管路T形連接堆焊涂層自動化焊接技術研究

張磊　張文博

摘? ? 要：目前諸多工業設備均采用焊接工藝實現壓力容器與管道的連接。由于有些管道連接處的形狀復雜（如馬鞍形等）、高應力集中，在生產和維修中很難實現自動化焊接。為解決這一難題并且使其低成本化，需要掌握自動化TIG堆焊涂層的關鍵技術，通過對T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術的研發，可以徹底解決上述難題，從而實現高端焊接技術和設備的國產化、低成本化。本文以具體的實驗結果，介紹這種技術的優勢與特點。

關鍵詞：管道焊接;T形連接;馬鞍形焊縫;自動化焊接

中圖分類號：U671.83 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： At present， most of industrial equipment use welding technology to realize the connection of pressure vessel and pipeline. Due to the complex shape and high stress concentration of some pipe joints， it is difficult to realize automatic welding in production and maintenance. In order to solve this problem with low cost， it is necessary to master the key technology of automatic TIG overlay coating. Through T-type connection saddle the above problems can be solved thoroughly by the research and development of the automatic technology of the welding track， so as to realize the localization and low cost of high-end welding technology and equipment. This paper introduces the advantages and characteristics of this technology based on the specific experimental results.

Key words： Pipe welding; T-type connection; Saddle weld; Automatic welding

1? ? 前言

T形連接馬鞍形軌跡自動化焊接多數是機械手編程配合旋轉工作臺旋轉工件來實現的，在一些無法旋轉的大型設備或施工現場還是以人工焊接為主。人工焊接方法不僅施工效率低，而且還存在飛濺多及焊接過程中易形成氣泡等問題，整體質量很難保證，一旦發現問題返修特別困難。

目前很多行業的工業設備多采用焊接工藝來實現壓力容器與管道的連接，并且有些管道連接處的形狀復雜，存在高應力集中等問題，很難實現自動化焊接;而人工手動焊接的質量又難以保證，時常出現裂紋、斷裂等事故。

堆焊涂層技術是在現有的材料上堆焊一層或多層相同或不同的材料來實現特種需要，目前在核電、石油、船舶、化工管道，火電等維修中具有廣泛的應用。TIG堆焊涂層技術由于設備的復雜性和操作的高要求，導致國內很少有公司能提供相關服務;而采用國外的技術服務，又造成經濟成本很高。所以目前國內幾乎全部采用人工手動挖補或人工手動焊接的工藝，難以保證質量的穩定性。

本文介紹一種針對不同管徑的T形連接馬鞍形焊縫的自動化焊接技術，如圖1、圖2所示。此技術現場應用便利，通過軟件控制焊頭對焊縫的自動化跟蹤，完成對T形連接馬鞍形軌跡焊縫的現場自動化焊接，具有國際領先技術水平。

2? ? T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術

若要實現T形連接馬鞍形焊接軌跡的TIG自動化堆焊涂層技術（見圖3、圖4），需要掌握三個技術關鍵：電弧長度自動化跟蹤技術;軌跡法線方向自動化調節技術;移動熱源堆焊涂層的有限元分析技術。

2.1? 電弧長度自動化跟蹤技術

TIG自動焊接以恒電流的方式進行焊接，電流決定了金屬的熔化率、電壓決定了電弧的長度、電弧長度變化的穩定程度決定了焊接質量。現有技術是以測量鎢極與工件之間的電壓、并與預先設定值比較，以差值為參數動態地驅動焊槍驅動機構實現電弧長度的恒定。這種方法以假設電流是恒定值為前提條件，誤差較大。

電弧長度跟蹤技術的本質是保持熱輸入的穩定，而實際工作中由于焊機質量、環境等因素影響，電流并不是一個恒定值，一般會有3%～10%的波動。電弧長度自動跟蹤技術就是同時測量電壓和電流，并考慮氣流變化因素來計算熱輸入的變化，將其與預先設定的熱輸入值比較，用差值作為控制輸入信號控制焊頭驅動機構，更能實現熱輸入的恒定，從而提高焊接質量。其工作原理如圖5、圖6所示。

