管道自動焊接過程中微調控制的作用機理

林紅香， 端 云

（南京華東鋼管制造有限公司， 南京212001）

0 前 言

在管道對接環縫焊接中， 常因管件尺寸和形狀等條件限制， 難以進行管道里口的焊接， 其接頭也往往未完全焊透。 為此， 通常采用單面焊雙面成形技術（背面不加襯墊） 來保證焊道根部均勻平整， 避免出現咬邊、 弧坑及未焊透等焊接缺陷[1]。 由于氬弧焊工藝具有工藝性能好、 易觀察電弧及熔池、 熱輸入容易控制等特點， 結合自動打底焊技術可有效保證單面焊雙面成形的要求，在壓力容器及承壓管道的預制和安裝中得到了廣泛應用[2]。

實踐發現， 某些管道焊接采用自動打底單面焊雙面成形技術， 同樣受到管件、 管材質量及組對精度的影響[3]， 由于在實際自動焊接過程中進行了規律性的適時微調， 很大程度上改善了焊縫質量在錯邊量、 間隙、 坡口面等變量因素條件下的波動[4]。 本研究重點探討了與上述一元或多元變量因素條件下對應的微調作用機理， 為改善客觀條件制約下的管道環縫焊接質量提供了參考依據。 微調控制在管道焊接全自動化、 智能化控制， 以及焊縫追蹤系統中的應用具有重要的理論意義。

1 自動打底焊接過程的影響因素

管道環縫焊接時的組對質量受多重因素的影響。 從原材料生產工藝角度看， 來料鋼管和管件在橢圓度、 壁厚均勻度、 直度等方面或多或少存在誤差； 從后續管件的切割、 坡口加工過程看，其加工誤差也無法避免[5]。

直接影響因素及其成因有以下幾點： ①錯邊量方面， 圓度不夠、 坡口偏、 壁厚不均勻， 并且鋼管直徑越大， 錯邊量越大； ②間隙方面， 組對、 鋼管端面不在同一個平面上； ③干伸長方面， 焊槍的高低， 焊絲伸出導電嘴的長度。

間接影響因素及其成因如下： ①圓度， 材料本身問題導致錯邊量不均； ②焊槍位置， 現有設備的焊槍角度可調， 伸縮隨意， 但設備無法讀出焊槍的伸縮量； ③點焊點， 通常比較厚， 影響焊縫成形， 需調節焊槍的高低， 但一般把點焊點打磨薄， 此困難容易解決； ④焊縫收縮， 焊接過程中試件受熱， 焊縫間隙變?。?⑤試件夾持不水平， 包括鋼管圓度、 同心度及加工精度， 變位機與管件的同心度， 卡盤精度； ⑥焊道傾斜 （管子、 設備、 竄動）， 包括鋼管直度、 設備穩定性。

由于直接或間接影響因素的制約， 導致了管道焊接組對過程中出現焊縫坡口數據變化、 不連續的問題。 自動打底焊接對坡口條件具有定量要求， 對于變量誤差太大的坡口條件將難以適應，勢必影響焊縫成形質量和焊接接頭質量。

2 自動焊接過程中微調控制機理

管道自動化焊接過程中， 造成坡口數據變化的主要因素包括錯邊量、 間隙、 橢圓度、 焊接過程中的焊縫收縮、 焊道傾斜和點焊點等。 這些變量的存在使得焊接工藝規范很難與局部坡口條件相匹配， 往往造成焊縫成形不良甚至焊接缺陷。實際焊接時， 為獲得良好的焊縫成形和焊接接頭， 需在坡口數據變化的條件下對工藝參數進行一系列規律性微調。 從造成坡口數據變化的單一變量及二元變量來分析， 相應的工藝參數微調及其作用機理主要包括以下方面[6]。

2.1 一元變量因素下的微調

2.1.1 錯邊量

鋼管錯邊量過大可能導致焊縫側面未熔合、咬邊、 焊縫底部未焊透等缺陷， 為了消除錯邊的影響， 焊接過程中需要將焊槍位置向一側偏移一定量， 如圖1 所示。

圖1 針對錯邊量的微調控制

焊接過程微調動作主要為： 左右調節焊槍位置。

作用機理： 由于焊接過程中， 整個母材金屬的溫度場是不均勻的， 只有達到其熔點溫度以上的那部分金屬發生熔化。 以圖1 中的錯邊情況為例， 焊槍向左移動， 使熔池中心左移， 焊接電弧熱量迫使坡口左側母材熔化量增加， 減小左右兩側融化的填充金屬與局部熔化的母材金屬形成的熔池液態金屬的差量， 順利過渡錯邊區域， 從而避免咬邊、 未熔合和未焊透等缺陷的產生。

2.1.2 間隙

間隙過大則熔池下陷嚴重， 背面焊縫余高過大， 填充金屬不足時容易焊漏； 間隙過小可導致背面未熔合等缺陷。 微調的作用機理如圖2所示。

焊接過程微調動作為： ①調擺幅； ②調焊接速度。

圖2 針對間隙的微調控制

作用機理： 當間隙由小變大時， 增大擺幅可以推動橫向熔池金屬流動， 使液態金屬流動覆蓋到電弧作用較弱的母材未熔化部分， 增加熔寬；當間隙逐漸增大到熔池不足以填充焊縫時， 在增大焊槍擺幅的同時還需降低焊接速度， 使倒流的熔池能夠滿足增加的熔敷金屬的需要， 從而盡量避免液態金屬垂落、 背面焊縫余高過高、 焊漏等缺陷。

