樊云博 王 丹 車昌盛

中建安裝集團(tuán)有限公司 江蘇南京 210023

“十三五”以來，石化、煉化裝置的迅速擴(kuò)張及遷移推動了石化管道全位置自動焊技術(shù)的大面積應(yīng)用。國內(nèi)眾多的專機(jī)廠家紛紛與施工企業(yè)聯(lián)手進(jìn)行固定口全位置管道焊機(jī)的應(yīng)用研發(fā)及優(yōu)化改進(jìn)，以解決全位置自動焊過程中熔池漸變所帶來的焊縫成形較差、力學(xué)性能不均等諸多問題。

全位置焊接是一個熔池漸變的過程，其受力狀態(tài)也會隨著周向位置的變化而不斷改變。要想獲得既完全焊透又無塌陷、均勻一致的焊縫，必須要求焊接參數(shù)隨著焊接位置的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而借助電弧力的分布及熔池的流動性，實現(xiàn)熔池的動態(tài)平衡。倘若將整個圓周焊接每點處的焊接參數(shù)都摸索出來，再輸入計算機(jī)編程，這樣即不現(xiàn)實也不科學(xué)[1]。行之有效的方法就是區(qū)間劃分。實際上，管道全位置自動焊區(qū)間劃分技術(shù)就是把一個焊接程序在管道圓周方向分為若干段，每段的指令規(guī)范都按區(qū)輸入[2]。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3-6]可知，全位置焊接區(qū)間可劃分為三區(qū)間、四區(qū)間、六區(qū)間及八區(qū)間甚至十六區(qū)間，現(xiàn)有階段專機(jī)生產(chǎn)廠家提供的全位置自動焊機(jī)甚至能提供二十區(qū)間以上的劃分。但對區(qū)間劃分的原則、起止弧位置的選擇都沒有給出明確的依據(jù)或建議，需要施工企業(yè)自己去探索應(yīng)用。

1 全位置熔池機(jī)理控制策略研究

在全位置焊接中，為了抑制立焊、仰焊時重力作用破壞熔池成形和促進(jìn)金屬流淌，行業(yè)內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行了大量的探索和研究：一種是線能量控制策略，即以小的熱輸入使熔池體積變小并配合較快的焊接速度，在熔池流淌之前對焊縫成形進(jìn)行控制；另一種是力學(xué)平衡控制策略，即通過改變?nèi)鄢仉娀×Φ拇笮『头较騺肀M可能抵消空間不同位置熔池重力的影響，輔助焊縫穩(wěn)定成形。但第一種策略的小線能量控制與高效、快速的實際生產(chǎn)所需的較大能量相矛盾，多年來研究進(jìn)展不大。第二種策略有一定程度的作用，但范圍有限[7]。因此，將第一種線能量控制策略與第二種力學(xué)平衡策略相結(jié)合，即通過小線能量的工藝參數(shù)、脈沖電源及不同區(qū)間熔池的動態(tài)平衡控制，可輕松實現(xiàn)全位置自動焊的焊縫成形控制。同時，多道焊的脈沖電源會對上道焊縫組織晶粒進(jìn)行擊碎細(xì)化。

2 焊縫位置的規(guī)定及全位置熔池受力分析

依據(jù)NB/ T47015- 2011《壓力容器焊接規(guī)程》附錄A焊縫位置規(guī)定的方法與范圍可知，對接焊縫全位置焊接是指焊縫傾角為0°的條件下，焊縫面轉(zhuǎn)角從6 點鐘為0°的位置順時針旋轉(zhuǎn)一周再回到6 點鐘的位置，即360°的空間軌跡。其按焊縫傾角、焊縫面轉(zhuǎn)角分為平、橫、立、仰四大位置。而管道對接全位置焊縫由于在圓周方向上橫焊軌跡較短且不明顯，一般忽略不計，可分為平、立、仰三大位置。同時根據(jù)牛頓定律可知，管道全位置焊縫熔池要想保持平衡，必須在不同圓周角度范圍內(nèi)熔池的受力達(dá)到平衡，即按水平方向不流淌，垂直方向不塌陷的原則進(jìn)行熔池平衡。因此，依據(jù)圖1 和圖2 受力分析可推測各區(qū)間內(nèi)大致的焊接參數(shù)設(shè)定方向為：

圖1 全位置焊接位置規(guī)定圖

圖2 全位置焊接熔池重力分析示意圖

（1）焊縫面轉(zhuǎn)角150～210°，即平焊位置。熔池在水平方向受重力的切向分量（GS）較小，易保持平衡不流淌；在垂直方向受重力的徑向分量（GC）作用較大，電流過大會出現(xiàn)焊道塌陷或燒穿。因此，該區(qū)間焊接參數(shù)設(shè)定簡單、易掌握。

