CN101077547A - 大厚壁管道窄间隙钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大厚壁管道窄间隙钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法，所述管道的直径≥325mm，壁厚大于等于40mm，包括步骤：使所述管道母材的相对端部形成焊前组合坡口，对根部钝边和下钝边的底部进行打底焊接，对下钝边和上坡口进行填充焊接，所述填充焊接为单层单道焊，以及对上坡口的顶部进行盖面焊接，盖面焊接可以采用线性焊道或摆动焊道。本发明的方法具有焊接熔敷金属的填充量小、焊接成本相对比较低、焊接效率高等优点。

Description

大厚壁管道窄间隙钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法

技术领域

本发明涉及一种大厚壁管道全位置自动焊接方法，尤其是涉及一种使用诸如大厚壁管道窄间隙钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法。

背景技术

目前，国内外采用管道全位置自动焊的工艺主要有TIG气体保护焊工艺和MIG气体保护焊工艺，而这两种工艺主要应用焊接小直径薄壁管(管道直径φ＜325mm、管壁厚度h＜40mm＝＝＝的焊接。对于大厚壁管道(管道直径φ≥325mm、管壁厚度h≥40mm)焊接通常采用的是手工氩弧焊打底和焊条电弧填层和盖面的工艺(以下简称氩电联合焊接工艺)，其坡口型式大都为双″U″形组合坡口，焊接采用单层多道焊，在图1中形式了氩电联合焊接工艺涉及到的常见焊接坡口型式，在图2中显示了氩电联合焊接工艺焊接的单层多道焊的焊缝示意图。

通常，管道全位置自动焊机由焊接电源、电视监控系统、遥控器、焊接机头、焊接轨道以及焊枪等六大部分组成。该焊机电源是一种脉冲逆变电源，具有弧长自动控制、实时监控、焊枪横摆控制、叠加高频脉冲等功能。脉冲TIG自动焊可调工艺参数多，能够精确地控制焊接热输入以及熔池的形状和尺寸，可以用较低的热输入获得较大的熔深，从而减小了焊接热影响区和焊件变形。在焊接过程中，脉冲电流对点状熔池有较强的搅拌作用，而且熔池金属冷凝快，高温停留时间短，焊缝金属组织细密。该种设备提供管道焊接的基本功能，给定的参数可调节范围大，在焊接管道时需要根据工艺要求，根据焊接管道的母材的尺寸、坡口型式和尺寸等因素选择所需要的焊接工艺参数。

对于大厚壁管道的焊接来说，对于常用的如图1所示的坡口，采用上述管道全位置自动焊机的氩电联合焊接工艺存在以下缺点：

1.氩电联合焊接工艺的坡口宽，焊接熔敷金属的填充量大，焊接消耗材料量是窄间隙自动焊工艺的坡口的4～5倍；

2.氩电联合焊接工艺的坡口宽，焊接熔敷金属的填充量大，焊接周期相对较长。

3.氩电联合焊接工艺的坡口的型式和尺寸决定了在进行焊接时，采用单层多道焊进行焊接。

发明内容

为了克服现有的大厚壁管道氩电联合焊接工艺坡口所存在的缺点，提出一种能够提高焊接效率、减少填充消耗材料量的大厚壁管道窄间隙钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法。为此，本发明的利用现有的上述全自动焊接设备提供的功能，开发出一种适合大厚壁管道焊接的坡口型式以及焊接该种坡口管道的特定范围的焊接工艺参数。该方法开发的大厚壁管道焊接的坡口型式可以实现单层单道窄间隙焊接，其坡口称为窄间隙坡口，其工艺简称为窄间隙自动焊工艺。

