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现代轨道式自动焊接技术的新发展（下） |
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作者：珠海固得焊接自动化设备有限公司 陈裕川 |
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摘要：本文简要地叙述了轨道式焊接技术的发展概况，主要应用领域及其工艺特点。系统地论述现代轨道式自动焊接设备的基本构成、功能和技术特性。详细地介绍了管道接头轨道式自动焊接技术——全位置焊接机头和焊接过程的程控技术以及为确保接头质量而开发的实时数据采集系统。最后列举了各工业部门成功的应用实例。
关键词：轨道式焊接；管/管接头；管/管板接头；焊接过程的程控 自熔轨道焊接
现代轨道式自动焊接技术的新发展（上）
6轨道式自动焊接工艺
综上所述，现代轨道式自动焊接设备是一种相当精密的焊接机器，而管/管和管/管板接头的轨道式全位置TIG 焊工艺也必须按精细制造的原则来制定。按照所焊接头的直径、壁厚及对其的技术要求，轨道式自动焊工艺可分自熔TIG焊工艺和填丝TIG焊工艺两大类。按所焊接头形式分为管/管接头自动焊工艺和管/管板接头自动焊工艺。
6.1管/管接头自动TIG焊工艺
6.1.1管/管接头自熔TIG焊工艺
自熔TIG焊工艺是将接头两侧的母材在氩弧高温作用下共熔而形成焊缝的过程。在焊接过程中不添加任何填充金属。全位置自熔TIG焊工艺的适用范围：管径1.6~170mm，壁厚0.2~3.0mm。可焊的管材主要是铬镍不锈钢，镍合金和钛及其合金，在某些工况下，也可焊接低合金钢。
管/管接头自熔TIG焊工艺主要包括接头边缘的制备与组对，钨极端部的磨削，保护气体和背面成形气体的选配和焊接工艺参数的确定。
6.1.1.1接头边缘的制备与组对
管/管接头自熔TIG焊要求采用图91所示的直边对接接头。为保证焊缝的组对质量，管端边缘应加工成准确的直角，端面应高度平行，因此必须采用精密的管端加工机床制备，图92示出这种管端加工机床的外形。
图91 管/管直边对接接头形式及组对要求
图92 精密管端加工机床
待焊管件在组对前应仔细清除边缘的毛刺，清理焊接区的内外表面，彻底去除油脂、水分和其他污染物。
两待焊管件组对时应相互顶紧，不留任何间隙。局部的间隙不应超过壁厚的5%，当间隙达到或超过壁厚的10%，就不易保证焊接质量。两管件应精确对中，错边量不应大于管子名义壁厚的±5%，为保证管件的组对质量，可以采用图93所示装配夹具，避免用焊头进行强制对中。
管件组对合格后，一般可采用手工TIG焊点固定位。点固焊时，管内应通保护气体，防止点焊区产生任何氧化色，点固焊缝的宽度应小于成品焊缝，并应保证焊接过程中完全被重熔, 否则会导致成品焊缝产生各种缺陷，因此，对于直径较大的管件最好采用图94所示内胀式定位装置，并兼有环形送气的功能。
6.1.1.2钨极端部的磨削
在TIG焊中，钨极端部的形状对于电弧的稳定性，集中程度以及焊接熔池的尺寸起着很重要的作用。特别是在管/管接头全位置TIG焊中，往往成为保持焊接质量一致性的关键。钨极尖端的形状通常以锥度“A”和尖端直径“M”表示，如图95所示。锥度A（角度）对电弧形态和焊缝轮廓的影响示于图96。钨极锥度和平尖端直径越大，可承受的焊接电流越大，对于管/管接头全位置TIG焊，最佳的钨极端部锥度为18°~30°，平尖端的直径为0.1~0.5mm。
