王娟，張建中，左琛，王琦

中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司 湖北宜昌 443000

1 序言

隨著水電水利工程建設(shè)的快速發(fā)展，高水頭、大型、超大型水利水電工程日益增多。目前，我國水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)水頭最高的已超過千米，管徑最大已達(dá)14.4m。此類超大管徑壓力鋼管焊接要求高，工程量大，工期緊，現(xiàn)場(chǎng)施工條件較差，鋼管單節(jié)組拼后體積龐大，不便翻面和運(yùn)轉(zhuǎn)，施焊時(shí)不能采用最有利的施焊工位和常用的施焊方法。因此，通常水電站壓力鋼管的焊接一直采用傳統(tǒng)、簡單而繁重的焊條電弧焊技術(shù)，該方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。水電站壓力鋼管焊接迫切需要采用新的自動(dòng)焊技術(shù)來改善這一現(xiàn)狀。

近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)焊接制造領(lǐng)域也在廣泛開展自動(dòng)焊的相關(guān)研究。水電行業(yè)中超大型壓力鋼管瓦片組拼采用立組拼裝，鋼管立組后，能有效地減小翻身等吊裝工作。其縱縫焊接具備實(shí)施自動(dòng)焊條件，對(duì)此，中國葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司在相關(guān)水電項(xiàng)目上開展了氣電立焊（EGW）技術(shù)和全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)焊技術(shù)應(yīng)用研究。本文主要介紹這兩種技術(shù)在項(xiàng)目上的研究及應(yīng)用效果。

2 EGW技術(shù)應(yīng)用研究

EGW技術(shù)研究以某水電站壓力鋼管及鋼襯的制造項(xiàng)目Q345R鋼焊接為依托，該水電站的5條引水壓力鋼管直徑均為10.5m，自上而下依次由上斜段、上彎段（彎道半徑25m）、斜直段、下彎段（彎道半徑25m）、下平段和穿墻管等組成。

（1）EGW技術(shù)的特點(diǎn) EGW是由普通熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電弧焊方法。其優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)率高，成本低。與窄間隙焊的主要區(qū)別在于焊縫一次成形，而不是多道多層焊[1]。

（2）EGW焊接參數(shù) EGW焊接參數(shù)主要有：焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊絲擺幅、焊絲伸出長度及氣體流量等。

1）焊接電流：垂直自動(dòng)焊時(shí)，由于電流密度大，電源超過一般CO2焊短路過渡的臨界電流值，熔點(diǎn)顯示滴狀過渡形式。其特點(diǎn)是飛濺小，電弧穩(wěn)定，且熔敷速度大，因此必須選用合適的電流[2]。焊接電流過大或過小都會(huì)影響焊接過程的穩(wěn)定性和焊道成形性，經(jīng)過一系列試驗(yàn)最終確定了EGW的焊接參數(shù)，見表1。

表1 EGW焊接參數(shù)

2）焊接速度：焊接速度根據(jù)焊絲熔化速度來定，它與焊絲熔化速度間的關(guān)系，是水冷銅滑塊內(nèi)金屬液面距進(jìn)氣口底部5～10mm較合適。焊接速度過快時(shí)，水冷銅滑塊內(nèi)金屬液面逐漸降落，焊絲伸出長度增加，易使焊縫產(chǎn)生氣孔；焊接速度過慢時(shí)，水冷銅滑塊內(nèi)金屬液面升高，飛濺增加，當(dāng)金屬液面升高到進(jìn)氣口底部時(shí)，電弧燃燒不穩(wěn)定，甚至?xí)仁购附舆^程中斷。

3）焊絲擺幅：采用擺動(dòng)器焊接時(shí)，電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫截面上溫度均勻，熔池金屬結(jié)晶狀態(tài)得到改善，晶粒度細(xì)，有利于得到致密焊縫。

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程焊接設(shè)備及焊接過程如圖1所示。

圖1 鋼管縱縫EGW施焊過程

（3）EGW與焊條電弧焊技術(shù)對(duì)比 對(duì)EGW與傳統(tǒng)SMAW主要從以下幾方面來進(jìn)行對(duì)比研究。

1）坡口開制：EGW焊接是使用大電流、窄坡口、低熱輸入和高熔敷速度來保證焊接質(zhì)量。針對(duì)EGW的焊接特性，對(duì)于厚12～80mm鋼板對(duì)接焊縫，坡口尺寸為寬度17～20mm。

相對(duì)于SMAW坡口制備，30mm以下厚度鋼板，開制5/5分對(duì)稱坡口。對(duì)于30mm以上厚度鋼板，按3/7分開制不對(duì)稱坡口。根據(jù)GB/T 985.1—2008規(guī)范，雙V形坡口角度為40°～60°，EGW相比SMAW大幅節(jié)省了焊材。

