區間劃分技術對管道全位置自動焊焊縫成形及性能的影響

樊云博 王 丹 車昌盛

中建安裝集團有限公司 江蘇南京 210023

“十三五”以來，石化、煉化裝置的迅速擴張及遷移推動了石化管道全位置自動焊技術的大面積應用。國內眾多的專機廠家紛紛與施工企業聯手進行固定口全位置管道焊機的應用研發及優化改進，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，必須要求焊接參數隨著焊接位置的變化進行相應的調整，從而借助電弧力的分布及熔池的流動性，實現熔池的動態平衡。倘若將整個圓周焊接每點處的焊接參數都摸索出來，再輸入計算機編程，這樣即不現實也不科學[1]。行之有效的方法就是區間劃分。實際上，管道全位置自動焊區間劃分技術就是把一個焊接程序在管道圓周方向分為若干段，每段的指令規范都按區輸入[2]。

根據相關文獻[3-6]可知，全位置焊接區間可劃分為三區間、四區間、六區間及八區間甚至十六區間，現有階段專機生產廠家提供的全位置自動焊機甚至能提供二十區間以上的劃分。但對區間劃分的原則、起止弧位置的選擇都沒有給出明確的依據或建議，需要施工企業自己去探索應用。

1 全位置熔池機理控制策略研究

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金屬流淌，行業內學者對其進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行控制；另一種是力學平衡控制策略，即通過改變熔池電弧力的大小和方向來盡可能抵消空間不同位置熔池重力的影響，輔助焊縫穩定成形。但第一種策略的小線能量控制與高效、快速的實際生產所需的較大能量相矛盾，多年來研究進展不大。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平衡策略相結合，即通過小線能量的工藝參數、脈沖電源及不同區間熔池的動態平衡控制，可輕松實現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行擊碎細化。

2 焊縫位置的規定及全位置熔池受力分析

依據NB/ T47015- 2011《壓力容器焊接規程》附錄A焊縫位置規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，焊縫面轉角從6 點鐘為0°的位置順時針旋轉一周再回到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熔池的受力達到平衡，即按水平方向不流淌，垂直方向不塌陷的原則進行熔池平衡。因此，依據圖1 和圖2 受力分析可推測各區間內大致的焊接參數設定方向為：

圖1 全位置焊接位置規定圖

圖2 全位置焊接熔池重力分析示意圖

（1）焊縫面轉角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，電流過大會出現焊道塌陷或燒穿。因此，該區間焊接參數設定簡單、易掌握。

（2）焊縫面轉角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到最大、塌陷的作用力減小，最容易發生下淌。該區間焊接參數設定：電流呈減小的趨勢、弧長應先大后小，送絲速度應先快后慢。

（3）焊縫面轉角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，極易發生熔池金屬脫落。該區間焊接參數設定：電流應先大后小，再逐漸加大；弧長應先長后段再變長；送絲速度應由快變慢，在6 點位置最慢，然后在逐漸加快。

（4）焊縫面轉角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到最大、塌陷的作用力減小，最容易發生下淌。該區間焊接參數設定：電流應逐漸減小到平穩，弧長應基本保持不變，送絲速度應先慢后快。

3 全位置焊接區間劃分技術的原則

通過管道全位置熔池受力分析及標準，對焊接位置的定義歸納出焊接區間劃分技術的原則為：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生流淌、塌陷的位置點進行歸類、分段；并針對各個區間制定針對性較強、連續性較好的工藝參數，從而達到熔池動平衡的原則。

4 試驗方法與過程

4.1 焊前準備

試驗前準備三組碳鋼管道試驗材料，材料的規格如表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，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 焊接設備

焊接試驗選用的設備是昆山華恒的全位置TIG 數字化自動管管焊。焊接電源Iorbital5000 能提供精確的電流、旋轉、送絲、橫擺及氣保護控制，可在全位置焊接過程中實現最大22 個分區間工藝參數設置，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，應采用水準儀測量調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 焊接區間及工藝參數的設置

本次試驗的焊接工藝參數設定在焊機電源的觸摸屏顯示界面完成。通過列表界面的“新建”按鈕可設置程序號、槍頭型號、直徑、壁厚、管材牌號及焊接層數等識別參數；然后在編程界面依據焊接工藝設計完成如“引弧方式”、“預送氣時間”等45 個區間外參數，以及15 個區間內如“區間個數”、“電流大小”、“送絲速度”、“橫擺參數”等相關參數。

4.5 焊接試驗方案

依據管道全位置焊接熔池控制策略、熔池受力分析及區間劃分的原則，將管道按無分區、四分區、八分區、十六分區，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。試驗項目及焊接區間的劃分見表1 和圖3。

表1 全位置焊接試驗項目

5 結果與分析

5.1 無分區工藝參數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，呈外凸狀；在仰焊6 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，無分區焊接工藝參數始終保持不變，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、不同區間數量劃分對管道全位置焊縫成型的影響

同一材料、同一管徑區間劃分的數量越多，預設焊接工藝參數的針對性就越強，在圓周方向各個位置熔池的成型控制會更好，焊縫質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現，在不同的區間劃分條件下，四分區、八分區、十六分區的全位置焊接試樣在焊縫外觀成型、力學性能方面區別不明顯。特別是對小直徑管道，區間劃分數量越多，區間內焊接行程越短，參數的連續性難以控制，反而使焊接程序復雜，不利于焊接。一般建議對于DN300 以下的中小直徑管道區間劃分數量在4—6 之間為宜。

5.3 同一材料、相同區間、不同管徑對管道全位置焊縫成型的影響

同一材料、在相同的區間劃分下，管徑越大，區間內工藝參數控制的行程就越大，各個位置熔池動態平衡工藝參數的針對性就會逐漸減弱，焊接缺陷的產生或焊縫不易成型的風險就會越高。通過對2# 和3# 系列試樣對比發現，在相同的區間劃分條件下，管徑越小，焊縫的外觀質量控制越好，產生焊接缺陷概率越小；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，應適當增加區間的劃分數量。

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，熔化區較小，熔池液態金屬的流速較慢，冷卻速度較快、不易下淌，可預防立向下3 點鐘位置熔池流淌形成的內凹；當在仰焊位置時，熔池溫度場已進入穩準態，且熱積累效應不明顯，可預防6 點鐘位置熔池金屬的下垂或脫落；當在立向上位置時，雖然熱積累效應、溫度場更高，熔池明顯增大，但經過焊接參數的調控可預防9 點鐘位置熔池流淌形成的外凸等缺陷，同時將整圈環縫的熱積累效應最大值放在較容易焊接的平焊位置。如果焊接有色金屬，當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 結語

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

（2）在全位置區間劃分技術中，同一材料、同一管徑區間劃分的數量越多，預設焊接工藝參數的針對性就越強，在圓周方向各個位置熔池的成型控制會更好，焊縫質量的致密性和組織的均勻性就越好。但對于小直徑管道，區間劃分數量越多，每段的焊接行程越短，參數的連續性難以控制，反而使焊接程序復雜，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，應適當增加區間的劃分數量。

（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對焊縫熔池流動性的影響，從而保證環焊道厚度的均勻性及整個焊縫的橢圓度。一般連續焊時，起弧位置放在1～2 點鐘位置處較好。當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。