为保证同一批管件焊接质量的一致性，钨极端部的形状应始终保持相同。但在连续焊接过程中，钨极的损耗是不可避免的，必须更换已烧损的钨极。这就对钨极端部修磨工艺提出严格的要求。常用的手工磨削已完全不适用，而必须采用图97所示的自动钨极磨尖机。
已列入标准的钨极材料有纯钨极, 钍钨极和铈钨极。后两种钨极比纯钨极更易引弧，电弧燃烧更稳定。钍钨极与铈钨极相比，前者有轻微的放射性，故推荐采用铈钨极。
6.1.1.3保护气体的适用
在管/管接头的全位置TIG焊中，通常要求对焊接区内外表面进行充分的保护，避免产生任何氧化反应，最常用的保护气体是工业纯氩。氦气主要用于铜合金的TIG焊，为增加熔深，也可采用不同配比的Ar-He或Ar-H2混合气体。这些气体对熔深的影响示于图98。为提高厚壁管接头的焊接效率，推荐采用He 75/Ar25混合气体。但从经济性考虑，大都选用工业纯Ar。
6.2管/管板接头自动TIG焊工艺
在化工、炼油和热电核电站装置中管式热交换器及冷凝器是不可缺少的重要设备，其典型的结构如图111所示，主要由壳体、管系和管板等部件组成。而管系与管板的连接目前大部分采用焊接方法，部分热交换器的管子/管板接头也采用焊接+胀接的制造工艺。管子/管板接头的形式主要取决于热交换设备的工作条件，包括温度、压力和工作介质。可以分别采用平齐式、外伸式、内缩式和无间隙式。
按照管子/管板接头的质量要求，可以采用焊条电弧焊、细丝MIG/MAG 焊和自动TIG焊。多年的生产实践证明, 自动TIG焊焊接的管子/管板接头质量最好，且稳定可靠。因此现代工业装备制造行业中，基本上都优先采用自动TIG焊方法焊接热交换器的管子/管板接头。
6.2.1管子/管板接头的焊前准备
管子/管板接头的焊前准备工作对于保证接头的焊接质量起着十分重要的作用，必须严格按以下要求执行。
6.2.1.1 保证管子内外径的同心度
为保证管子内外径足够的同心度, 应当选用经过精整的无缝钢管。对于平齐式、外伸式和内缩式管子/管板接头，都是采取芯轴在管内定位对中，而焊接过程是绕管子的外径进行，因此同心度偏差会引起钨极间距失常。即使电弧长度变化超出容许的范围，导致焊缝成形不规则。
6.2.1.2设计合理的坡口形式
当对管子/管板接头提出较高的强度要求时，通常在管板管孔边缘加工出一定形状的坡口，其中最简单的加工方法是将管孔边缘倒角，即形成单面V形坡口。但这种坡口的缺点是在根部往往会形成如图112所示的未焊透。降低接头的机械强度，特别是疲劳强度。因此，最好采用成形刀具。将管孔边缘加工成J形坡口，以保证焊缝根部良好熔合。
6.2.1.3 减少管壁与管孔之间的间隙
许多热交换设备要求管子/管板接头具有良好的热导性。在这种情况下, 应尽量减少管壁与管孔之间的间隙。通常在焊接之前采取管孔轻胀的方法消除间隙。但扩胀量不宜过大，导致焊接过程中气体不能顺利排出而产生各种缺陷。
6.2.1.4 仔细进行焊前清理
管板表面、管子端面以及管子与管孔接触表面焊前必须仔细清理干净, 去除油污和其他杂质，否则可能在焊缝内部和表面形成不容许的气孔。
6.2.2管子/管板接头自动TIG焊工艺要点
6.2.2.1 平齐式管子/管板接头TIG焊工艺要点
