相對于直徑813 mm鋼管上使用的焊接參數有以下變化：焊接電壓基本保持不變；焊接電流降低5%～15%；焊接速度降低5%～10%；送絲速度降低10%～20%。直徑168 mm鋼管的根焊及熱焊的焊接工藝參數如圖12所示。

2.4 產品件焊接

SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統經過適應性改進后，在中石化XXX全自動焊接技術服務中心組織進行了24位不同技術水平的焊工的共計1 560道焊口的焊接試驗，如圖13所示，最終獲得表面魚鱗紋路清晰，美觀，基本無氣孔、表面夾渣、咬邊、凹坑等外觀表面缺陷的焊縫。經無損探傷（RT，AUT，PAUT），未見未熔合、密集氣孔、未焊透等焊接缺陷。經力學性能實驗發(fā)現各項指標均合格。

圖11 焊接參數軟件曲線

圖13 直徑168 mm鋼管的焊接與焊縫外觀

3 結論

SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統從大口徑到小口徑適應性改進過程中主要存在3個問題：焊槍角度的變化無法滿足焊接質量要求，焊接小車行走輪和焊接工藝參數的不適應性。通過相關焊接實驗和詳細分析研究解決了這3個主要的問題，適應性改進后的SERIMAX SATURNAX 05焊接系統具備穩(wěn)定、可靠的小口徑適應性焊接能力，可以進行高質量、高效率的焊接工作，充分體現了此全自動焊接系統在小口徑管道項目上的技術可行性。