焊工培訓(xùn)：管道向下焊工藝介紹，各種向下焊工藝焊接參數(shù)
手工下向焊接技術(shù)與傳統(tǒng)的向上焊接相比具有焊縫質(zhì)量好、電弧吹力強(qiáng)、挺度大、打底焊時(shí)可以單面焊雙面成形、焊條熔化速度快、熔敷率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于管道工程建設(shè)中。隨著輸送壓力的不斷提高，油氣管道鋼管強(qiáng)度的不斷增加，手工下向焊接技術(shù)經(jīng)歷了全纖維素型下向焊——混合型下向焊——復(fù)合型下向焊接這一發(fā)展進(jìn)程。
01
全纖維素型下向焊接技術(shù)
全纖維素型下向焊接對(duì)焊機(jī)的主要要求是：
(1)具有陡降外特性，靜特性曲線A段適當(dāng)提高。
(2)外拖推力電流起作用時(shí)其數(shù)值要足夠大。
(3)適當(dāng)提高靜特性曲線外拖拐點(diǎn)，以達(dá)到小滴過(guò)度。
全纖維型下向焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。該工藝的關(guān)鍵在于根焊時(shí)要求單面焊雙面成形；仰焊位置時(shí)防止熔滴在重力作用下出現(xiàn)背面凹陷及鐵水粘連焊條。我國(guó)早期的下向焊均是纖維素型。
表1 全纖維素型下向焊接工藝參數(shù)
焊道 | 焊條型號(hào) | 焊條直徑(d)，mm | 極性 | 焊接電流(I)，A | 電弧電壓(U)，V | 焊接速度υcm·min-1 | 運(yùn)條方法 |
根焊 | E6010 | 3.2 | DC | 70～90 | 22～30 | 10～20 | 直拉 |
熱焊填充 | E7010 | 4.0 | DC | 70～140 | 22～30 | 15～30 | 直拉 |
蓋面 | E7010 | 4.0 | DC | 110～130 | 22～30 | 20～30 | 直拉或小幅擺動(dòng) |
02
混合型下向焊接技術(shù)
混合型下向焊接是指在長(zhǎng)輸管道的現(xiàn)場(chǎng)組焊時(shí)，采用纖維素型焊條根焊、熱焊，低氫型焊條填充焊、蓋面焊的手工下向焊接技術(shù)。主要用于焊接鋼管材質(zhì)級(jí)別較高的管道。
陜京管道是我國(guó)第一條采用下向焊工藝和進(jìn)口鋼管及焊材建成的長(zhǎng)距離管道，其工藝參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 混合型下向焊接
管材等級(jí) | 焊條選用 | ||
GB/T 9711 | 可比較的API等級(jí) | ||
S205，S210，S290，S315， | A，B，X42，X46， | 根焊道 | AWS E7048 |
其余焊道 | |||
315，360，385 | X60，X65 | 根焊道 | AWS E7048 |
其余焊道 | AWS E8016 | ||
03
復(fù)合型下焊接技術(shù)
復(fù)合型下向焊是指根焊及熱焊采用下向焊接方法，填充焊及蓋面焊采用向上焊接方法的焊接工藝。其主要應(yīng)用于焊接壁厚較大的管道。
20世紀(jì)90年代末期，大壁厚管材廣泛應(yīng)用國(guó)內(nèi)外油、氣和水電工業(yè)長(zhǎng)輸管道中，水電工業(yè)的壓力管道中一般管徑達(dá)1m以上，壁厚達(dá)10～60mm，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)油氣管道壁厚也達(dá)到10～24mm。與傳統(tǒng)的向上焊相比，由于下向焊熱輸入低，熔深較淺，焊肉較薄，隨著鋼管壁厚的增加焊道層數(shù)也迅速增加，焊接時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度隨之加大，單純的下向焊難以發(fā)揮其焊接速度快、效率高的特點(diǎn)。手工電弧焊不同壁厚鋼管焊接層次及道數(shù)推參考表見(jiàn)表3。而根焊、熱焊采用向下焊，填充焊與蓋面焊采用向上焊的復(fù)合下向焊技術(shù)則可發(fā)揮兩種焊接方法的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效的效果。在半自動(dòng)氣體保護(hù)下向焊接技術(shù)應(yīng)用于管道建設(shè)之前，大壁厚管道多采用復(fù)合型下向焊接技術(shù)。如某工業(yè)園區(qū)輸水管道工程所用鋼管規(guī)格為1400mm×14mm，材質(zhì)為Q235—A。焊接過(guò)程中根焊熱焊用纖維素焊條J425G(E6010)，填充焊和蓋面焊采用普通E4303焊條，使焊縫焊道層數(shù)由單一下向焊所需的7～8層，減少為4～5層，焊接時(shí)間可縮短30min，大大提高了生產(chǎn)效率。
表3 手工下向焊不同壁厚鋼管焊接層次及焊道數(shù)
壁厚，mm | 向上焊 | 下向焊 | ||
層數(shù) | 道數(shù) | 層數(shù) | 道數(shù) | |
6～7 | 3 | 3 | 3～4 | 3～4 |
7～8 | 3 | 3 | 5 | 4～5 |
8～10 | 3～4 | 3～4 | 4～5 | 5～7 |
10～12 | 4 | 4～5 | 5～6 | 7～9 |
12～14 | 4 | 5～6 | 6～7 | 9～11 |