按照热交换器的工作条件和技术要求，平齐式管子/管板接头可以采用图113所示的4种形式，其中第1和第4 种形式的接头，主要使用自熔TIG焊工艺，第2种和第3种形式的接头，必须使用填丝TIG焊工艺。
（１）平齐式接头自熔ＴＩＧ焊工艺要点。轨道式自熔ＴＩＧ焊工艺主要用于图１１３所示第１种和第４种平齐式管子／管板接头，适用的管径范围为１０-２５ｍｍ，管壁厚度小于２ｍｍ。选用ＴＳ２５型之类的三轴（气体、焊接电流、旋转）控制管子／管板焊头。管系与管板大多采取卧式组装，管板垂直于地面，如图１１４所示。
这样接头的焊接位置处于全位置状态，即焊枪围绕管子外壁作３６０°旋转时，焊接位置在不断地变化。管子／管板接头与管／管对接接头相比，由于管板厚度较大，焊缝冷却速度较快，成形较易控制。但为获得成形良好的焊缝，仍需采用低频脉冲直流电进行焊接。焊接工艺参数的制定可参照管／管对接自熔ＴＩＧ焊一节所述的原则。焊接时，焊枪相对于管子轴线的倾角可按图１１５示例，在０°￣１５°之间选取。钨极端应向管板侧偏移一定距离（Ｘ）。
（２）平齐式接头填丝ＴＩＧ焊工艺要点。填丝ＴＩＧ焊工艺主要用于图１１３所示第２种和第３种开坡口接头形式。在这种情况下，必须使用装有送丝机或可外接送丝机的管子／管板焊头。为保证焊接过程稳定，最好选用具有ＡＶＣ控制功能的焊头。开坡口的平齐式接头通常要求焊接２层，第一层为密封焊缝，保证根部熔合，第２层填满坡口，以提高接头的机械强度。在焊接过程中，焊枪、填充丝与接缝的相对位置示于图１１６。图１１７示出采用ＴＳ６０形开启式管子／管板焊头焊接开坡口平齐式接头的实况。
６．２．２．２ 外伸式管子／管板接头ＴＩＧ焊工艺要点
最常用的外伸式管子／管板接头形式如图１１８所示。第１种不开坡口的标准型外伸式接头通常采用填丝ＴＩＧ焊工艺。在某些情况下，为保证根部焊透，要求第一层自熔ＴＩＧ焊，第２层填丝。
对于开坡口外伸式接头，管端伸出长度从坡口底部测量至少为５ｍｍ，如图１１９所示，以避免熔塌管端边缘。焊枪倾角可选择１５°或３０°。对于薄壁管（１．６-２．１１ｍｍ），焊枪倾角应选用１５°，以避免管子内壁熔化，对于厚壁管（２．５ｍｍ以上），如果管间距足够大则焊枪倾角以３０°为宜。
外伸式接头的焊接应配用４轴或５轴控制的焊头。如对接头的焊接质量要求较高，最好选用具有ＡＶＣ控制功能的焊头，这样可以自动调节钨极至管板表面的距离，使整圈焊缝成形良好。此外应十分注意钨极与填充丝相对位置各参数的调整。图１２０示出外伸式管子／管板接头焊接时钨极与填充丝相对位置示例。焊缝的外观见图１２１。
６．２．２．３ 内缩式管子／管板接头ＴＩＧ焊工艺要点
按热交换设备的工作参数，内缩式管子／管板接头可以分别选用图１２２所示的接头形式。其中第１种是最简单的标准型内缩式接头。第２、３种为开坡口的内缩式接头，管孔边缘加工出Ｊ形及Ｖ形坡口，以增强焊缝的承载能力。第４种接头是管端与管孔背面端接，形成图１２３所示的全焊透焊缝。这种接头形式主要用于工作介质腐蚀性较强的热交换设备，并要求采用特种结构的焊头（见图１２４）进行焊接。
内缩式接头与外伸式接头不同，容许开Ｖ形坡口，而不致形成根部缺陷，第２种或第３种内缩式接头组装时，管子端面应略为伸出坡口底面，以改善焊缝的成形。开坡口内缩式接头通常焊接二层，第一层为密封焊缝，第二层加强焊缝。图１２５示出内缩式开坡口接头焊接时，钨极、填充丝与坡口面的相对位置。
