基于參數匹配分析法的全自動焊接技術管理研究

郗祥遠 龔海洋 吳曉超 馬磊

1廊坊中油朗威工程項目管理有限公司

2華北油田公司第四采油廠

近年來，我國天然氣管道建設正處于蓬勃發展階段，管道建設速度的加快直接推動了全自動焊接技術的應用與發展[1-2]。相比于傳統的手工焊與半自動焊，全自動焊接具有焊道成型快、焊接質量高、人為干擾少的優點[3-6]。中俄東線管道工程建設已經實現全自動焊接的全線推廣，并且隨著工程推進，全自動焊接設備的國產化占比也逐漸提高[7-10]。全自動焊接的廣泛推廣與設備國產化應用正處于持續發展與完善階段，全自動焊接技術的管理也將是未來長輸管道工程建設的重點之一。

全自動焊接的主要特點是參數內置、自動焊接與薄層多焊[11-13]。通過專家設置的焊接參數，利用自動化機械設備來進行焊接，保證焊接的穩定性并減少人為因素干擾。實際工程建設中，由于設備轉場導致穩定性降低、坡口參數變化與錯邊等因素會導致工藝參數匹配性差的問題，進而對焊層參數的穩定性與焊接質量產生影響[14-17]。

目前，管道施工現場的全自動焊接技術應用主要局限于從焊材與焊工角度上進行管理，缺少對焊接參數以及焊層穩定性的分析。本文對焊接參數進行提取并測量焊層厚度，通過參數匹配性分析得到全自動焊接參數設置的重要方法，提出了全自動焊接技術現場標準化管理方法。

1 全自動焊接數據測試與分析

1.1 數據采集與分析方法

通過PCM 系統對全自動外焊機A-610 焊接過程參數（包括焊接角度、焊接電壓、焊接電流、焊接速度與送絲速度）進行采集，并將焊接數據傳輸至管道建設全生命周期數據庫內。采用“智能工地”實現對焊接參數的實時監控，對“智能工地”中數據進行收集，即可得到焊口各焊層的焊接參數。此外，根據“智能工地”得到的焊接參數，對單位焊接面積、焊接線能量與單位體積焊接能量進行計算分析，具體計算方法如下：

式中：S為焊接面積，mm2；QL為焊接能量，J/mm-1；Vwi為送絲速度，mm/s；Sw為焊絲截面積，mm2；Vwe為焊接速度，mm/s；U為電壓，V；I為焊接電流，A；S為單位焊接面積，mm2；Ql為焊接能量；QV為單位體積焊接能量，J/mm3。

對各焊層（熱焊層與填充層）焊接前后的剩余壁厚進行測量，并通過差值法得到各層的焊接厚度。蓋面層則采用焊接前剩余壁厚+蓋面余高的方式計算焊層厚度。各焊層均測量焊縫圓周0、1、3、5、6、7、9 和11 點位共8 個位置的焊層厚度，并進行數據分析。

1.2 焊接參數分析

某焊口的各焊層焊接參數如圖1 所示（填充焊層采用雙焊槍焊接方式，只顯示前焊槍參數；蓋面焊層只顯示C1 層），結果表明：各焊層的相關參數隨焊接角度的變化情況有明顯差異。由于焊接采用恒壓電源，因此各層的焊接電壓基本保持不變。全自動焊接過程中各參數隨焊接角度變化的同時也保證與其他參數自動匹配，保證熔化金屬量與熱輸送量處于較為穩定的狀態。

圖1 全自動焊接各層焊接參數隨焊接角度變化情況Fig.1 Variation of welding parameters of each layer in fully automatic welding with welding angle

對于熱焊層，焊接速度基本保持不變，而焊接電流與送絲速度在4 點位和8 點位位置開始降低，這會導致單位長度熔池內熔化金屬量的減少。對于填充層（F1 與F2），焊接電流、焊接速度與送絲速度均在5 點位和7 點位位置開始降低。焊接速度與送絲速度兩個參數的相對變化情況對熔池內熔化金屬量具有較大影響，若焊接速度相對于送絲速度降低幅度更大，則會增加單位焊接長度的焊絲熔化量，從而導致焊接厚度的增加。對于蓋面焊層，焊接速度在5 點位和7 點位位置降低較為明顯，焊槍處于仰焊位置處，熔化金屬受重力作用下墜，焊接速度的降低便于焊工觀察熔池情況。

1.3 焊層厚度分析

從表1 中數據可知，各焊層單槍焊接厚度均小于3.50 mm，雙槍焊接厚度小于7.00 mm。熱焊層的各點位焊接厚度標準差較小，說明焊接厚度較為均勻，這是因為該焊層焊接參數穩定性較好且焊接速度高，焊道成型快，受外力因素影響較小。填充焊F2 層的平均厚度比F1 層有所降低，原因在于隨著焊接層數的增加，坡口逐漸放寬導致熔化金屬填充的高度增加。

表1 全自動焊接各層各點位焊接厚度Tab.1 Fully automatic welding thickness at each layer and point mm

