管道全自动外焊机焊接工艺

管道全自动外焊机焊接工艺

张峰陈仕栋丘陵张广齐田昭非郭庆廷

（新疆石油工程建设有限公司，克拉玛依 834000）

西气东输管道工程是国家重点工程，也是我国前所未有的大口径、厚管壁、高压力的长输天然气管道工程。为了既保证焊接质量，又降低焊工劳动强度和提高焊接速度，在工程中应大量采用全位置自动焊。为此，我公司为适应市场需求，向美国CRC公司订购了M-300自动焊机。经过对西气东输管道工程所用管材的试焊、焊缝的无损检测、机械性能和力学试验，取得了满意的效果，证明自动焊在管道施工中有广泛的应用前景。

1 焊接设备

1.1系统组成

M-300由焊接小车和电源接线盒组成。导轨、电缆、电源、保护气体调节阀和流量计为辅助件。

焊接小车长559mm，宽584mm，高381mm，重20kg。小车有顺时针和逆时针两种型式，它们互为镜像，可在同一条导轨上在轨道两侧同时焊接。机头通过一个枢轴和锁定结构与小车相连。固定在机头上的设备包括送丝机构、焊炬、气体给送系统、正向感应头以及垂直和水平调节装置。在这些装置的共同作用下，机头可进行以下焊接作业：

1.)将焊接电流和保护气体馈送到焊炬；

2.)通过调节提供适当的焊丝干伸长；

3.)为电弧和熔池提供保护气体；

4.)连续送丝以保持填充金属熔敷在焊道中；

5.)提供正向感应恒电压控制手段；

6.)让操作人员通过水平或垂直调节修正或改进焊炬中心位置、电弧弧

长。

M-300焊机的所有自动控制功能都由控制盒完成，其中包括各种操作、故障诊断和解除、伺服和互连所需的控制电路控制焊机行走、摆动、送丝、保护气体和电流。

电源接线盒向M-300焊机的所有工作电路提供28V直流电。它包括气体电磁阀和电源触点继电器。电源接线盒工作电压有两种，一种是115V，一种是220V。根据国家或地区的不同，将电源接线盒内的插头插在相应的电压位置，就可以选用115V或220V工作电压。

1.2系统特点

该系统对于焊工来说操作简单，除了电弧电压由电源控制外，其它焊接参数，包括焊接速度、摆动频率、摆幅、送丝速度、左右停留时间、添坑时间、回烧时间等，均由固定在小车上的控制盒控制。小车上的控制盒可以存储四套焊接参数，每套焊接参数均包括摆动频率、摆幅、送丝速度、左右停留时间、熄弧添坑时间、熄弧回烧时间。只有焊接速度无法存储，它是根据焊工实际需要及焊接工艺规程的规定，通过焊接速度旋钮来调节。在焊接前，可以将所需的存储好的参数通过菜单直接调出使用；而在焊接过程中，还可以根据焊道、

焊炬位置、熔池等因素，通过小车控制盒上的增减按键、纵向和横向调节装置、焊接速度旋钮等实时修改焊接参数。

M-300焊机虽然调节性较大，但由于是从美国进口，内部的操作系统是全英文的，所以在进行参数存储、菜单操作时，对于焊接技术人员有一定难度。

另外该系统适用范围广，可用于气保护焊、药芯焊丝自保护焊、脉冲气体保护焊，能用于焊接外径从305mm至2350mm的管道。对于不同管径，可以通过焊接小车上管径调节器调节，并与相应的焊接导轨搭配使用。若是钢管壁厚大于10mm，小于15mm时，焊炬纵向调节深度不足无法打底，则可以通过纵向调节控制器来调节。若钢管壁厚大于15mm时，纵向调节控制器也无法满足打底要求，可将焊炬轴承翻转，但这种调节是以牺牲调节高度为代价，虽然可以打底但无法再盖面，只能专用于打底及最初几层填充。

系统的操作过程如下：

1.)焊接技术人员将通过工艺试验得出的数据存入小车控制盒内，一

共可以存储四套数据；

2.)在使用前根据焊接工艺规程，焊接技术人员通过小车控制盒上的

按键进行菜单操作，调出所需的工艺数据；

3.)旋转焊接速度旋钮，使其达到焊接工艺规程要求，如此焊工就可

以开始焊接了；

4.)在焊接中，焊工可以通过小车控制盒上的增减按键及焊接速度旋

钮实时修改焊接参数。

2.管口组对

2.1管口加工

尽管管道自动焊焊接效率高，但相对地对管口加工、组对的要求较手工焊及半自动焊都更苛刻，而且由于其自身焊接工艺特性，自动焊通常只应用于水平固定。所以，自动焊对管口的要求也与手工焊及半自动焊相差很大。管端坡口的加工必须采用机加工，严禁采用气割坡口。