2）瓦片組裝：鋼板卷板后將瓦片吊裝至拼裝平臺(tái)上組裝，根據(jù)GB/T 985.1—2008規(guī)范，SMAW對(duì)接雙V形坡口焊接時(shí)，預(yù)留1～3mm間隙。針對(duì)EGW焊接工藝的特殊性，瓦片組裝對(duì)接預(yù)留間隙4～6mm。

3）焊接效率：縱縫EGW自動(dòng)焊的高效性與傳統(tǒng)SMAW比較，以板厚30mm的Q345R鋼、焊縫長度2m為例，若采用SMAW，則坡口為不對(duì)稱雙V形，大坡口側(cè)60°，小坡口側(cè)55°，鈍邊2mm，焊接參數(shù)見表2。

表2 SMAW焊接參數(shù)（30mm鋼板）

采用EGW只需18min即可一次成形焊接完成。通過對(duì)比采用SMAW立焊，在正面焊接完成后，需要先進(jìn)行背面縫碳弧氣刨清根，再使用手持電動(dòng)工具打磨滲碳層直至露出金屬光澤，最后進(jìn)行背面縫焊接，整個(gè)流程大約需要9h才能焊接完成。因此，EGW的焊接高效性得到充分體現(xiàn)，EGW的焊接速度是SMAW的30倍。

4）生產(chǎn)成本：在制造過程中使用SMAW鋼管的一條縱縫配備一個(gè)焊工需要焊接9h。使用EGW配備一個(gè)焊工一條縱縫僅需要18min即可焊接完成，在條件允許的情況下，一天8h可以焊接約25條縱縫，即節(jié)省25個(gè)焊工。由此可見，使用EGW大幅節(jié)省了人工成本。

使用EGW與SMAW的坡口形式不同，焊接時(shí)焊材的填充量也不同，特別是對(duì)于厚板焊接時(shí)兩種方法對(duì)比，EGW更節(jié)省焊材。同時(shí)EGW省去了碳弧氣刨清根的程序，節(jié)省了碳棒、磨光片等輔材，同時(shí)在資源配置上還節(jié)省了氣刨機(jī)和空壓機(jī)設(shè)備。

3 全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)焊技術(shù)應(yīng)用研究

全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)焊技術(shù)研究以某水電站壓力鋼管制造項(xiàng)目為依托。因該項(xiàng)目壓力鋼管內(nèi)徑8.6～10.2m，壓力管道管徑大，所承受的水壓力高，設(shè)計(jì)最大內(nèi)水壓力約354m，HD值最大達(dá)3611m2，故為超大型壓力鋼管。采用Q345R低合金鋼、600MPa級(jí)或800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼材質(zhì)。該鋼管單管節(jié)由3個(gè)瓦片組成，其縱縫屬于一類焊縫，焊接位置屬于立焊位，焊接質(zhì)量要求高，而高強(qiáng)鋼管節(jié)由于母材的特殊性，所以對(duì)其縱縫質(zhì)量有著更高的要求。

（1）保護(hù)氣體混合配比研究 按不同混合氣體比例進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，氬氣分別以100%、80%、50%、0%幾種比例進(jìn)行焊接，氣體混合比例和焊縫外觀質(zhì)量對(duì)比見表3。通過試驗(yàn)，根據(jù)焊接質(zhì)量，綜合考慮成本及工藝性，最后選用的氣體組成及混合比例為80%Ar+20%CO2，用于800MPa高強(qiáng)鋼管節(jié)縱縫立焊焊接。

表3 氣體混合比和焊縫外觀質(zhì)量對(duì)比

（2）焊接參數(shù)研究 根據(jù)焊接工藝評(píng)定焊絲試驗(yàn)結(jié)果，最終選用CHW-80C1焊絲、φ1.2mm。應(yīng)用實(shí)踐中總結(jié)富氬氣體保護(hù)自動(dòng)立焊有如下幾個(gè)質(zhì)量控制點(diǎn)。

1）富氬氣體保護(hù)自動(dòng)立焊操作焊工需要具備一定的電弧焊知識(shí)和手工焊基礎(chǔ)。

2）保證坡口直線度以及坡口深度一致性，坡口直線度控制在≤1mm/m，層（道）間深度3～5mm。

3）保證正確的焊槍行走角，多次實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的角度為80°～90°。

4）焊接接頭具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，有足夠的強(qiáng)度及良好的沖擊韌度。