在本发明提出的大厚壁管道窄间隙钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法中，管道的直径≥325mm，管道的壁厚≥40mm，包括步骤：使所述管道母材的相对端部形成焊前组合坡口，所述组合坡口包括上坡口和下坡口，上坡口由上坡口角度β限定，下坡口包括由下坡口角度α限定的下钝边和从下钝边的底部突出的根部钝边，其中下坡口角度α大于上部坡口角度β，上钝边与下钝边相交，其中根部钝边高度H1的范围为1.0mm～4mm，根部钝边宽度W1的范围为1.5mm～4mm，上坡口的顶部宽度W的范围为18mm～24mm，下坡口角度α的范围为20°～60°；上坡口角度β的范围为4°～10°；下坡口高度H2的范围为8mm～25mm，组对间隙G的范围为0～1.0mm；管道内部镗口宽度W2范围：20mm～60mm；其中，所述焊接方法还包括步骤：对根部钝边和下钝边的底部进行打底焊接，对下钝边和上坡口进行填充焊接，所述填充焊接为单层单道焊，以及对上坡口的顶部进行盖面焊接。

在上述方法中，在打底焊接的步骤中，设定焊接电源的电压基值范围为0V～5V，电压峰值的范围为8.0V～10V，电流基值的范围为80A～200A，电流峰值的范围为150A～260A，焊丝的基值送丝速度为0～15inch/min，焊丝的峰值送丝速度为5～20inch/min，焊接的速度为2～5inch/min，焊丝直径范围为φ0.8mm-φ1.2mm。

在上述方法中，在填充焊接的步骤中，设定焊接电源的电压基值范围为0V～5V，电压峰值的范围为9V～12V，电流基值的范围为100A～300A，电流峰值的范围为180A～380A，焊丝的基值送丝速度为0～65inch/min，焊丝的峰值送丝速度为20～70inch/min，焊接的速度为2～6inch/min，焊丝直径范围为φ0.8mm-φ1.2mm。

优选的是，在形成焊前组合坡口的步骤中，根部钝边高度H1的范围为2mm～3mm，根部钝边宽度W1的范围为2mm～3mm，上坡口的顶部宽度W的范围为18mm～24mm，下坡口角度α的范围为20°～40°；上坡口角度β的范围为6°～8°；下坡口高度H2的范围为15mm～25mm，根部钝边过渡圆弧半径R范围：1.5mm～3mm，管材直径的范围为680mm～1000mm、管材厚度范围H3为40mm～100mm。

通过本发明的上述技术方案，相对于现有氩电联合焊接工艺技术，具有以下优点：

1.窄间隙自动焊工艺的坡口窄，焊接熔敷金属的填充量小，焊接成本相对比较低。

2.窄间隙自动焊工艺的坡口可以实现单层单道焊。

3.窄间隙自动焊工艺焊接效率高，每道焊口的焊接周期相对短。

通过图10A所示氩电联合焊接工艺焊接大厚壁管道的实际焊缝与图10B所示的本发明的实际焊缝之间对比，由此可更加直观地发现本发明所具有的上述优点。

附图说明

图1是现有氩电联合焊接工艺焊接大厚壁管道焊接前坡口型式的示意图；

图2是现有氩电联合焊接工艺焊接大厚壁管道的单层多焊道的示意图；

图3是根据本发明窄间隙自动焊工艺焊接前坡口型式的示意图；

图4是根据本发明的窄间隙自动焊工艺焊接组合型坡口的尺寸截面视图；

图5是根据本发明焊缝的焊道结构的示意图；

图6是根据本发明的单层单道焊的示意图；

图7是根据本发明的第一优选的实施例在不同的管道焊接位置5GT(管子轴线水平)的坡口结构的截面视图；

图8是根据本发明的第二优选的实施例在管道焊接位置为5GT(管子轴线水平)坡口结构的截面视图；

图9是根据本发明的第三优选实施例在管道焊接位置为5GT(管子轴线水平)的坡口结构的截面视图；

图10A和图10B分别是氩电联合焊接工艺焊接大厚壁管道的实际焊缝和本发明焊接的实际焊缝的图片。

图11为焊缝截面尺寸W示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

对于壁厚h在40mm以上的大直径厚管壁管道窄间隙全位置自动焊接，本发明是在传统的氩电联合焊接工艺焊接大厚壁管道坡口的基础上，通过反复的试验和改进，得到了适合大厚壁管道窄间隙自动焊工艺坡口型式和尺寸，如图3所示，通过与图1所示的传统的氩电联合焊接工艺焊接大厚壁管道的坡口相比，本发明提出的坡口宽度明显变窄了，坡口的最大宽度减小为18～24mm，同时坡口的结构形状也明显变化。

