王永峰，陳彥賓，譚志成，曾 亮

1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300459

2.哈爾濱工大焊接科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040

0 前言

目前中海油海洋平臺(tái)運(yùn)維工程管線的預(yù)制管道對(duì)接環(huán)焊縫焊接工藝均為手工焊接，采用無(wú)鈍邊的V型60°坡口，手工TIG+人工填絲打底焊，焊接時(shí)預(yù)留有一定的間隙，以保證焊縫焊透及背面成形；填充及蓋面焊接采用焊條電弧焊。該工藝存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)［1-2］，無(wú)法滿足現(xiàn)今管道焊接生產(chǎn)要求。為提高生產(chǎn)效率并保證焊縫質(zhì)量，中海油擬建立一條自動(dòng)焊接生產(chǎn)線，采用焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管道對(duì)接焊縫打底自動(dòng)焊，以及自動(dòng)MAG氣保焊工藝進(jìn)行焊縫的填充及蓋面［3］。

本文分別采用K-TIG/高頻TIG/填絲TIG焊進(jìn)行不同焊接工藝下的打底焊試驗(yàn)，以及脈沖過(guò)渡MAG填充+蓋面焊試驗(yàn)，以探索在自動(dòng)焊接條件下的焊接工藝參數(shù)，為自動(dòng)焊接奠定工藝基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用工件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，焊槍固定的方式進(jìn)行。使用KUKA焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)焊槍的夾持、移動(dòng)和定位；臥式焊接機(jī)床提供工件的夾持和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；TIG焊接設(shè)備為MILLER MAXSTAR400（具備5 000 Hz脈沖頻率的焊接電流輸出功能）；MAG焊接設(shè)備為FRONIUS TPS5000氣保焊接電源及送絲機(jī)；焊槍全部采用水冷，并配套了相應(yīng)的冷卻水箱。K-TIG（Keyhole Tungsten Inert Gas，K-TIG）焊接電源為國(guó)產(chǎn)HTIG-1000及專用1000A焊槍。

2 試驗(yàn)材料及坡口制備

試驗(yàn)?zāi)覆臑闊o(wú)縫鋼管NPS4 XXS 20號(hào)鋼，尺寸Φ108 mm×18 mm；焊接形式為環(huán)縫對(duì)接；焊接材料采用實(shí)心焊絲H08Mn2SiA，Φ1.2 mm；保護(hù)氣體為：TIG打底/K-TIG——φ（Ar）99.99%，氣體流量為10～15 L/min；MAG填充+蓋面——混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，氣體流量15 L/min。焊件尺寸100 mm+100 mm/組。焊件組對(duì)采用人工TIG點(diǎn)固，不少于4條點(diǎn)固焊縫，每段長(zhǎng)度不小于10 mm。焊接坡口為60°V型坡口。坡口間隙決定了填充量和焊接時(shí)間，從而影響焊接生產(chǎn)效率，文中采用0 mm、1.2 mm兩種坡口間隙進(jìn)行研究。焊接坡口制備如圖1所示。由于管件來(lái)料狀態(tài)存在圓度誤差及其嚴(yán)重銹蝕，因此為保證焊接工藝的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)管件內(nèi)外側(cè)都進(jìn)行加工。

圖1 無(wú)鈍邊坡口加工Fig.1 Machining of bevels without blunt edges

為驗(yàn)證K-TIG深熔焊的熔深及背面成形，制作了一批預(yù)留5 mm和3 mm鈍邊的試焊件；為驗(yàn)證TIG高頻焊的熔深及背面成形，制作了一批預(yù)留1 mm鈍邊的試焊件；為驗(yàn)證TIG打底焊的適應(yīng)性，制作了一批管內(nèi)外側(cè)不加工、僅加工成單側(cè)30°坡口無(wú)鈍邊的試焊件。

3 工藝試驗(yàn)