自动焊的焊炬角度在整个焊接过程中都是相同的，因此打底时对于管口钝边的要求也就很高。考虑到平焊位置所承载熔池的能力，以及立焊、仰焊位置的熔透能力，管口钝边应为1.5～2.3mm。

在焊接过程中，虽然可以调节焊炬摆动频率及左右停留时间，但是随着摆动参数的逐步增大，焊接速度将不可避免地逐步减小。所以自动焊的坡口宽度必须加以限制，最大不宜大于12mm。当母材壁厚不大于10mm时，可以加工为30°±2.5°的单边V型坡口；当母材壁厚大于10mm，小于15mm时，应加工为复合坡口；当母材壁厚大于15mm时，就必须采用排焊。当使用复合坡口时，必须注意坡口两个角度交界处的圆滑过渡，过渡的越光滑，出现未熔缺陷的可能性就越低。这一点对于熟练的坡口机操作手来说，并不难。复合坡口见下图3.1.1。

图3.1.1

由于自动焊对于管口的加工要求极严，所以在野外管道施工过程中，推荐施工单位配备坡口机，以便保证坡口端面平整，表面光滑、不起鳞，钝边均匀，并可以根据工艺要求加工坡口角度，提高焊接质量及效率。

3.2管口组对

在进行管口组对前，应先进行清扫，确保管内无杂物方可。在组对前，管内外表面坡口两侧25mm范围内应使用钢丝刷清理至显现金属光泽为宜。

另外，由于自动焊的特殊性以及调节控制的局限性，所以应使用内对口器组对，以确保焊接质量，降低出现未熔、咬边等缺陷的可能性。

在组对时，对口间隙应控制在2～3mm之间。在焊接过程中，虽然由于管口上部先焊而受热膨胀，管口下部受挤压而有一定的收缩，但自动焊的焊接速度很快，其收缩量较小，所以上部对口间隙应略小于下部对口间隙。

管口组对错皮量应尽量往小控制。由于自动焊控制按钮较多，当管口错皮较大，焊机需要调节量较大时，焊工往往来不及调节，就已经焊过去了，从而出现未熔、咬边等缺陷，其调节性较半自动焊接或手工焊接差距大。所以为了避免出现这种情况，其错皮量宜控制在1mm以内，且应沿管口均匀分布。

自动焊的机头有一定高度，焊工操作也需要较大的操作空间，所以管子下部最低处应高于地面４５cm。但考虑到人的生理特点及施工效率，管子下部最低处不宜高于地面5０cm。

4．管口焊接

4.1一般规定

使用自动焊接，对于焊工的技能要求相对于手工焊接或半自动焊接低，但其培训还是必不可少的。另外，尽管自动焊接与手工焊接或半自动焊接有较明显差别，但手工焊接或半自动焊接的经验，有利于焊工快速熟练地掌握自动焊接技术。对于焊接技术人员，则要求相对较高。不仅要了解掌握自动焊的焊接特点，还要对于自动焊接设备熟悉。自动焊接设备不仅涉及到机械领域，而且还涉及到电子计算机领域，远较手工焊接或半自动焊接设备复杂。另外，由于M-300焊机是从美国进口，其内部的操作系统是全英文，所以每套焊接参数的输入、调用及修改，都必须由焊接技术人员来完成。

根据管材的不同，有的需要焊前预热，有的不需要，应根据焊接工艺规程来定。但应注意的是若焊接前需要预热，则安装轨道时不宜过紧，以免因钢管受热膨胀而损坏轨道，待预热好之后再上紧轨道。

4.2焊前检查

每天焊接前，都应仔细检查焊接设备以及焊丝是否受潮。如果使用保护气，还应检查气瓶压力和气路是否通顺，确定气瓶压力是否符合焊接工艺规程的使用要求。而且每次焊接前都应进行试气，这样既可以将气路中前段不纯的保护气排除，也可以进一步确定气瓶压力。