（2）焊縫面轉(zhuǎn)角210～280°，即立（向下）焊位置。熔池在水平方向的GS會逐漸變大，在3 點鐘方向熔池金屬流淌的作用力達(dá)到最大、塌陷的作用力減小，最容易發(fā)生下淌。該區(qū)間焊接參數(shù)設(shè)定：電流呈減小的趨勢、弧長應(yīng)先大后小，送絲速度應(yīng)先快后慢。

（3）焊縫面轉(zhuǎn)角0～80°和280～360°兩段位置，即仰焊位置。熔池在水平方向的GS會整體變小；在垂直方向所受重力GC會經(jīng)歷先變大、后變小的過程。在6 點鐘位置，熔池金屬流淌的作用力減小，塌陷的作用力最大，極易發(fā)生熔池金屬脫落。該區(qū)間焊接參數(shù)設(shè)定：電流應(yīng)先大后小，再逐漸加大；弧長應(yīng)先長后段再變長；送絲速度應(yīng)由快變慢，在6 點位置最慢，然后在逐漸加快。

（4）焊縫面轉(zhuǎn)角80～150°，即立（向上）焊位置。熔池在水平方向的GS會逐漸變大，在9 點鐘位置熔池金屬流淌的作用力達(dá)到最大、塌陷的作用力減小，最容易發(fā)生下淌。該區(qū)間焊接參數(shù)設(shè)定：電流應(yīng)逐漸減小到平穩(wěn)，弧長應(yīng)基本保持不變，送絲速度應(yīng)先慢后快。

3 全位置焊接區(qū)間劃分技術(shù)的原則

通過管道全位置熔池受力分析及標(biāo)準(zhǔn)，對焊接位置的定義歸納出焊接區(qū)間劃分技術(shù)的原則為：焊縫熔池在周向位置類似受力點或熔池流動趨勢點的歸類劃分。即首先定出圓周方向各個典型位置受力點，并以此為中心向兩邊延伸，將受力平衡相近的熔池點或易發(fā)生流淌、塌陷的位置點進(jìn)行歸類、分段；并針對各個區(qū)間制定針對性較強(qiáng)、連續(xù)性較好的工藝參數(shù)，從而達(dá)到熔池動平衡的原則。

4 試驗方法與過程

4.1 焊前準(zhǔn)備

試驗前準(zhǔn)備三組碳鋼管道試驗材料，材料的規(guī)格如表1 所示。管- 管對接焊縫采用單邊V 型30°坡口，鈍邊控制在0～0.5mm 范圍之內(nèi)，組對時不留間隙直接對死，且要保證管道的同心度、壁厚的錯邊量滿足施焊要求。

4.2 焊接設(shè)備

焊接試驗選用的設(shè)備是昆山華恒的全位置TIG 數(shù)字化自動管管焊。焊接電源Iorbital5000 能提供精確的電流、旋轉(zhuǎn)、送絲、橫擺及氣保護(hù)控制，可在全位置焊接過程中實現(xiàn)最大22 個分區(qū)間工藝參數(shù)設(shè)置，滿足全位置工藝漸變的需求。

4.3 焊槍裝配及裝夾要求

在固定口焊接試件上加緊敞開式C 型管/ 管TIG專用焊槍前，應(yīng)采用水準(zhǔn)儀測量調(diào)整管道焊縫附近的水平度，確保鎢極在焊縫周向位置始終對中，防止焊偏。

4.4 焊接區(qū)間及工藝參數(shù)的設(shè)置

本次試驗的焊接工藝參數(shù)設(shè)定在焊機(jī)電源的觸摸屏顯示界面完成。通過列表界面的“新建”按鈕可設(shè)置程序號、槍頭型號、直徑、壁厚、管材牌號及焊接層數(shù)等識別參數(shù)；然后在編程界面依據(jù)焊接工藝設(shè)計完成如“引弧方式”、“預(yù)送氣時間”等45 個區(qū)間外參數(shù)，以及15 個區(qū)間內(nèi)如“區(qū)間個數(shù)”、“電流大小”、“送絲速度”、“橫擺參數(shù)”等相關(guān)參數(shù)。

4.5 焊接試驗方案

依據(jù)管道全位置焊接熔池控制策略、熔池受力分析及區(qū)間劃分的原則，將管道按無分區(qū)、四分區(qū)、八分區(qū)、十六分區(qū)，在不同的起止弧位置等條件下，開展全位置焊接工藝試驗。試驗時焊槍按順時針方向旋轉(zhuǎn)。試驗項目及焊接區(qū)間的劃分見表1 和圖3。

表1 全位置焊接試驗項目

5 結(jié)果與分析

5.1 無分區(qū)工藝參數(shù)對管道全位置焊縫成型的影響

試驗表明，在1# 試樣焊接過程中，每道焊縫在圓周方向的寬窄基本均勻一致，連續(xù)性較好。但在立向下焊位置焊道較薄，呈下凹狀；立向上焊位置焊道較厚，呈外凸?fàn)?；在仰? 點位置，熔池下垂明顯，存在根部未焊透等缺陷。這是由于全位置焊接時，無分區(qū)焊接工藝參數(shù)始終保持不變，無法滿足隨著周向位置變化而不斷改變的熔池動平衡需求。