3.1 K-TIG打底焊接工藝研究

K-TIG高效熔深氬弧焊工藝是在傳統(tǒng)TIG焊基礎(chǔ)上將300 A以上電流配以冷卻加強(qiáng)的焊槍形成小孔效應(yīng)，以此達(dá)到增加熔深的目的。針對(duì)碳素合金鋼對(duì)接焊縫可一次性焊透12 mm，無(wú)需開坡口，1 mm以內(nèi)焊縫錯(cuò)邊不敏感，因此在中厚板的焊接中具有顯著的焊接生產(chǎn)效率［4-6］。

試驗(yàn)中將K-TIG焊用于厚壁管道對(duì)接焊縫的根部打底焊接，不填絲，60°V型坡口，鈍邊分別為5 mm和3 mm，分別采用無(wú)間隙和1.2 mm對(duì)接間隙進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。鈍邊5 mm的K-TIG焊接工藝規(guī)范參數(shù)如表1所示，焊縫成形如圖2所示。

圖2 K-TIG深熔焊焊縫成形（鈍邊5 mm）Fig.2 Weld formation of K-TIG deep penetration welding（blunt edge 5 mm）

表1 鈍邊5 mm的K-TIG焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)Table 1 K-TIG welding process test parameters with 5 mm blunt edge

由圖2可知，在60°V型坡口、5 mm鈍邊（相當(dāng)于平板對(duì)接厚度12 mm）條件下，可實(shí)現(xiàn)K-TIG的單面焊雙面成形，且背氣保護(hù)是背面焊縫成形的關(guān)鍵，無(wú)背氣保護(hù)時(shí)背面焊縫氧化燒損嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)內(nèi)凹等缺陷。此外，K-TIG焊工藝能夠適應(yīng)2 mm以下間隙焊縫的無(wú)填絲焊接。

鈍邊3 mm的背面焊縫成形與鈍邊5 mm類似，其中焊接電流450A，焊接速度200 mm/min。

因此，中厚壁管道對(duì)接環(huán)縫可以采取K-TIG深熔焊接工藝。由于其大熔深的特點(diǎn)，在相同壁厚的情況下，留3～5 mm鈍邊的V型坡口進(jìn)行施焊，能顯著減少坡口填充面積，大大提高焊接生產(chǎn)效率。但是焊接工件的長(zhǎng)度和形狀復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)焊縫處的背氣保護(hù)十分困難，如果采用管內(nèi)直接通氣保護(hù)方式，消耗保護(hù)氣的量很大，且管子兩端的封頭裝卸及通氣時(shí)間長(zhǎng)也十分影響生產(chǎn)效率，因此該焊接工藝并不適應(yīng)此自動(dòng)化產(chǎn)線的要求。

3.2 高頻TIG打底焊接工藝

與直流TIG焊和低頻TIG焊接電弧相比，高頻電弧的弧柱收縮明顯，指向性好，且熔深能滿足焊接要求［7］。采用高頻1 000～3 000 Hz的TIG焊接，焊接電流120～150 A，焊接速度90 mm/min，焊縫表面成形如圖3所示。但無(wú)背氣保護(hù)下的背面焊縫燒蝕嚴(yán)重（見圖4a），與K-TIG焊無(wú)背氣時(shí)相同；有背氣保護(hù)時(shí)，背面焊縫余高很小，基本與管內(nèi)壁齊平（見圖4b）。

圖3 高頻TIG打底焊道表面成形Fig.3 Surface forming of high frequency TIG backing weld bead

圖4 高頻TIG打底焊背面焊縫Fig.4 Back weld of high frequency TIG backing welding

從試驗(yàn)結(jié)果可知，與直流TIG焊和低頻TIG焊接電弧相比，高頻TIG電弧的弧柱收縮明顯，指向性好，頻率越高，焊縫穿透性越好，且能形成“小孔”焊接效果，焊縫熔深大且焊縫背面成形美觀，可以滿足焊接生產(chǎn)工藝要求［8］。高頻TIG焊雖然可以解決鈍邊1 mm、間隙0 mm的熔透問(wèn)題，但其電弧產(chǎn)生的高音噪聲無(wú)法有效消除，會(huì)造成環(huán)境噪聲污染，且焊縫背氣保護(hù)在實(shí)際焊機(jī)生產(chǎn)中間實(shí)現(xiàn)較為困難復(fù)雜，不適應(yīng)自動(dòng)化的高效率要求。