某些热交换设备因运行条件特殊，要求采用双层结构的管板，如图１２６所示。对于这种管板形式，为完成焊接过程，焊枪必须穿过第一层管板的管孔。因此要求采用图１２７所示的长杆式焊枪，并配备特殊的夹紧定位机构和微型ＡＶＣ控制器。图１２８示出双层管板管子／管板接头的焊接实况。
图126 双层管板结构示意图
６．２．２．４无间隙式管子／管板接头ＴＩＧ焊工艺要点
上述平齐式、外伸式和内缩式管子／管板接头均存在一种不可克服的结构性致命缺点，即焊缝根部总是有一定量的间隙，热交换设备长期运行中接头根部会产生不同程度的间隙腐蚀。为从根本上消除这些弊病，必须采用图１２９所示的无间隙式管子／管板接头。
其中第１种形式是最简单的标准型接头，缺点是管子与管板接合处的厚度相差较大，往往会导致管孔边缘熔透不足。因此常用于管板厚度较薄的低压热交换器。
第２种形式是在管孔的周围加工出一定深度的凹槽，使管孔边缘的厚度与相焊管子的壁厚相等，这样就解决了接头两侧熔透不均的问题。实际上相当于管／管对接，简化了焊接工艺。
第３种形式是在管孔边缘加工出一个凸缘，其内径与管子外径成紧配合，焊前将管端插入，形成搭接接头。其优点是管子与管孔容易对中，焊接过程中，管孔凸缘被熔化作为填充金属增加焊缝的厚度，改善焊缝的成形。唯一的缺点是管孔加工较复杂费工。
由于这些形式的接头只能设置在管板的背面，焊接时，焊枪必须伸入到管孔的底部进行所谓内孔焊。图１３０示出管子／管板接头内孔焊时焊枪在管孔内定位和对中方式。
无间隙管子／管板接头内孔焊时，为保证焊缝的质量，要求对焊缝的背面进行气体保护。此外，内孔焊的难点在于焊工不能观察焊接过程，焊接过程无法调节，只能依靠精确保证管板平面至接缝的距离控制焊接质量。对于内径大于３５ｍｍ的管子／管板接头，亦可采用加填充丝自动ＴＩＧ焊。
管子规格为Φ３２ｍｍ×３．２ｍｍ管板接头内孔焊典型焊接工艺参数列举如下：
焊接电流（直流脉冲）：８０-２００Ａ
电弧电压：１０-１８Ｖ
焊接速度：６０-１００ｍｍ／ｍｉｎ
填充丝：０．８ｍｍ
保护气体，根部层７５Ｈｅ／２５Ａｒ，填充盖面层Ａｒ
保护气流量：６-１０Ｌ／ｍｉｎ
图１３１示出一台大型管式热交换器无间隙管子／管板接头内孔焊的实况以及焊枪在管孔内的姿态。
７提高轨道式自动焊效率的途径
上述管／管板接头轨道式自动焊是以ＴＩＧ焊方法为基础的。由于这种焊接方法良好的工艺性，对各种焊接位置的适应性以及优异的焊接质量，使轨道式自动ＴＩＧ焊在许多管道铺设工程中得到推广应用。但在焊接大直径厚壁管接头时，这种焊接方法较低的效率就成为一种不可忽视的缺点。全位置填丝ＴＩＧ焊的最高熔敷率仅为０．５ｋｇ／ｈ。
近年来，各类输送管道工作参数（压力、温度）不断提高，大直径厚壁管应用范围日见扩大，因此，提高轨道式自动焊的效率成为必须攻克的技术难关。经过多年的努力，目前已开发出以下几种先进的焊接工艺，使轨道式自动焊的效率倍增：１）采用窄间隙焊技术；２）采用热丝ＴＩＧ焊或热丝ＴＩＧ窄间隙焊技术；３）采用ＭＩＧ／ＭＡＧ焊工艺或药芯焊丝电弧焊（ＦＣＡＷ）工艺。
７．１管／管接头轨道式窄间隙自动ＴＩＧ焊
窄间隙焊技术是通过缩减焊缝截面积提高焊接效率的一种工艺方法。ＴＩＧ焊由于焊接过程不产生熔渣，为利用这种技术创造了先决条件，可以单层单道焊在８-１２ｍｍ的窄缝内完成厚壁接头的焊接。图１３２示出常规ＴＩＧ焊坡口焊缝截面积与窄间隙焊缝截面积的比较，对于厚６０ｍｍ的接头，相差约为３倍，即在采用相同的焊接参数条件下，焊接效率将提高３倍。