在检查焊接设备时，可以通过电源接线盒上的多芯控制接线柱检查。将多芯中的a、e接线柱短接，若有响声则证明电磁阀工作正常。将a、d接线柱短接，若有电压值而无电流值则证明焊接电路正常。用电压表测量a、b接线柱之间电压，若为24V～26.5V则正常，否则可能是电源接线盒内的2、4线未接好。

焊接设备检查，除了检查硬件外，还应检查其软件，即焊接参数。焊接设备中所存储的焊接参数，只具有相对意义，并没有实际意义。即使是同样的参数，在不同的焊机上所代表的实际意义也是不同的。所以我们每天焊接前不但要检查参数，而且还要对其进行校核。这主要包括焊接速度、送丝速度、摆动频率、摆幅、左右停留时间等参数，确定它们所代表实际焊接参数在焊接工艺规程中所规定的范围内。

另外，焊接轨道也应仔细检查。装载焊接小车时，应上下拉动，确保小车行走通畅。若不通畅，则应检查轨道是否在一个平面上、轨道固定螺丝与制管焊缝是否错开、小车管径调节器所对管径与实际焊接管径是否相符。

4.3施焊工艺

自动焊适用于直径不小于φ305mm的管道焊接。每层焊道一般由两名焊工同时施焊。由于自动焊焊机机头较大且对于风较为敏感，所以两名焊工宜同时焊接、打磨接头。应一人先从平焊位置焊接，另一人从立焊位置焊接，之后同时停机打磨。打磨好接头后再继续施焊。施焊顺序如图4.3.1。

图4.3.1 施焊顺序

自动焊打底是整个焊接过程中难度最大的。首先，自动焊打底引弧时及易穿丝。有两种解决方法，第一种是在引弧时不要焊丝干伸长；第二种是引弧时将焊炬对准坡口引弧，引弧之后立即进行横向调节。两种方法以第二种方法的效果好，但这种方法对于焊工的要求较高，而第一种方法虽然效果差一点，对焊工要求相对要低。其次，打底焊接是整个焊接过程中焊速最难控制的，尤其是平焊位置若是过快就易穿丝，但若是过慢又易出现焊瘤，这就需要焊工通过对熔池的观察来随时进行调节。过了平焊位置，焊接速度就可以逐渐加快。虽然自动焊打底的时间并不比半自动焊打底的时间少多少，但是自动焊减轻了焊工劳动强度，能保证焊接质量，而且降低了对焊工的操作技能要求。另外，打底时在仰焊位置由于自重的影响，容易出现内凹缺陷，这可以通过减小焊丝干伸长及适当加快焊接速度来解决。

自动焊焊接时，其焊丝与管壁并没有完全接触上，是靠熔池溢出而成，所以熔合性较差。当使用复合坡口时，两种角度交界处最易因此出现未熔合缺陷。所以该层参数设置时，其摆幅、停留时间都不应过小，焊接速度也不应过大。当使用V型坡口时，在盖面时最易出现未熔合缺陷。在最后一层填充时，若是未将V型坡口顶部完全熔合，没有形成圆滑过渡，在盖面时就容易出现未熔合缺陷。

在焊接过程中，应仔细注意焊道变化。自动焊轨道在架设时，肯定会有一定误差以及焊接变形等因素，所以焊接时焊工应随时注意，一旦发现焊炬不在中心时，立即进行横向调节。而纵向调节则是根据焊丝长度是否符合焊接工艺规程中的规定来决定。

在盖面过程中，自动焊与手工焊及半自动焊接一样，仰焊最难掌握。一方面由于熔池自身重力的作用，熔池往下坠，所以必须将焊接速度调大。但这样以来，摆动频率以及摆幅就相对的减小了，使得仰焊难成型，并且容易出现未熔合、咬边等缺陷。因此在调大焊接速度的同时，还应调大摆动频率及摆幅。这就要求焊工对自动焊机的调节控制按钮极为熟练。

5．结论

焊缝经外观检查，焊缝外观成型均匀一致，焊缝及其附近表面上无裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷；焊缝表面余高可控制在0—2.0mm以内，焊后错边量小于1/8管壁厚；焊缝宽度比外表面坡口每侧增加0.5～2.0mm，咬边深度不超过0.5mm。

外观检查合格后进行无损检测，符合《西气东输管道工程管道对接焊缝射线检测标准》、符合《西气东输管道工程管道对接焊缝全自动超声波探伤检测标准》。经力学性能试验，其强度、冷弯、冲击韧性等都符合西气东输有关标准要求。