我國(guó)的半自動(dòng)化焊接技術(shù)在長(zhǎng)輸管道建設(shè)中的應(yīng)用是20世紀(jì)90年代逐步引進(jìn)、發(fā)展起來(lái)的。由于半自動(dòng)焊具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)性好、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，自引進(jìn)中國(guó)管道建設(shè)中以來(lái)迅速地發(fā)展起來(lái)。半自動(dòng)下向焊接技術(shù)主要分為兩種操作方法：藥芯焊絲自保護(hù)半自動(dòng)下向焊和活性氣體保護(hù)半自動(dòng)下向焊。
1．藥芯焊絲自保護(hù)半自動(dòng)焊技術(shù)
藥芯焊絲適用于各種位置的焊接，其連續(xù)性適于自動(dòng)化過(guò)程生產(chǎn)。工藝參數(shù)見(jiàn)表4(以X70鋼管焊接為例)。
該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)：
(1) 質(zhì)量好。焊接缺陷通常產(chǎn)生于焊接接頭處。同等管徑的鋼管手工下向焊接接頭數(shù)比半自動(dòng)焊接接頭數(shù)多，采用半自動(dòng)焊降低了缺陷的產(chǎn)生機(jī)率。通常應(yīng)用的NR204、NR207焊絲屬低氫金屬，而傳統(tǒng)的手工焊多采用纖維素焊條。由此可知，半自動(dòng)焊可降低焊縫中的氫含量。同時(shí)，半自動(dòng)焊輸人線能量高，可降低焊縫冷卻速度，有助于氫的溢出及減少和防止出現(xiàn)冷裂紋。
(2) 效率高。藥芯焊絲把斷續(xù)的焊接過(guò)程變?yōu)檫B續(xù)的生產(chǎn)方式。半自動(dòng)焊溶敷量大，比手工焊道少，溶化速度比纖維素手工下向焊提高警惕15％～20％。焊渣薄，脫渣容易，減少了層間清渣時(shí)間。
(3) 綜合成本低。半自動(dòng)焊接設(shè)備具有通用性，可用于半自動(dòng)焊，也可用于手弧焊或其他焊接法的焊接。以焊接厚度為8．7mm鋼管為例：手工焊至少需3組焊工完成，半自動(dòng)焊只需2組焊工，至少可減少2名焊工，也相應(yīng)減少了焊機(jī)數(shù)量和等輔助工裝數(shù)量。同時(shí)，藥芯焊絲有效利用率高，焊接坡口小，即節(jié)省填充金屬使用量，又提高了焊接速度，綜合成本只及手弧焊的一半。
表4 藥芯焊絲自保護(hù)半自動(dòng)下向焊參考工藝參數(shù)
主要參數(shù) | 鋼管厚度(δ)，mm | |
4.8 | 12.7 | |
送絲速度υ，mm·min-1 | 2.29 | 3.30 |
電流(I)，A | 245 | 300 |
電壓(U)，V | 19～20 | 21～22 |
干伸長(zhǎng)度(L)，mm | 19～25 | 19～25 |
層間溫度(T)，℃ | 20～135 | 20～135 |
表5 藥芯焊絲自保護(hù)半自動(dòng)下向焊不同壁厚鋼管焊道層數(shù)
焊道 | 管壁厚度，mm | ||||||||||
4.8 | 6.3 | 7.1 | 7.9 | 8.7 | 9.5 | 10.3 | 11.1 | 12.7 | 19.1 | 20.9 | |
根焊 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
熱焊 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
填充焊 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | ||||
4 | 8 | 10 | |||||||||
補(bǔ)充焊道(2～5點(diǎn)處) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 4 | 4 | ||||
蓋面焊 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 |
合計(jì) | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 10 | 18 | 20 |
2．CO2活性氣體保護(hù)半自動(dòng)下向焊接技術(shù)
CO2氣體保護(hù)焊是一種廉價(jià)，高效的焊接方法。傳統(tǒng)的短路過(guò)度CO2焊接不能從根本上解決焊接飛濺大，控制熔深與成型的矛盾。采用波形控制技術(shù)的STT型CO2半自動(dòng)焊機(jī)，保證了焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，干伸長(zhǎng)度變化影響小，顯著降低了飛濺，減輕了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度。
STT型CO2半自動(dòng)焊時(shí)，焊機(jī)處于短路過(guò)渡方式，電源在一個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)，根據(jù)不同電弧電壓值，輸出不同的焊接電流。
STT型CO2半自動(dòng)焊以其優(yōu)異的性能拓寬了CO2半自動(dòng)焊在長(zhǎng)輸管道施工中的應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)石油天然氣管道局曾在蘇丹Muglad石油開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中首次使用了STT型CO2半自動(dòng)下向焊接技術(shù)進(jìn)行管道打底焊接，中原石油勘探局建筑集團(tuán)公司正在施工的陜京管線復(fù)線京—石管線工程使用了STT型CO2半自動(dòng)下向焊接技術(shù)，焊接工藝見(jiàn)表6。
