不銹鋼管道全位置熔化極氣保自動焊技術(shù)

王建軍，李冬毓

（1. 蘭州理工大學，蘭州 730050；2. 中石化第五建設有限公司，廣州 510180）

管道全位置自動焊是一種借助機械、電氣等方法，是整個過程實現(xiàn)自動化、程序化的焊接施工技術(shù)。具有效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、焊縫成形美觀、勞動強度低、焊接效率高、焊接過程受人為因素干擾少等優(yōu)點。在我國各類石油化工裝置建設中，全位置自動化應用的比例很低。隨著我國石化裝置的大型化，管道的口徑和壁厚逐漸增大，管道的焊接工作量和勞動強度也逐漸增大，推動管道全位置自動化在工程現(xiàn)場的應用具有很大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

1 全位置熔化極氣保自動焊接系統(tǒng)

全位置熔化極氣保自動焊接系統(tǒng)采用智能控制電源，采用熔化極氣體保護焊接方法，通過外置手持遙控器選取調(diào)用預先在焊接電源內(nèi)設置的焊接程序，焊接機頭通過鋼制軌道圍繞管道實現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)完成自動焊接。如圖1 所示。

圖1 全位置熔化極氣保自動焊接系統(tǒng)Fig.1 All-position automatic gas metal arc welding system

1.1 焊接電源

焊接電源的作用是向焊接機頭提供能量[1]，E523焊接電源和自動焊控制部分為一體化，兩部分無需外接線纜連接，輸入電源最高電流不低于500 A，寬幅輸入電壓380V±15%，輸入容量23 kVA，安全保護開關（空氣開關）的額定分斷電流為60A 或63A，具有ART 電弧特性和脈沖特性以及協(xié)同脈沖功能，可選配智慧數(shù)字采集模塊，滿足施工數(shù)據(jù)化管理的要求?？刂齐娫匆惑w機基本參數(shù)見表1。

表1 控制電源一體機基本參數(shù)一覽表Table 1 Basic parameters of integrated power supply

1.2 軌道

采用楔形柔性摩擦軌道，該軌道輕便耐用，可以覆蓋多種標準尺寸管徑?，F(xiàn)場可根據(jù)管道尺寸選擇合適的軌道或軌道、墊塊組合，軌道安裝距離坡口邊緣140 mm 的位置，一周的誤差小于2 mm。軌道規(guī)格參數(shù)見表2，柔性摩擦軌道見圖2。

圖2 柔性摩擦軌道Fig.2 Flexible friction trainline

表2 軌道規(guī)格參數(shù)一覽表Table 2 Parameters of Trainline

1.3 焊接機頭

焊接過程中焊接機頭沿軌道旋轉(zhuǎn)一周，焊接過程分為仰焊、立向上焊、平焊、立向下焊。因熔池的位置是一個漸變的過程，受力情況也時刻在變化[2]，焊接機頭按照設定的焊接工藝參數(shù)在坡口內(nèi)完成橫向擺動、坡口邊緣停留、變換角度等操作[3]，實現(xiàn)管道全位置焊接。

焊接機頭具有穩(wěn)定性高、維修方便等特點[4]。參考了國內(nèi)管道自動焊研發(fā)技術(shù)[5-8]，采用摩擦傳動行走方式，帶動位置傳感器，自動感知位置，自動匹配焊接參數(shù)，配套弧長跟蹤功能，可適應壁厚大于50 mm 的厚壁管焊接，內(nèi)置5 kg 送絲盤，焊槍具有上下高度、水平擺動調(diào)節(jié)，俯仰角調(diào)節(jié)和左右側(cè)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)等多種功能。焊接機頭基本參數(shù)見表3。

表3 焊接機頭基本參數(shù)一覽表Table 3 Basic parameters of welding head

2 全位置熔化極氣保自動焊工藝

2.1 焊接方法

焊接方法采用手工鎢極氬弧焊打底+全位置熔化極氣保自動焊進行填充、蓋面。要求氬弧焊打底焊接兩遍，厚度達到5 ～ 6 mm，再進行自動焊焊接，以防止打底層因太薄，進行自動焊時，焊接接頭內(nèi)部被氧化。

2.2 基材

試驗基材為TP347，外徑φ406.4 mm，厚度40.49 mm，制管方式為熱軋，交貨狀態(tài)為固溶+穩(wěn)定化處理+酸洗鈍化?；瘜W成分見表4，各項指標與標準值相比均滿足要求。

表4 基材化學成分Table 4 Chemical composition of base material %

表5 基材力學性能Table 5 Base material mechanical properties

2.3 焊接材料

手工鎢極氬弧焊焊絲采用日本神鋼TG-S347，規(guī)格為φ2.4 mm；全位置熔化極氣保自動焊焊絲采用奧地利伯樂GMA347，規(guī)格為φ1.2 mm。焊材：伯樂焊材，GMA347，規(guī)格φ1.2 mm，化學成分見表6：

表6 GMA 347 化學成分 （AWS A5.9—2012 ER347）Table 6 GMA 347 chemical composition (AWS A5.9—2012 ER347) %