3.3 無(wú)對(duì)接間隙及鈍邊的直流TIG打底焊

試驗(yàn)采用直流TIG+自動(dòng)填絲的焊接方式，對(duì)60°V型坡口、無(wú)組對(duì)間隙及鈍邊、組對(duì)錯(cuò)邊小于0.5 mm的對(duì)接焊縫進(jìn)行了20組焊接工藝研究。直流TIG打底焊接工藝參數(shù)如表2所示，焊接過(guò)程中無(wú)背氣保護(hù)。焊縫成形如圖5所示。

圖5 直流TIG打底焊焊縫成形Fig.5 Weld formation of DC TIG backing welding

表2 直流TIG打底焊接工藝參數(shù)Table 2 DC TIG backing welding process parameters

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接電流為155～165 A時(shí)焊縫正反面均成形良好，余高小于0.5 mm，寬度3 mm，焊縫厚度4.5 mm，但加工或組對(duì)誤差導(dǎo)致對(duì)接處錯(cuò)邊大于0.3 mm時(shí)，錯(cuò)邊處易出現(xiàn)未焊透。當(dāng)電流達(dá)到180 A時(shí)，即使存在錯(cuò)邊（≤0.5 mm），焊縫也能實(shí)現(xiàn)全焊透，背面焊縫寬為4 mm，余高0.5 mm。

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工件的焊前狀態(tài)，即管件存在圓度誤差和組對(duì)誤差，加工制作了多組模擬焊件，焊件只加工了60°V型坡口，坡口邊緣部分有鈍邊存在（圓度誤差產(chǎn)生），最大鈍邊達(dá)到1.5 mm，焊道兩側(cè)采用人工除銹處理，并進(jìn)行了人工組對(duì)。焊件組對(duì)采用無(wú)間隙和預(yù)留間隙1.2 mm兩種方式，各2組，組對(duì)后存在錯(cuò)邊，最大錯(cuò)邊達(dá)到1～1.5 mm。焊接規(guī)范如表3所示，焊縫形貌如圖6所示。

表3 模擬實(shí)際焊件的直流TIG打底焊接規(guī)范Table 3 Specification for DC TIG backing welding simulating actual weldments

圖6 焊縫形貌Fig.6 Weld appearance

試焊證明，無(wú)間隙焊接的焊件焊縫有鈍邊處出現(xiàn)未焊透，在錯(cuò)邊大的位置出現(xiàn)熔合不良，成形差。預(yù)留1.2 mm間隙的焊件焊縫熔合良好，全焊透，且背面錯(cuò)邊處也可形成良好的焊縫成形。

終上所述，石油厚壁管件采用直流TIG+填絲的焊接工藝，可根據(jù)實(shí)際焊件坡口及組對(duì)狀態(tài)選擇相應(yīng)的焊接工藝，完全可以滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)要求。

3.4 MAG填充及蓋面焊接工藝研究

MAG填充及蓋面焊接試件全部采用前述的無(wú)間隙填絲TIG焊工藝，且根部焊縫背面成形良好、無(wú)咬邊及未焊透等缺陷的焊件［9］。填充坡口如圖7所示。

圖7 待焊焊縫坡口示意Fig.7 Groove diagram of weld to be welded

3.4.1 試驗(yàn)1——短路過(guò)渡MAG焊

試驗(yàn)1采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體保護(hù)下的短路過(guò)渡MAG焊進(jìn)行填充和蓋面焊接，焊槍擺動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)、層間不熄弧，典型焊接參數(shù)如表4所示，焊縫成形如圖8所示。

圖8 短路過(guò)渡MAG焊縫成形Fig.8 Weld formation of short circuit transition MAG

表4 典型短路過(guò)渡MAG焊接規(guī)范Table 4 Specification for typical short circuit transition MAG welding

焊后將工件沿焊縫垂直方向剖開，焊縫填充層出現(xiàn)明顯的層間夾渣和未熔合。另外采用X射線探傷進(jìn)行焊縫探傷，也出現(xiàn)了相應(yīng)的夾渣和未熔合缺陷。