图4显示了本发明的厚壁管道焊前的组合型坡口型式的具体尺寸的示意图。两个待焊接厚壁母材管道的相对端部构成组合坡口，该组合坡口包括上坡口和下坡口，上坡口由上部坡口角度β限定，下坡口包括由下坡口角度α限定的下钝边和从下部钝边的底部突出的根部钝边，其中下坡口角度α大于上部坡口角度β，上钝边与下钝边相交，相对的两个根部钝边之间的间隙构成组对根部间隙G，并且在根部钝边的底部和管道母材的内表面之间具有镗口。本发明的组合坡口的形状和尺寸可通过下列参数确定：1)根部钝边高度H1范围：1.0mm～4mm；2)根部钝边宽度W1范围：1.5mm～4mm；3)上坡口的顶部宽度W范围：18mm～24mm；4)下坡口角度α的范围：20°～60°(单边10°～30°)；上部坡口角度β的范围：4°～10°(单边2°～5°)；5)下坡口高度H2范围：8mm～25mm；6)根部钝边与下钝边的过渡连接圆弧半径R范围：1.5～3mm；7)管道直径范围325mm、管道厚度范围H3范围：40～100mm；8)管道组对根部间隙G的范围为0～1.0mm；9)镗口宽度W2范围：20mm～60mm。

本发明在上述开发的组合坡口上，采用窄间隙自动焊工艺，开发出相匹配的焊接工艺参数，包括焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度。只有合适的焊接工艺参数以及与之匹配的坡口型式和尺寸才能完成单层单道的焊接。

图5示意性地显示了本发明的窄间隙自动焊工艺的基本工艺流程的各个部分，包括打底部分10(包括点焊、焊接的第一层到第五层)、填充部分11(打底层以上到填满坡口的焊道)和盖面部分12。

下面对本发明的窄间隙自动焊工艺的内容进行描述：

第一，合理的工艺规范参数包括焊接电流(基值和峰值)、焊接电压(基值和峰值)、送丝速度(基值和峰值)、焊接速度(基值和峰值)，保护气体流量是一个可供选用的范围。

第二，合理的工艺规范参数需要根据打底(包括点焊、焊接的第一层到第五层)、填充(打底层以上到填满坡口的焊道)和盖面来分别设置，焊接过程中根据焊缝截面尺寸W和焊接侧壁实际熔合情况适当的调整焊接参数。在图11中示出了焊缝截面尺寸W。

在施焊过程中打底是要保证管道内表面成型以及侧壁良好的熔合，焊接参数相对比较小。填充时对能量的要求不是很严格，重要的是保证焊道之间没有未熔合以及焊缝里没有气孔、裂纹等缺陷。同时焊接参数的选择必须做到具有一定的效率。对应于焊接参数，焊道每层的厚度可以从1.0mm增加到2.0mm。根据这个要求，合理选择焊接工艺参数。盖面可以采用线性焊道或摆动焊道进行焊接，合理的焊接参数主要是为了保证焊道成形美观，防止产生表面未熔合和咬边等缺陷的产生。

在实际的焊接过程中根据焊缝截面宽度，再结合熔敷金属与侧壁熔合情况选择图6的单层单道方式进行焊接。焊接完成后焊缝外表面宽度保持在10～13mm范围内的。

盖面部分12根据要求，可以采用线性焊道或摆动焊道进行焊接。

下面通过具体的实施例对本发明的窄间隙自动焊工艺进行具体的但不是限制性的描述：

第一优选实施例

以20#325×40的碳钢管道进行2GT和5GT两个焊接位置工艺试验，焊接材料选用H08Mn2Si1.0、焊接坡口型式选用图7所示的坡口型式和尺寸。

在进行该种金属管道的焊接时，管道焊接位置为2GT，焊接机头相对管道做圆周运动时，只有横焊位置。该位置的每道焊接工艺参数保持在一个固定的值，不会因为机头的转动而发生变化。当管道焊接位置为5GT时，焊接过程中位置比较复杂，因此焊接参数会因为焊枪位置不同而稍有变化，整个一圈管道焊接参数是一个动态变化的过程。