图１３３示出厚壁接头窄间隙自动TIG焊焊缝的横截面。从中可见，焊缝层间已经焊缝与母材之间均熔合良好，焊缝质量优良。这说明，窄间隙自动TIG焊工艺方法在技术上是可行的。当接头壁厚大于25mm，就可取得明显的经济效益。
在推广窄间隙自动TIG焊中，除了选定合适的焊接工艺参数外，最关键的技术是必须研制出能伸入到窄间隙内扁平结构的焊枪。图134示出这种焊枪的结构示意图。目前已生产出可焊接壁厚最大为200mm的窄间隙自动TIG焊焊枪。
轨道式窄间隙自动TIG焊已在管道的焊接工程中得到成功的应用。表11列出φ348mmX65mm合金钢管对接接头窄间隙自动TIG焊的典型焊接参数。
为保证窄间隙自动TIG焊过程中焊道与接头侧壁的良好熔合，最近还开发出钨极可转动的窄间隙TIG焊焊枪。图135示出这种焊枪的外形，从中可见，钨极端部是弯曲的，使其转动时电弧向接头的侧壁左右偏转。图136示出采用这种焊枪焊接时，电弧向左偏转的瞬态。焊头的导丝嘴随电弧同步偏转。图137示出大直径壁厚管窄间隙TIG焊实况。
7.2 管/管接头轨道式热丝TIG焊
热丝TIG焊是从增加填充丝的熔敷率提高焊接效率的TIG焊工艺方法，其原理如图138所示。填充丝在送人焊接熔池之前，由一独立电源将其加热至红热状态（约850℃），这就显著加快了焊丝的熔化速度。图139对比了冷丝TIG焊和热丝TIG焊焊丝的熔敷率。从图示曲线可见，在相同的焊接电流下，热丝TIG焊的熔敷率比冷丝TIG焊高1倍左右。
在管/管接头轨道式自动TIG焊中，可利用的最高熔敷率为1.0kg/h，大大高于普通冷丝ＴＩＧ焊。关于热丝ＴＩＧ焊工艺与设备可参阅参考文献［１２］。厚壁管对接接头轨道式热丝ＴＩＧ焊的实况见图１４０。Φ１６８ｍｍ×１３ｍｍ管／管对接标准Ｖ形坡口冷丝ＴＩＧ焊和热丝ＴＩＧ焊的典型焊接参数和各层的焊接时间列于表１２。
对于壁厚大于２５ｍｍ的厚壁管接头，将窄间隙焊技术与热丝ＴＩＧ焊结合起来可大大地提高焊接效率，并由于焊道层间的回火作用，显著地改善焊缝金属的性能。图１４０示出厚壁管接头窄间隙热丝ＴＩＧ焊过程实况。表１３列出Ｐ２１９ｍｍ×４０ｍｍ厚壁管对接接头窄间隙热丝ＴＩＧ焊典型焊接工艺参数。坡口的形状和尺寸见图１４１。
７．３ 管／管接头轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊或ＦＣＡＷ焊
在大直径输送管线现场安装施工中，目前最常用的焊接方法是焊条电弧焊和手工ＭＩＧ／ＭＡＧ焊，由于各种技术上的原因，轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊迟迟未能得到推广应用。直到上世纪９０年代初，一系列焊接技术革命，包括全数字控制ＭＩＧ／ＭＡＧ焊设备，波形控制ＭＩＧ／ＭＡＧ焊技术，双丝串列ＭＩＧ／ＭＡＧ高效焊接法和相应焊接材料以及轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊设备的开发成功（详见参考文献［１１］［１３］），使自动ＭＩＧ／ＭＡＧ或ＦＡＣＷ焊接成为大直径输送管线现场安装工程优先选用的焊接工艺法。
轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ（ＦＣＡＷ）焊的最大优势在于其焊接效率大大高于传统的焊条电弧焊和手工ＭＩＧ／ＭＡＧ。图１４２对比了管线安装焊接工况下，三种焊接方法的熔敷率，熔敷效率和负载持续率。由图可见，这三项焊接效率指标，轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ（ＦＣＡＷ）焊明显高于其他两种焊接方法。
轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ（ＦＣＡＷ）焊另一个重要优点是焊缝质量的合格率和一致性大大优于焊条电弧焊和手工ＭＩＧ／ＭＡＧ焊。这是因为现代轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机大都配备当代最先进的全数字控制ＭＩＧ／ＭＡＧ焊设备和计算机程序控制系统。焊接参数一经设定，在整个焊接过程中可始终精确保持不变，并可重复使用，从而确保了焊接质量的一致性。
７．３．１轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊设备
在国际上，美国Ｍａｇｎａｔｅｃｈ公司率先研制成功适用于管线安装焊接的轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机，近几年经过不断改进，目前已定型批量生产投放市场。图１４３示出该公司生产的ＰＩＰＥＬＩＮＥＲ６０９型，轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机外形，其由精密柔性环形导轨、大功率爬行小车、机载送丝机、焊接机头、焊枪电动调节机构和焊枪横摆器以及控制系统等组成，适用的管径范围φ１６８ｍｍ以上，壁厚不限。这种新型轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机已成功应用于多项大型管线建设工程。图１４４示出其在管线现场安装焊接中应用的实况。ＰＩＰＥ－ＬＩＮＥＲ６０９型轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ（Ｆ－ＣＡＷ）机的主要技术特性参数列于表１４。其外形尺寸和重量见图１４５。
图１４５附表中列出了３种型号，主要区别在于所配送丝机形式不同。６０９ＷＦＯＦ型配外接送丝机；６０９ＷＦＰＰ型配推－拉式送丝机，整套焊接系统的配置如图１４６所示。６０９ＷＦＯＨ型配机载送丝机，其重量不包括送丝盘的重量。
ＰＩＰＥＬＩＮＥＲ
６０９型轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机选配了ＭＰＳ－４０００型全数字控制ＭＩＧ／ＭＡＧ焊电源，这种电源实际上是奥地利Ｆｒｏｎｉｕｓ公司ＴＰＳ－４０００型焊接电源的翻版，其功能和技术特性详见参考文献［１１］。亦可选配其他公司生产的数字化ＭＩＧ／ＭＡＧ焊电源，例如美国Ｌｉｎｃｏｌｎ公司的ＰＷ４５５Ｍ／ＳＴＴ型焊接电源。
为适应大型输送管线建设世界性快速发展的需要，法国Ｐｏｌｙｓｏｕｄｅ公司作为专业生产轨道式自动焊接设备的厂商，近期也研制成功适用于管线现场安装焊接的大直径管自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊系统，定名为ＰＯＬＹＣＡＲＭＰ（ＭｕｌｔｉＰｒ－ｏｃｅｓｓ）。意即可采用多种焊接方法（包括ＭＩＧ／ＭＡＧ）的小车式轨道自动焊机。这种自动焊接系统的外形见图１４７。