焊材：日本神鋼焊材，TG-S347，規(guī)格φ2.4，化學成分見表7。

表7 TGS-347 化學成分（NB/T47018.2—2011 ER347-16）Table 7 TGS-347 chemical composition (NB/T47018.2—2011 ER347-16) %

2.4 保護氣體

手工鎢極氬弧焊保護氣體采用99.99%氬氣；全位置熔化極氣保自動焊接采用保護氣體為：98%氬氣（Ar）+2%二氧化碳（CO2）。

2.5 焊接坡口

焊接接頭坡口形式（VY 型）與尺寸、焊層、焊道布置及順序見圖3 所示：P= 0.5 ～ 1.0 mm，b= 2.5 ～ 3.5 mm，α= 70°～ 75°，β= 15°～ 20°，h= 1/3 T，T= 40.49 mm。

圖3 焊接坡口示意圖Fig.3 Schematic diagram of welding groove

2.6 焊接

焊前將遙控器系統(tǒng)設置為脈沖特性，焊接參數(shù)設置原則如下：

（1）根據(jù)焊道寬度，確定擺動寬度，通常情況下坡口角度越?。〝[動寬度越寬）左右停留時間越長，反之則越短，停留時間設定范圍0.2 ～ 0.6 s；

2.1 術(shù)后病理結(jié)果 手術(shù)病理結(jié)果顯示，176例甲狀腺結(jié)節(jié)中，惡性結(jié)節(jié)48例，其中：甲狀腺乳頭狀癌43例，髓樣癌2例，未分化癌1例，甲狀腺濾泡狀腺癌2例。良性結(jié)節(jié)128例，其中：結(jié)節(jié)性甲狀腺腫83例，甲狀腺腺瘤41例，甲狀腺炎4例。

（2）根據(jù)擺動寬度及停留時間確認擺動速度，擺動寬度越寬（停留時間越長）擺動速度越快，反之則越短，擺動速度設定范圍1.2 ～ 2.5 mm/s；

（3）焊接速度是由焊接過程中熔池狀態(tài)來確定，通常后一個熔池應壓住前一個熔池的1/3 為最佳，壓得太多說明焊接速度太慢，壓得太少說明焊接速度太 快；

（4）按焊接位置分三段，一般位置為0° ～ 70°，71° ～ 120°，121° ～ 180°；

（5）仰、立、平焊參數(shù)設置：送絲速度仰焊、平焊較大，立焊較??；行走速度仰焊較慢，立焊次之，平焊最快，擺幅仰焊較大，立焊次之、平焊最小。

焊接工藝參數(shù)見表8。

表8 焊接工藝參數(shù)一覽表Table 8 Welding process parameters

3 焊接工藝試驗

試件焊后先進行外觀檢查，要求焊縫與母材圓滑過渡，不得有咬邊、未熔合、氣孔等缺陷，無損檢測合格后，進行拉伸性能檢測、彎曲性能檢測、晶間耐腐蝕性能試驗、化學成分分析、微觀金相分析、焊接接頭鐵素體含量檢測等，要求各項性能指標滿足設計技術(shù)條件和壓力管道標準要求。焊接試驗見圖4，成型焊縫見圖5。

圖4 焊接試驗Fig.4 Welding test

圖5 成型焊縫Fig.5 Formed welding joint

3.1 拉伸性能

拉伸試驗取樣和加工要求符合NB/T 47014 標準規(guī)定，按照GB/T 228 規(guī)定的試驗方法測定焊接接頭的抗拉強度。試驗結(jié)果見表9，拉伸試樣見圖6。

表9 焊接參數(shù)一覽表Table 9 Parameters of welding

圖6 拉伸試樣Fig.6 Tensile specimens

3.2 彎曲性能

彎曲試驗是為了檢驗焊接接頭的塑性變形能力，取樣和加工要求符合NB/T 47014 標準規(guī)定，要求焊縫余高采用機械方法去除，試樣受拉表面不得有劃痕和損傷。按照GB/T 2653 規(guī)定的試驗方法測定焊接接頭的完好和塑性。試驗結(jié)果見表10，彎曲試樣見圖7。

圖7 彎曲試樣Fig.7 Bending specimen

表10 焊接參數(shù)一覽表Table 10 Parameters of welding

3.3 晶間腐蝕性能

耐晶間腐蝕性能測試按照GB/T 4334—2020 E 法進行，先對加工好的試樣進行除油處理，后進行干燥，再將試樣放入硫酸-硫酸銅溶液中進行加熱，一直保持微沸狀態(tài)，連續(xù)加熱16 h。將腐蝕后的試樣取出，進行沖洗并干燥。采用萬能材料試驗機CMT5305 進行彎曲，采用壓頭直徑為5 mm，彎曲角度為180°。

彎曲后的試樣在10 倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，有無因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。測試結(jié)果顯示2 件彎曲試樣完好均無裂紋，晶間腐蝕試樣見圖8。