管道的坡口尺寸和加工质量决定了焊接参数的大小，在打底焊接时，焊接电流和焊接电压对坡口尺寸参数中的根部钝边高度H1、根部钝边宽度W1两个参数相对来说比较敏感。尤其是在进行点焊时，根部钝边高度H1对焊接电流具有影响。

表1列出了在图7坡口型式和尺寸中，具有不同的根部钝边高度H1的三个坡口实例，分别是坡口1、坡口2和坡口3。

                         表1

坡口3

3.0～4.0

8～12

40°

8°

2～4

1.5～3

在进行“坡口1”打底焊接时，由于根部钝边高度H1尺寸相对偏小，因此焊接电流和焊接电压参数相对较小，具体的焊接参数见表1-1。在进行填充和盖面时，焊接参数主要受焊缝截面尺寸W的影响；由于三种坡口尺寸参数相同，因此焊接参数也基本相同。坡口尺寸参数中钝边宽度W1将影响到焊缝截面尺寸W的大小，当根部钝边宽度W1在2到4mm增大，焊缝截面尺寸W也会增大，因此焊接参数中的焊接电流、焊接电压也会增大。

在进行“坡口2”打底焊接时，由于根部钝边高度H1尺寸比较理想，因此焊接电流和焊接电压参数相对“坡口1”的打底时的点焊参数增大，同样在进行“坡口3”点焊时，焊接电流参数也会增大。“坡口2”的焊接工艺参数见表1-2；“坡口3”的焊接工艺参数见表1-3。

                  表1-1

                    表1-2

                    表1-3

参数说明：下面是以焊接“坡口2”焊接参数说明，在进行点焊时的峰值电流为170A，基值电流为90A；此时的焊接电压峰值为8V、焊接电压的基值在0～5V范围内选择都可；焊接送丝速度的峰值可在5～15inch/min范围内选择、焊接送丝速度的基值可在0～10范围内选择。点焊完成后，在进行其他打底焊道焊接时为了保证坡口根部焊透以及焊缝截面尺寸W达到某个值时，焊接电流的峰值为260A，焊接电流的基值为200A；在进行打底层焊接时，焊接电压参数主要受焊缝截面尺寸W的影响，基本上都保持在9V～11V范围内；焊接送丝速度峰值可在10～30inch/min、焊接送丝速度基值可在10～25inch/min范围内选择，焊接速度基本保持在4.0～6.0inch/min之间。

在进行焊道填充和盖面时，焊接电压基本保持在9～11V范围内、焊接速度也是在一个固定的3～5inch/min范围变化；变化比较大的是焊接电流，电流的峰值也从210A～380A这个区间变化，基值在180A～280A范围内变化。当焊接电流参数(峰值、基值)在一个区间发生变化时，当焊接电流的峰值达到最大如380A时，焊接电流的基值也达到最大280A。焊接送丝速度(峰值/基值)根据焊缝熔敷金属量的多少，配合其它工艺参数可在40/30～50/45inch/min之间做出适当的选择。

在进行焊道盖面时，先选用线性焊道进行焊接，在达到规定的焊缝余高时，采用摆动焊道进行焊接。

通过对比表1-1、表1-2和表1-3，可以看出：打底焊接电流参数随着根部钝边高度H1的不同而变化，而其余焊接工艺参数基本没有变化，可见根部钝边高度H1直接影响打底焊接电流的大小和范围。

不锈钢与碳钢焊接工艺参数的不同，主要与管道材质本身的焊接性能、所选的焊接材料的直径以及管道坡口尺寸的变化有关。在坡口型式和尺寸、焊接材料的直径一定的情况下，整个管道的焊接工艺参数的变化是一个动态变化的过程，只有当焊接参数彼此相互匹配的情况下，才能焊接出高效高质量的焊口。