其结构如图１４８所示，主要由不锈钢环形导轨，闭环控制电动爬行小车，焊枪电动拖板及倾斜和横摆机构，机载送丝机，水冷焊枪，焊头定位编码器和控制盒等组成。ＰＯＬＹＣＡＲＭＰ轨道式自动焊机的主要技术特性参数列于表１５。其外形尺寸见图１４９。
ＰＯＬＹＣＡＲＭＰ轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机已在大型管线现场安装焊接中得到成功的应用。图１５０示出其现场安装焊接实况。
７．３．２轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊工艺
轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊最主要的应用领域是大直径输送管线铺设工程。所用管材均为钢板卷制成形纵缝焊接管或螺旋线焊接管，与小直径无缝钢管相比，管子的直径和圆度公差要大得多，管端的坡口加工精度也难以保证。在这种工况条件下，试图实现全自动的ＭＩＧ／ＭＡＧ焊，是对焊接工艺的严峻挑战。因此对每项管线焊接工程作出认真仔细的分析，制定最合理的焊接工艺方案是至关重要的。
在大直径管线现场安装焊接中，通常可采用图１５１所示的３种形式坡口，其焊接工艺也随之发生变化。
图示第１种带铜衬环的Ｖ形坡口接缝，焊接工艺较简单，可以采用手工或自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊进行根部焊道的焊接，并可选用较高的焊接电流，达到较高的焊接速度。其缺点是存在焊缝渗铜的危险。同时，要保证铜衬环表面与接缝背面完全贴合，必须使用相应的工夹具，提高了生产成本。此外，焊缝背面往往需要修补和打磨，增加了辅助时间，延长了施工周期。因此，这是一种在经济上不可取的解决方案。
第２种是无装配间隙的Ｊ形坡口接缝。其根部焊道可以采用自动ＴＩＧ焊或自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊来完成。当壁厚大于１０ｍｍ时，Ｊ形坡口与Ｖ形坡口相比，熔敷金属的填充量明显减少。同时，由于接缝无装配间隙，简化了组装工艺。
这种工艺方案的缺点是管端坡口必须经机械加工，接缝对准的要求比较严格，在大多数的情况下，必须利用图１５２所示的气动或液夹紧装置进行对中和装配。
接缝的填充层可采用实心焊丝ＭＩＧ／ＭＡＧ焊或药芯焊丝气体保护焊。焊接过程中焊枪稍作摆动，以保证坡口侧壁良好的熔合。总的焊接效率高于Ｖ形坡口接缝。
第３种是留一定间隙的Ｖ形坡口接缝。其根部焊道可以分别采用手工ＴＩＧ焊，焊条电弧焊和手工ＭＩＧ／ＭＡＧ焊。近年来，美国Ｌｉｎｃｏｌｎ公司开发的ＳＴＴ法（表面张力过渡法，详见参考文献［１１］）和Ｍｉｌｌｅｒ公司开发的ＲＭＤ法在管线安装工程中得到普遍推广应用。采用手工或自动ＳＴＴ法焊接根部焊道是目前最经济、最合理的工艺方法。法国ＰＯＬＹＳＯＵＤＥ公司为实现ＳＴＴ法焊接根部焊道的全自动化，开发成功了ＰＯＷＩＮ专用计算机软件，可按接缝的实际根部间隙修正焊枪横摆宽度、焊头旋转速度和送丝速度。以确保根部焊道良好的成形。图１５３示出大直径管Ｖ形坡口接缝，根部焊道ＳＴＴ法自动焊接的实况。
大量试验结果和生产经验表明，大直径管线Ｖ形坡口接缝，当采用全位置ＭＩＧ／ＭＡＧ焊时，接头装配间隙应控制在２．５-４ｍｍ之内，错边最大容许２ｍｍ。整个接头通常分为三层：根部焊道、加厚焊道和填充焊道，如图１５４所示。