圖8 晶間腐蝕試樣Fig.8 Intergranular corrosion specimen

3.4 化學成分分析

化學成分檢測按照GB/T 11170—2008 標準執(zhí)行，將制備好的塊狀樣品作為一個電極，用光源發(fā)生器使樣品與電極之間激光發(fā)光，并將該光束引入分光計，通過色散元件將光束色散后，對選定的內(nèi)標線和分析線的強度進行測量。根據(jù)標準樣品制作的校準曲線，求出分析樣品中待測元素的含量。測試結(jié)果顯示焊縫熔敷金屬與母材的化學成分相當，符合相關技術(shù)文件及標準要求。測試結(jié)果見表11，化學成分分析試樣見圖9。

表11 化學成分檢測一覽表Table 11 Chemical composition detection %

圖9 化學成分分析試樣Fig.9 Chemical composition specimen

3.5 微觀金相分析

微觀金相檢測按照GB/T 13298—2015 標準執(zhí)行，采用FORSTEMP30 金相顯微鏡對焊接接頭焊縫及熱影響進行觀察，看焊縫區(qū)及熱影響區(qū)組織是否均勻一致，組織是否有脆性相析出，晶粒度能否達到細晶粒鋼的標準（細晶粒鋼晶粒度為5 ～ 8 級）。

觀察焊縫區(qū)組織為奧氏體+鐵素體，鐵素體呈網(wǎng)狀均勻分布在奧氏體中，檢測焊縫區(qū)鐵素體含量為7.7% ～ 9.5%，符合技術(shù)條件及相關標準對焊縫鐵素體含量在5% ～ 10%之間的要求；熱影響區(qū)組織為奧氏體+極少量鐵素體，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)均未見有脆性相析出，晶粒未出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，晶粒度均在6級以上。金相試樣見圖10，焊縫區(qū)微觀組織見圖11，熱影響區(qū)微觀組織見圖12。

圖10 金相試樣Fig.10 Metallographic specimen

圖11 焊縫區(qū)微觀組織Fig.11 Microstructure of welding zone

圖12 熱影響區(qū)微觀組織Fig.12 Microstructure of heat affected zone

4 技術(shù)經(jīng)濟效益分析

2020 年10 月 至2020 年12 月，在 某 集 團 公司煉化分公司400 萬噸/ 年加氫裂化裝置2158道TP347 厚壁管道（規(guī)格范圍從φ273×25.4 至φ610×73.02）接頭中選取有代表性的200 道接頭作為試驗對象，采用全位置熔化極氣保自動焊，焊后不進行穩(wěn)定化熱處理。全位置熔化極氣保自動焊施焊見圖13。

圖13 全位置熔化極氣保自動焊施焊Fig.13 All-position automatic gas metal arc welding

4.1 焊接接頭質(zhì)量對比分析

對于選定的TP347 厚壁管道焊接接頭200 道，（規(guī)格范圍φ273 mm×25.4 mm 至φ610 mm×73.02 mm），一次射線無損檢測合格193 道，一次合格率96.5%。焊接接頭鐵素體數(shù)（FN） 含量經(jīng)檢測均在5% ～ 10%之間，合格率100%。

4.2 焊接工效對比分析

全位置熔化極氣保自動焊平均工效是傳統(tǒng)手工焊接的2 倍以上。同管徑，壁厚越厚功效越明顯，同壁厚，管徑越大功效越明顯。以單道管道接頭為例，自動焊接和手工焊接的工效對比，如表12 所示。

表12 全位置熔化極氣保自動焊和手工焊接的工效對比表Table 12 Efficiency comparation with manual welding

4.3 經(jīng)濟效益對比分析

通過人工、機械、消耗材料的綜合對比，全位置熔化極氣保自動焊接和手工焊接的成本對比分析，見表13。當不銹鋼管道壁厚≥20 mm 時，自動焊成本約是手工焊的60.69%。其經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著

表13 全位置熔化極氣保自動焊和手工焊接的經(jīng)濟效益對比表Table 13 Economic benefit comparation with manual welding

5 結(jié)論

（1）采用全位置熔化極氣保自動焊焊接合格率達到96%以上。觀察焊接接頭微觀金相組織，奧氏體晶粒度可達到6 ～ 7 級，焊縫區(qū)鐵素體呈網(wǎng)狀均勻分布在組織中，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)均未見析出相，經(jīng)各項性能試驗達到相關標準要求，焊接接頭的質(zhì)量得到了有效的保障。

（2）采用全位置熔化極氣保自動焊焊接工藝，提高了管道焊接接頭的質(zhì)量（組織不出現(xiàn)Cr23C6），從而保障焊接接頭的耐晶間腐蝕性能，可以考慮取消焊接接頭的穩(wěn)定化熱處理。

（3）工程應用中，為了避免人為因素的干擾，無論是從預防TP347 厚壁管道焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋的角度考慮，還是從提高焊接工效和經(jīng)濟效益方面考慮，都應該大力推廣和普及全位置熔化極氣保自動焊，最終實現(xiàn)以機代人。