2.1.3 干伸長

此因素包括干伸長的大小、 焊槍的高低、 鋼管的橢圓度不均等。 微調動作如圖3 所示。

圖3 針對橢圓度的微調控制

焊接過程微調動作主要是： 上下調焊槍位置（見圖3 中①和②）。

作用機理： 當其他條件不變時， 焊絲干伸長的變動會引起電流和電壓的波動。 管件橢圓度變化到情況①時， 需向下壓焊槍， 保持電流、 電壓的穩定， 使焊縫高度一致； 管件橢圓度變化到情況②時， 需向上抬焊槍， 一方面是為了維持電流、 電壓穩定， 保證焊縫成形， 另一方面避免TIG 打底焊時管件剮蹭到鎢極。

2.1.4 焊接過程焊縫收縮

應對焊縫收縮而采取的微調及作用機理與間隙變化時的相同， 如圖4 所示。

焊接過程微調動作為： ①焊槍擺幅調節；②TIG 打底時， 送絲速度調節。

圖4 針對焊接過程焊縫收縮的微調控制

作用機理： 焊接過程中， 焊縫收縮導致坡口間隙由大變小， 通過減小焊槍擺幅， 避免過多的熔融金屬流動到焊縫邊緣， 降低熔寬； 當間隙進一步減小時， 必須降低送絲速度， 以減少熔敷金屬量， 增強焊道熔合性， 有效避免未熔合、 未焊透等缺陷。

2.1.5 焊道傾斜

焊道傾斜 （坡口面與管道件軸線不垂直），可造成焊偏、 側面未熔合、 焊縫成形差等問題?？砂磮D5 所示進行微調。

圖5 針對焊道傾斜的微調控制

焊接過程微調動作為： 主要調節焊槍位置。

作用機理： 管道件竄動或者直線度、 設備夾持穩定性、 坡口切割等因素都可能造成焊道傾斜。 向焊道傾斜側調節焊槍位置， 可獲得良好的熔池形態， 有效避免焊偏、 側面未熔合、 成形差等問題。

2.1.6 點焊點

管道件組對時要求坡口根部要進行定位點焊。 對于點焊點與后續自動打底焊可能存在的未熔合、 焊縫成形差等情況的微調動作如圖6所示。

圖6 針對點焊點的微調控制

焊接過程微調動作為： ①焊接電流足夠大能夠保證背面熔透的前提下， 適當抬高焊槍； ②點焊點厚度較大時， 降低送絲速度或停止送絲。

作用機理： 焊至點焊點位置時， 需適當抬高焊槍， 降低熔深， 保證焊縫高度一致， 避免TIG焊時撞傷鎢極； 若點焊點較高， 應降低送絲速度或者直接停止送絲， 避免造成此處未熔合、 焊縫成形差等問題。

2.2 多元變量因素下的微調

影響管道自動焊接過程的因素是復雜且多元的， 表1 分析了兩個變量因素存在時， 焊接過程中的微調動作。 管件坡口形式及鋼管旋轉的方向如圖7 所示。

表1 二元變量時微調控制

圖7 二元變量時坡口形式及旋轉方向

結合實際管道自動化焊接過程來看， 微調動作可主要歸納為三種： 焊槍位置 （上下左右移動）、 焊槍擺動幅度 （增大或減?。?和焊接速度（增大或降低）。 當錯邊量、 間隙、 橢圓度、 焊縫收縮、 焊道傾斜、 點焊等變量因素中兩個或多個同時作用時， 微調動作可執行上述的一種、 兩種或者三種的協同。 由此不難推測， 實現管道焊接全自動化、 智能化過程需進行的自適應調節動作也主要為上述三種。

3 發展展望

全自動化、 智能化是管道焊接的發展趨勢，而以焊縫跟蹤為關鍵技術的焊接過程自適應調節控制則是實現焊接過程中自動微調的前提[7]。 利用焊縫追蹤技術監測坡口條件、 熔池形態以及焊縫成形， 把收集到的實時圖像信息轉換成模擬數據， 將這些數據反饋到驅動系統， 驅動系統傳輸電信號給執行機構， 執行機構控制焊槍、 擺動器、 管件轉速做出微調動作， 形成了自適應調節閉環控制[8-10]。

本研究主要針對管道自動化焊接過程中微調作用機理作了定性分析， 至于坡口數據不同變化條件下微調動作的定量分析， 仍待進一步研究，這也是自適應調節控制中信號處理和動作執行的理論前提。

4 結 論

（1） 管道自動焊接過程中微調動作主要有三部分， 即焊槍位置的調整、 焊槍擺動幅度的調整和焊接速度的調整。 微調控制可以改善焊縫成形、 保證自動化焊接質量。

（2） 通過對以上微調動作的適時調節， 控制不同變量因素條件下熱輸入、 熔池形態和焊絲填充量的變化， 可以優化焊接工藝參數與焊縫成形系數的匹配， 減小了材料、 坡口加工和組對等因素對焊縫成形的不良影響。

（3） 微調作用機理分析是實現管道自動化焊接過程自適應調節的理論基礎。 坡口數據的不同變化情況與微調動作執行對應關系的獲得是實現自適應調節控制的關鍵， 為此亟待進行二者之間的定量分析研究。