以下列举两项大直径管线轨道式自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊工艺细则：
１、φ５０８ｍｍ×１３ｍｍ碳钢管Ｖ形坡口接缝全位置ＭＩＧ／ＭＡＧ焊工艺细则
焊接设备：ＰＯＬＹＣＡＲＭＰ小车式轨道自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机配ＬｉｎｃｏｌｎＰＷ４５５Ｒ波控焊接电源
保护气体：８２％Ａｒ＋１８％ＣＯ
焊接材料：根部焊道采用Ｇ３ｓｉ１（ＥＮ４４０）φ１．２ｍｍ实心焊丝。
填充层采用Ｅ７１Ｔ１（ＡＷＳ５．２０）φ１．２ｍｍ药芯焊丝。
坡口形状和尺寸以及焊缝层次示于图１５５。
接缝装配定位：采用ＴＩＧ焊４点固定位，最大错边量２ｍｍ。
根部焊道焊接采用自动ＳＴＴ法，分４个区段（１２ｈ／３ｈ／６ｈ／９ｈ）向下焊。根部焊道厚度为４．５￣５ｍｍ。
填充层采用药芯焊丝气体保护焊，焊接方向上坡焊，每层厚度４-４．５ｍｍ，分３层焊满，其中第１层为加厚层，选用较低的焊接电流。第３、４层改用较高的焊接电流，详细焊接工艺参数列于表１６。
焊缝经Ｘ射线检测，质量完全符合现行管线工程施工及验收规范的要求。
２、Ｐ１２２０ｍｍ×２０ｍｍ碳钢管Ｊ形坡口接缝全位置ＭＩＧ／ＭＡＧ焊工艺细则
焊接设备：ＰＯＬＹＣＡＲＭＰ小车式轨道自动ＭＩＧ／ＭＡＧ焊机配ＬｉｎｃｏｌｎＰＷ４５５Ｒ波控焊接电源
保护气体：根部焊道和加厚层８２％Ａｒ＋１８％ＣＯ填充层１００％ＣＯ
焊接材料：根部焊道和加厚层φ１．２ｍｍＧ４ｓｉｌ实心焊丝。
填充层φ１．２ｍｍＥ７１Ｔ１药芯焊丝。
坡口形状和尺寸以及焊缝层次示于图１５６。
接缝装配定位：采用气动夹紧装置组装定位。
最大间隙０．５ｍｍ，最大错边１．５ｍｍ。根部焊道采用自动ＳＴＴ法分２区段，并稍作摆动。加厚层以ＭＩＧ／ＭＡＧ焊分区段向上焊接。根部焊道＋加厚层总厚度为５．５-６ｍｍ。
填充层分２区段ＦＣＡＷ向上焊，每层厚度为４-４．５ｍｍ。
详细的焊接工艺参数列于表１７。图１５７示出Ｊ形坡口接缝填充焊道全位置ＭＩＧ／ＭＡＧ焊实况。
８结束语
８．１轨道式自动焊接技术经历了５０多年的发展，目前已成为一种先进的精细制造技术，广泛应用于各高端制造工业部门，如航天航空工程、半导体器材制造业、火电核电设备制造业、制药、生物工程和石油化工装备制造业等，并对这些制造业的快速发展作出了积极的贡献。
８．２采用轨道式自动焊接技术与常用的手工焊方法相比，不仅明显改善了焊缝的质量，而且还大大提高了焊接效率，并降低了生产成本。虽然轨道式自动焊设备的价格远高于手工焊设备，但经成本核算，在批量生产条件下，其设备投资可在１￣２年得到回收。８．３今后１０年内，由于高级熟练焊工短缺日渐严重，劳务费用不断高涨，以及现代规模化工业发展的加快，轨道式自动焊接技术的应用领域必将逐年扩大。我国焊接设备制造业应认清这一发展方向，积极开发各种轨道式自动焊设备，尽快形成商品化生产，以满足国内广大用户的迫切需要。(end)
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(4/17/2014) |
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