與其他焊層相比，熱焊層焊接速度快、送絲量大，起到后熱和去氫的作用。在焊接過程中，熱焊層在4 點位和8 點位單位長度熔池內熔化金屬量變少，但是受重力影響導致4—8 點位焊接厚度變化不大。對于填充焊層（F1 與F2）與蓋面焊層，當焊接位置到達5 或7 點位后，焊接厚度隨焊接角度顯著增加。其中，填充層（雙焊槍）6 點位的焊接厚度比0 點位厚約0.5 mm，蓋面層6 點位的焊接厚度比0 點位厚約0.3 mm。從焊接參數方面來看，填充焊層與蓋面焊層在仰臉位置的焊接速度與送絲速度均降低，焊接厚度變化受熔池內熔化金屬量與受力情況綜合影響。

1.4 參數匹配性分析

為了進一步研究全自動焊接參數設置規律以及參數匹配性，對焊接數據進行處理，得到各焊層單位焊接面積、線能量與單位體積能量隨焊接角度變化關系（圖2）。單位焊接面積即為垂直于焊接方向的截面上焊絲熔化所占的面積（不考慮焊絲熔化前后的體積變化與熔化金屬的流動性），可表征單位長度熔池內熔化的金屬量。線能量為單位焊接長度上輸送至熔池內的能量（不考慮其他能量轉換形式），而單位體積能量為輸送至單位體積焊絲內的能量。

圖2 全自動焊接各層單位焊接面積、線能量與單位體積能量隨焊接角度變化Fig.2 Variation of unit welding area，line energy，and unit volume energy of each layer in fully automatic welding with welding angle

綜上可以看出，各焊層單位體積焊接能量隨焊接角度增加較為穩定，能量值始終保持在29～31 J/mm3范圍內波動（不包括起弧與收弧階段）。結果表明，全自動焊接過程中單位焊接面積與線能量變化保持同步。此外，單位體積焊接能量也可表示為

在全自動焊接過程中焊接電壓、焊接電流與送絲速度會自動進行匹配，保證單位體積焊絲的熱輸送量不變。這是因為要保證熔化后焊絲的溫度處于穩定范圍，使焊絲金屬在熔池內與母材金屬能夠良好熔合。

從圖2 可知，填充焊層（F1 與F2）與蓋面焊層在5—7 點位的單位焊接面積增加，導致融化焊絲在該區域內積累。焊接厚度不僅受單位焊接面積影響，還與電弧力有關。電弧力較為復雜，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點壓力等，對熔池產生機械作用的壓力統稱為電弧吹力。在電弧吹力的作用下，熔池內熔化金屬被攪拌并且使其不受重力作用下墜[18-19]。為了觀察仰臉部位熔池狀態，焊接速度的降低幅度較大，即單位焊接面積增加，電弧吹力難以平衡熔化金屬重力，致使5—7 點位焊接厚度增加。因此，全自動焊接過程應從傳統的手工焊與半自動焊管理模式進行轉變，避免人為因素對焊接過程進行過度干擾，保證焊接參數與焊層尺寸參數的穩定性。

2 現場標準化管理方法

全自動焊接技術標準化管理包括組織標準化管理、工藝與設備標準化管理和焊接質量評定標準化管理。

（1）組織標準化管理。組織標準化管理即培養有能力調整焊接工藝參數的專業人員，對焊接工藝參數的調整及焊接成型質量負責。隨著全自動焊接技術發展，焊接人員對焊接的參與程度逐漸弱化，因此要培養精通分析參數、指導參數調節的專業人才，及時應對現場特殊情況，簡化焊接技術問題處理流程，提高全自動焊接效率。

（2）工藝與設備標準化管理。工藝與設備標準化管理主要包括焊接工藝再細化管理以及焊接機組穩定性維護管理。目前焊接工藝規程缺少對各焊層焊接厚度的明確規定，難以對焊接層厚度進行管控，因此施工過程可能會偏離全自動焊接“薄層多道焊”的理念。通過工藝規程再細化，落實各焊層的參數指標，可達到過程細化、結果達標的目的。此外，應注重焊接機組的設備穩定性維護，積極探尋各種因素（如設備轉場、變壁厚焊接等）對設備穩定性的影響，及時預防因設備不穩定導致焊口質量不合格或焊口外觀參數超標的問題。

（3）焊接質量評定標準化管理。焊接質量評定標準化管理主要是指對焊口無損檢測結果與外觀檢查結果及時反饋，將焊口質量與對應的焊接參數統一分析，根據焊口質量對工藝參數設置進行評定，完善測試、監控、分析與糾偏過程。

3 結束語

通過對全自動外焊機的焊接參數與焊層尺寸的測量，分析了參數設置對焊接厚度的影響和全自動焊接參數的匹配性規律。結合數據分析與現場經驗，從焊接專業技術人員培養、焊接工藝完善、焊接大數據分析與連頭焊接參數動態化設置等方面，給出了全自動焊接技術現場標準化管理方法和內容。