5.2 同一材料、同一管徑、不同區(qū)間數(shù)量劃分對管道全位置焊縫成型的影響

同一材料、同一管徑區(qū)間劃分的數(shù)量越多，預(yù)設(shè)焊接工藝參數(shù)的針對性就越強(qiáng)，在圓周方向各個位置熔池的成型控制會更好，焊縫質(zhì)量的致密性和組織的均勻性就越好。通過對試驗中的2# 、3# 系列管徑試樣對比發(fā)現(xiàn)，在不同的區(qū)間劃分條件下，四分區(qū)、八分區(qū)、十六分區(qū)的全位置焊接試樣在焊縫外觀成型、力學(xué)性能方面區(qū)別不明顯。特別是對小直徑管道，區(qū)間劃分?jǐn)?shù)量越多，區(qū)間內(nèi)焊接行程越短，參數(shù)的連續(xù)性難以控制，反而使焊接程序復(fù)雜，不利于焊接。一般建議對于DN300 以下的中小直徑管道區(qū)間劃分?jǐn)?shù)量在4—6 之間為宜。

5.3 同一材料、相同區(qū)間、不同管徑對管道全位置焊縫成型的影響

同一材料、在相同的區(qū)間劃分下，管徑越大，區(qū)間內(nèi)工藝參數(shù)控制的行程就越大，各個位置熔池動態(tài)平衡工藝參數(shù)的針對性就會逐漸減弱，焊接缺陷的產(chǎn)生或焊縫不易成型的風(fēng)險就會越高。通過對2# 和3# 系列試樣對比發(fā)現(xiàn)，在相同的區(qū)間劃分條件下，管徑越小，焊縫的外觀質(zhì)量控制越好，產(chǎn)生焊接缺陷概率越??；管徑越大，焊縫打底層的難度越大或每道焊縫圓周方向厚度的均勻性就越差。因此，隨著管徑的增加，應(yīng)適當(dāng)增加區(qū)間的劃分?jǐn)?shù)量。

5.4 起始弧位置對管道全位置焊縫成型的影響

試驗表明，起弧位置放在1～2 點鐘位置處較好。此時起弧，初始溫度較低，熔化區(qū)較小，熔池液態(tài)金屬的流速較慢，冷卻速度較快、不易下淌，可預(yù)防立向下3 點鐘位置熔池流淌形成的內(nèi)凹；當(dāng)在仰焊位置時，熔池溫度場已進(jìn)入穩(wěn)準(zhǔn)態(tài)，且熱積累效應(yīng)不明顯，可預(yù)防6 點鐘位置熔池金屬的下垂或脫落；當(dāng)在立向上位置時，雖然熱積累效應(yīng)、溫度場更高，熔池明顯增大，但經(jīng)過焊接參數(shù)的調(diào)控可預(yù)防9 點鐘位置熔池流淌形成的外凸等缺陷，同時將整圈環(huán)縫的熱積累效應(yīng)最大值放在較容易焊接的平焊位置。如果焊接有色金屬，當(dāng)有層間溫度控制需求時，則第二層起弧點放在5～6 點位置，焊接成型效果更佳。

6 結(jié)語

（1）受熔池自重的影響，每道全位置環(huán)焊縫實際上是一個上薄下厚、右薄左厚的同心橢圓環(huán)。即存在立向下位置焊道較薄內(nèi)凹，仰焊和立向上位置焊道較厚外凸的現(xiàn)象。只有通過合理的區(qū)間劃分技術(shù)、起始弧位置選擇及焊接工藝參數(shù)設(shè)定，才能保證每道焊縫厚度的均勻性，從而實現(xiàn)焊縫外觀尺寸和力學(xué)性能的均勻一致性。

（2）在全位置區(qū)間劃分技術(shù)中，同一材料、同一管徑區(qū)間劃分的數(shù)量越多，預(yù)設(shè)焊接工藝參數(shù)的針對性就越強(qiáng)，在圓周方向各個位置熔池的成型控制會更好，焊縫質(zhì)量的致密性和組織的均勻性就越好。但對于小直徑管道，區(qū)間劃分?jǐn)?shù)量越多，每段的焊接行程越短，參數(shù)的連續(xù)性難以控制，反而使焊接程序復(fù)雜，不利于焊接。對于大直徑管道，管徑越大，焊縫打底層的難度越大或每道焊縫圓周方向厚度的均勻性就越差，應(yīng)適當(dāng)增加區(qū)間的劃分?jǐn)?shù)量。

（3）選擇合適的起止弧位置，不僅能很好地避免焊接缺陷，而且可減少熱積累效應(yīng)對焊縫熔池流動性的影響，從而保證環(huán)焊道厚度的均勻性及整個焊縫的橢圓度。一般連續(xù)焊時，起弧位置放在1～2 點鐘位置處較好。當(dāng)有層間溫度控制需求時，第二層起弧點放在5～6 點位置，焊接成型效果更佳。