4 應(yīng)用效果

（1）氣電立焊技術(shù) EGW在壓力鋼管縱縫焊接的應(yīng)用中，共456m焊縫一次無損檢測(cè)合格率達(dá)到99.96%。實(shí)踐表明，EGW焊接缺欠的產(chǎn)生率較低，除個(gè)別位置由于裝配時(shí)背面點(diǎn)焊造成的未熔合缺陷外，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺欠。經(jīng)檢查焊縫表面成形美觀。外觀尺寸：焊縫正面寬度20～25mm；焊縫背面寬度8～15mm；焊縫余高2～4mm；背面熔透良好；焊接變形很小。

圖2所示為SMAW和EGW立焊后的焊縫外觀，明顯看出EGW運(yùn)條整體均勻，表面成形美觀，焊縫寬度窄，焊縫填充金屬量少。

圖2 焊縫外觀比較

（2）全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)自動(dòng)焊技術(shù) 全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)自動(dòng)焊技術(shù)在某項(xiàng)目的144個(gè)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼管節(jié)縱縫焊接上全面應(yīng)用，焊接質(zhì)量如圖3所示。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）焊接成本低：其綜合成本約為SMAW的1/2。

2）生產(chǎn)效率高：可以使用較大的電流密度（200A/mm2左右），比SMAW（10～20A/mm2左右）高得多，因此熔深比SMAW高2.2～3.8倍，對(duì)10mm以下的鋼板可以不開坡口，對(duì)于厚板可以減小坡口、加大鈍邊進(jìn)行焊接，同時(shí)具有焊絲熔化快、不用清理熔渣等特點(diǎn)，效率可比SMAW提高2.5～4倍。

3）焊后變形?。阂驓怏w保護(hù)焊的電弧熱量集中，加熱面積小，Ar+CO2氣流有冷卻作用，因此焊件焊后變形小，特別是薄板的焊接更為突出。

4）抗銹能力強(qiáng)：氣體保護(hù)焊和埋弧焊相比，具有較高的抗銹能力，因此焊前對(duì)焊件表面的清潔工作要求不高，可以節(jié)省生產(chǎn)中大量的輔助時(shí)間。富氬焊接可以克服由于純CO2氣體保護(hù)焊所帶來的缺點(diǎn)。因CO2氣體本身具有較強(qiáng)的氧化性，所以在焊接過程中會(huì)引起合金元素?zé)龘p，易產(chǎn)生氣孔，引起較強(qiáng)的飛濺，而在富氬氣氛中飛濺問題則可得到有效控制。

5）焊接成形好：富氬氣體保護(hù)自動(dòng)立焊具有優(yōu)良的工藝性能，焊工操作方便，焊縫成形優(yōu)良，飛濺等表面缺欠大幅減少。

圖3 全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)自動(dòng)立焊焊縫表面質(zhì)量

5 結(jié)束語

EGW適用于Q345R材質(zhì)的超大型壓力鋼管縱縫立焊自動(dòng)焊接，EGW相對(duì)于SMAW的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

1）實(shí)現(xiàn)立焊的自動(dòng)焊技術(shù)，可大大解放生產(chǎn)力，節(jié)約人工成本。

2）實(shí)現(xiàn)窄間隙坡口焊接，減少焊縫金屬填充量，焊接效率大大提高。

3）實(shí)現(xiàn)厚板焊接的一次成形。

4）焊接變形小，焊縫成形優(yōu)良，焊縫質(zhì)量可靠。

全自動(dòng)富氬氣體保護(hù)焊適用于超大型壓力鋼管中各種強(qiáng)度級(jí)別壓力管道縱縫自動(dòng)焊接。自動(dòng)焊機(jī)在可拆卸式的軌道上行進(jìn)，體積小，重量輕，移動(dòng)和操作方便，可大幅提高生產(chǎn)力并確保焊接質(zhì)量；同時(shí)為解決擺動(dòng)焊時(shí)熔接不足的現(xiàn)象增加了邊控停留功能；全自動(dòng)數(shù)控方式精密控制行走速度、擺動(dòng)速度、擺動(dòng)幅度、邊停留時(shí)間，具有擺動(dòng)中心自動(dòng)回位功能。在實(shí)際應(yīng)用中，富氬保護(hù)氣體使焊縫成形優(yōu)良，工人勞動(dòng)強(qiáng)度及施工條件大為改善，效率大大提高。

在項(xiàng)目應(yīng)用中，可根據(jù)壓力鋼管材質(zhì)特點(diǎn)選擇適用的立縫焊接技術(shù)，因此以上兩項(xiàng)技術(shù)值得大范圍推廣應(yīng)用。