上面三个坡口尺寸参数以坡口2尺寸参数为最佳。

第二优选实施例

以不锈钢材料Z3CN20-09M840×75的管道进行焊接工艺试验，焊接材料选用ER316LSi(或ER316L)0.8、1.0，坡口尺寸和型式如图8所示。

表2列出了窄间隙全位置自动焊焊接工艺焊接840×75不锈钢大厚壁管道的主要规范参数。

参数说明：在进行打底层焊接时，首先进行的是点焊，此时选择的焊接参数相对较小，只要能够保证两段管道固定在一起。点焊时的焊接参数为：峰值电流为160A、基值电流为80A；此时的焊接峰值电压为为8.5V、基值电压为可以为0～5V范围内选择；焊接送丝速度的峰值为可在5～20inch/min范围内选择、焊接送丝速度的基值可以在0～10inch/min范围内选择、此时的焊接速度为3.5inch/min。对于保护气体的流量正面在60～70L/min，背面保护保护气体流量可在5～30L/min范围选择，保护气体的流量与保护效果有关。

随着焊道层数的增加，焊接截面尺寸(W)不断增大，为了保证侧壁良好的熔合，则在焊接过程中需要增加基值和峰值的电流和电压。当焊接到第五层时，焊接参数为：焊接电流的峰值达到220A、焊接电流的基值为130A；焊接电压的峰值达到10V、焊接电压的基值可在0～5V范围内选择；送丝速度的峰值为30inch/min、基值为25inch/min；焊接速度4.5inch/min。

对于基值范围80A～130A中间值105A则是根据焊峰截面尺寸(W)的情况通过试验确定的；峰值电流范围160A～220A中间值190A也是在焊接过程中根据焊接截面尺寸(W)的情况而确定的。

同样在进行焊缝填充和盖面的时候，为了保证侧壁良好熔合，根据焊缝金属熔池与侧壁的熔合情况，适当的调整焊接工艺参数。

                       表2

同样在进行焊缝填充和盖面的时候，为了保证侧壁良好熔合，根据焊缝金属熔池与侧壁的熔合情况，适当的调整焊接工艺参数。

在刚开始进行焊道填充时由于焊缝截面尺寸W相对比较小所以采用的峰值电流为220A，随着焊缝厚度的增加，焊焊缝截面尺寸的变宽，为了保证侧壁良好的熔合焊接电流峰值达到最大值360A；对于焊接电流的基值130A～270A则也是根据焊缝截面尺寸W和侧壁熔合情况作出适当的调整。

在进行焊道盖面时，由于焊接应力引起管道的轴向收缩变形，焊缝截面尺寸不断变化的过程，所以焊接参数也有一个变化的范围。

在管道从打底到盖面的焊接过程中，焊接电流、电压、送丝速度、焊机行走速度只有相互匹配，才能够保证焊道的质量。

第三优选实施例：

以不锈钢材料Z3CN20-09M938×100的管道进行焊接工艺试验，焊接材料选用ER316LSi(或ER316L)0.8、1.0，坡口尺寸和型式如图9所示。具体的焊接参数见表3。由于参数说明与第一或者第二优选实施例类似，在此不用进行详细描述。

                        表3

上述优选实施例的结构型式及其工艺参数不是限制性的。在上述实施例的基础上，可以在不同的具体坡口型式和尺寸下选用不同规格的焊接材料所得到的相应的焊接工艺参数。在本发明的保护范围内，本发明技术领域的普通技术人员在此基础上可以对上述实施例在细节上作了许多变形、变化以及改进。

Claims (10)

1、一种用于大厚壁管道钨极惰性气体保护全位置自动焊接方法，所述管道的直径()≥325mm，壁厚(H3)≥40mm，包括步骤：

使所述管道母材的相对端部形成焊前组合坡口，所述组合坡口包括上坡口和下坡口，上坡口由上坡口角度(β)限定，下坡口包括由下坡口角度(α)限定的下钝边和从下钝边的底部突出的根部钝边，其中下坡口角度(α)大于上部坡口角度(β)，上钝边与下钝边相交，其中根部钝边高度(H1)的范围为1.0mm～4mm，根部钝边宽度(W1)的范围为1.5mm～4mm，上坡口的顶部宽度(W)的范围为18mm～24mm，下坡口角度(α)的范围为20°～60°；上坡口角度(β)的范围为4°～10°；下坡口高度(H2)的范围为8mm～25mm；组对间隙(G)的范围为0～1.0mm；管道内部镗口宽度(W2)范围为20mm～60mm，