2.2? ?軌跡法線方向自動化調節技術

管連接管BOSS頭軌跡是馬鞍形曲線，在堆焊涂層的各個位置法線方向是一個連續變化的過程，只有保證焊頭鎢極在法線方向上才能實現焊接熱輸入的連續穩定，從而得到高質量的焊接結果。現階段尚沒有TIG自動焊機能實現法線方向的自動跟蹤，軌跡法線方向自動調節技術，就是在焊頭驅動機構中增加一個可旋轉的自由度和一個微型的焊接攝像鏡頭，鏡頭實時采集圖像，計算機采用模式識別的方法提取焊接表面輪廓曲線、計算輪廓曲線各點的法線方向控制焊頭驅動機構，實現焊頭鎢極實時跟蹤在焊接軌跡的法線方向上，以得到最高質量的焊接效果。其原理如圖7、圖8所示。

2.3? 移動熱源堆焊涂層的有限元分析技術

以GOLDAK的雙橢圓熱源為基本原理的焊接有限元模擬分析技術，在WSI、SI、WESTINGHOUSE等少數幾個國外公司的工程中得到應用，但在國內還沒有實際的工程應用例子。

在馬鞍形軌跡的焊接過程中引入有限元模擬分析技術，首先要解決焊接過程動態熱源的模擬分析技術，模擬焊接開始、焊接過程、焊接結束、焊后熱處理等各個階段的熱輸入對工件熱變形的影響和熱影響區的變化，將模擬分析的結果與實際焊接樣件測量值比較，修正模擬輸入參數;重復以上的有限元計算過程，直到有限元模擬分析結果與實際焊接樣件的測量值一致為止。

3? ?T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術工藝實驗

3.1? 實驗設備

為了試驗的穩定性，我們自主研發了實驗設備，并且采用多次、多規格焊件進行試驗，最終對比試驗數據總結試驗結論;同時，我們也搭載了對應的控制系統，以實現焊縫軌跡的完全自動化。

3.2 實驗環境

整個實驗都在實驗車間進行，焊接時施焊環境的風速和相對濕度、焊件的溫度等均符合標準規定。

3.3 施焊

對于T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化焊接，屬于脈沖自動TIG焊。主要工藝參數有：焊接電流（包括峰值電流、基值電流、峰值時間、基值時間）、電弧電壓、焊接速度、送絲速度、氬氣流量、噴嘴直徑、鎢極直徑、焊槍高度等。對于這些參數的不同，都會對焊接質量產生不同的影響，施焊過程中應嚴格遵守焊接工藝要求。焊接時開U形坡口，先用手工TIG焊打底，再用自動化焊機蓋面。

對于不銹鋼管道的全自動TIG焊而言，焊接工藝很復雜，而不同的焊層、不同的焊接區段，規范參數勢必有所變化，因而確定一套合理的規范參數并非易事。本文實驗為僅針對不銹鋼管φ168*4、φ219*4、φ140*4等幾種管子的試驗焊接。具體的實驗參數可參見表1。

按照上述規范參數焊接，焊縫軌跡從0°～90°，內部成型美觀;90°～220°，200°～360°，外部焊縫成型均勻、光滑、無裂紋、氣孔等缺陷。

4? ? 結束語

堆焊涂層技術是在現有的材料上堆焊一層或多層相同或不同的材料，實現特種需要。自動化的堆焊涂層技術，涉及精密機械結構、高精度控制、熱輸入控制、金屬材料和制造工藝等多學科的高度集成，經濟成本很高。目前TIG堆焊涂層技術應用上只有美國的WSI、PCI、AREVA和法國的POLYSOUDE等少數幾個外國公司可以提供服務，國內尚未見有應用實例。

目前國內大部分應用T形連接馬鞍形軌跡的自動化焊接，多數是靠機械手編程配合旋轉工作臺旋轉工件來實現，在一些無法旋轉的大型設備或施工現場還是以人工焊接為主。本文所介紹的T形連接馬鞍形焊接軌跡焊縫的自動化技術，能夠在這種條件下替代人工進行自動焊接，解決了施工效率低和工人在特殊條件下手工操作困難的問題，并且自動化堆焊涂層技術采用的是計算機精密控制，遠比手動堆焊高效、節能、環保，并大大減少了焊接中產生的飛濺、氣孔等缺陷，提高了焊接質量，使工廠的綜合效益大大提高。

參考文獻

[1] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工程出版社，2002.

[2] GB150.1～150.4-2011壓力容器[S].北京： 中國標準出版社，2012.

[3] 中國機械工程學會焊接學會.中國焊接：1994-2016[M].北京：機械工業出版社，2017.