綜上所述，短路過(guò)渡MAG焊接工藝并不適應(yīng)本項(xiàng)目的焊接生產(chǎn)要求。

3.4.2 試驗(yàn)2——脈沖過(guò)渡MAG焊

試驗(yàn)2采用φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體保護(hù)下的脈沖過(guò)渡MAG焊接工藝，焊槍擺動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)、層間不熄弧，典型焊接參數(shù)如表5所示，焊縫成形如圖9所示。焊后將工件沿焊縫垂直方向剖開，均未出現(xiàn)層間夾渣和未熔合等缺陷。經(jīng)X射線探傷和力學(xué)性能評(píng)定，也未出現(xiàn)焊接缺陷，力學(xué)指標(biāo)均符合要求，為一級(jí)焊縫。

表5 典型脈沖過(guò)渡MAG焊接規(guī)范Table 5 Specification for typical pulsed transition MAG welding

圖9 脈沖過(guò)渡MAG焊縫成形Fig.9 Weld formation of pulsed transition MAG

綜上所述，在相同焊接電流及焊接速度下，脈沖MAG焊接工藝更適應(yīng)實(shí)際焊接生產(chǎn)要求，焊縫缺陷少，具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、焊接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

4 焊接工藝評(píng)定

我司委托上海伏能士公司采用FRONIUS TPS600i焊接系統(tǒng)進(jìn)行了管件根部CMT打底焊縫及脈沖MAG填充蓋面焊接試驗(yàn)，具體焊接規(guī)范如圖10所示，焊縫形貌如圖11所示。

圖10 CMT打底及脈沖MAG焊接工藝Fig.10 CMT backing and pulse MAG welding process

圖11 CMT打底及脈沖MAG焊的根部焊縫及蓋面焊縫Fig.11 Root weld and cover weld of CMT backing and pulse MAG

上述試驗(yàn)由于送交的焊件數(shù)量有限，焊接試驗(yàn)進(jìn)行得不夠充分，但從目前的焊件情況看，根部焊縫成形良好，但蓋面焊縫填充不飽滿，需要進(jìn)一步完善相應(yīng)的焊接參數(shù)。

5 焊接工藝評(píng)定

焊后將試件按美標(biāo)ASME BPVC相應(yīng)文件進(jìn)行X射線無(wú)損探傷和機(jī)械力學(xué)性能評(píng)定，評(píng)定結(jié)果表明所焊焊縫均符合相關(guān)要求，達(dá)到焊接生產(chǎn)質(zhì)量要求。相關(guān)評(píng)定數(shù)據(jù)如表6～表8所示。

表6 中海油20#鋼焊件低溫沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Low temperature impact test data of CNOOC 20#Steel Weldment

表7 焊接接頭力學(xué)性能數(shù)據(jù)Table 7 Mechanical property data of welded joints

表8 焊接接頭X射線探傷檢測(cè)Table 8 X-ray inspection of welded joints

6 結(jié)論

（1）K-TIG深熔焊接工藝具有大熔深的特點(diǎn)，可有效減少焊接坡口的焊接填充量，縮短焊接生產(chǎn)時(shí)間，提高焊接效率。且該工藝對(duì)焊接組對(duì)間隙和錯(cuò)邊具有較寬的容忍度，較為適應(yīng)實(shí)際焊接工況下的焊件焊接。

（2）CMT打底及脈沖MAG焊接工藝基本滿足管件的焊接要求，且可實(shí)現(xiàn)單套設(shè)備一次完成全部焊縫焊接的能力，設(shè)備投入成本少。

（3）對(duì)接焊縫的根部焊縫采用直流TIG+自動(dòng)填絲的打底焊接工藝，在管件圓度和組對(duì)誤差得到控制的條件下，可以滿足實(shí)際焊接工況下的焊接生產(chǎn)要求。

（4）脈沖MAG焊的填充及蓋面焊接工藝焊縫質(zhì)量高，可以滿足實(shí)際焊接工況下的焊接生產(chǎn)要求。