其中，所述焊接方法还包括步骤：

对根部钝边和下钝边的底部进行打底焊接；

对下钝边和上坡口进行填充焊接，所述填充焊接为单层单道焊；以及

对上坡口的顶部进行盖面焊接，盖面焊接采用线性焊道或摆动焊道。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在打底焊接的步骤中，设定焊接电器的电压基值范围为0V～5V，电压峰值的范围为8.0V～10V，电流基值的范围为80A～200A，电流峰值的范围为150A～260A，焊丝的基值送丝速度为0～15inch/min，焊丝的峰值送丝速度为5～20inch/min，焊接的速度为2～5inch/min，焊丝直径范围为0.8mm-1.2mm。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在填充焊接的步骤中，设定焊接电器的电压基值范围为0V～5V，电压峰值的范围为9V～12V，电流基值的范围为100A～300A，电流峰值的范围为180A～380A，焊丝的基值送丝速度为0～65inch/min，焊丝的峰值送丝速度为20～70inch/min，焊接的速度为2～6inch/min，焊丝直径范围为0.8mm-1.2mm。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在盖面焊接的步骤中，设定焊接电器的电压基值范围为0V～5V，电压峰值的范围为9V～12V，电流基值的范围为100A～240A，电流峰值的范围为160A～280A，焊丝的基值送丝速度为0～55inch/min，焊丝的峰值送丝速度为15～60inch/min，焊接的速度为3～5inch/min，焊丝直径范围为0.8mm-1.2mm。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成焊前组合坡口的步骤中，根部钝边高度(H1)的范围为2mm～3mm，根部钝边宽度(W1)的范围为2mm～3mm，上坡口的顶部宽度(W)的范围为18mm～24mm，下坡口角度(α)的范围为20°～40°；上坡口角度(β)的范围为6°～8°；下坡口高度(H2)的范围为15mm～25mm，根部钝边过渡圆弧半径(R)范围：1.5mm～3mm，管材直径()的范围为680mm～1000mm、管材厚度范围(H3)为40mm～100mm。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在打底焊接的步骤中，设定焊接电器的电压基值范围为0V～3V，电压峰值的范围为8.5V～10V，电流基值的范围为80A～160A，电流峰值的范围为160A～240A，焊丝的基值送丝速度为0～15inch/min，焊丝的峰值送丝速度为5～20inch/min，焊接的速度为3～5inch/min，焊丝直径范围为φ0.8mm-φ1.2mm。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在填充焊接的步骤中，设定焊接电器的电压基值范围为0V～3V，电压峰值的范围为9.5V～10.5V，电流基值的范围为100A～240A，电流峰值的范围为180A～340A，焊丝的基值送丝速度为30～65inch/min，焊丝的峰值送丝速度为35～70inch/min，焊接的速度为3～6inch/min，焊丝直径范围为φ0.8mm-φ1.2mm。

8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在盖面焊接的步骤中，设定焊接电器的电压基值范围为0V～3V，电压峰值的范围为10V～12V，电流基值的范围为110A～220A，电流峰值的范围为170A～240A，焊丝的基值送丝速度为0～45inch/min，焊丝的峰值送丝速度为10～50inch/min，焊接的速度为3～6inch/min，焊丝直径范围为φ0.8mm-φ1.2mm。

9.根据权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，所述管道的材料为下列材料中的一个：不锈钢、碳钢、合金钢，以及焊接的保护气体为下列气体中的一个：氩气、氦气或氩气和氦气的混合惰性气体，优选的是，所述管道的材料为不锈钢以及所述保护气体为氩气。

10.一种利用如权利要求1-9之一所述的焊接方法制造的管道，其特征在于，所述焊接管道的焊缝的填充焊接部分为单层单焊道，所述焊缝的外表面的宽度为10-13mm。

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