表6 STT型CO2半自動(dòng)下向焊焊接工藝參數(shù)
焊道名稱 | 焊材 | 極性 | 電弧電壓 | 峰值電流 | 基值電流 | 干伸長(zhǎng) | 氣體流量 | 焊接速度 | 送絲速度 |
打底 | JM-60 | DC | 18～20 | 380～420 | 60～80 | 18～20 | 10～15 | 15～20 | 3.30 |
填充 | NR207 | DC | 18～22 | 190～250 | — | 18～20 | — | 20～30 | 2.03～2.54 |
蓋面 | NR207 | DC | 18～22 | 190～250 | — | 18～20 | — | 15～20 | 2.03～2.23 |
STT型CO2半自動(dòng)焊與藥芯焊絲自保護(hù)半自動(dòng)焊是目前國(guó)內(nèi)常用的半自動(dòng)下向焊接方法，展示了在管道焊接領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。
管道全自動(dòng)氣保護(hù)下向焊接技術(shù)使用可熔化的焊絲與主要焊金屬之間的電弧為熱焊來(lái)溶化焊絲和鋼管，在焊接時(shí)向焊接區(qū)域輸送保護(hù)氣體以隔離空氣的有害作用，通過(guò)連續(xù)送絲完成焊接。由于熔化極氣保護(hù)焊時(shí)焊接區(qū)的保護(hù)簡(jiǎn)單，焊接區(qū)域易于觀察，生產(chǎn)效率高，焊接工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，便于控制，容易實(shí)現(xiàn)全位置焊接。
鄭州—義馬煤氣管道工程(東段)鋼管材質(zhì)為16Mn，直徑426mm，焊絲規(guī)格為H08Mn2SiA，焊絲直徑1．0mm。采用該工藝焊接，焊接性能良好。工藝參數(shù)見(jiàn)表7。
表7 全自動(dòng)活性氣體保護(hù)下向焊工藝
焊道 | 電流，A | 電壓，V | 焊接速度，cm·min-1 | 氣體流量，mL·min-1 |
打底 | 140～180 | 20～22 | 25～30 | 20～25 |
熱焊填充 | 160～190 | 20～23 | 30～40 | 20～25 |
蓋面 | 150～170 | 22～30 | 22～30 | 20～25 |
該工藝可實(shí)現(xiàn)全位置多機(jī)頭同時(shí)工作，打底焊可從管內(nèi)部焊接，也可從管外部焊接。打底焊可采用向上焊以防止熔透不夠成燒穿，易于單面焊雙面成型。焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)一般在控制臺(tái)或控制面板上，主要調(diào)節(jié)參數(shù)有：電壓、送絲速度、每個(gè)焊頭移動(dòng)速度、擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)寬度及擺延遲時(shí)間。應(yīng)當(dāng)注意的是，因每條焊道焊接參數(shù)不同，整個(gè)焊縫的焊接參數(shù)應(yīng)根據(jù)管材規(guī)格及現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)焊接試驗(yàn)合格后方可應(yīng)用于生產(chǎn)。
管道全自動(dòng)氣保護(hù)焊技術(shù)以其焊接質(zhì)量高，焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已經(jīng)普及，而國(guó)內(nèi)則處于推廣階段，我國(guó)自行研制的全自動(dòng)氣體保護(hù)焊設(shè)備已在鄭州一義馬煤氣管道工程中得到應(yīng)用。全自動(dòng)氣體保護(hù)下向焊接技術(shù)是我國(guó)長(zhǎng)輸管道下向焊接技術(shù)發(fā)展的方向。
下向焊接技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步依賴于焊機(jī)、對(duì)口器、送絲機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等裝備的技術(shù)成熟程度和焊材工藝性能的穩(wěn)定性。長(zhǎng)輸管道工程各種下向焊接技術(shù)的應(yīng)用主要有以下兩個(gè)因素：
(1) 工程環(huán)境條件：
在一些環(huán)境惡劣的地區(qū)，限制了先進(jìn)的焊接技術(shù)的應(yīng)用。比如一些水網(wǎng)地帶，因空氣濕度大，對(duì)焊材的烘干、保管、使用要求嚴(yán)格，現(xiàn)場(chǎng)焊接多采用纖維素焊條手弧焊，原因是纖維素焊條比低氫型焊條在同等條件下氣孔產(chǎn)生的傾向小。另一方面，水網(wǎng)地帶施工現(xiàn)場(chǎng)，自動(dòng)、半自動(dòng)焊接設(shè)備運(yùn)用困難較大而手工焊由于焊鉗小，操作靈活簡(jiǎn)便，在滿足焊縫力學(xué)性能的前提下，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇可行的焊接方法。
(2)工裝設(shè)備的技術(shù)狀況：
先進(jìn)的自動(dòng)、半自動(dòng)焊接設(shè)備會(huì)大幅度提高焊接效率，盡管更新裝備需投人大量資金，在長(zhǎng)輸管道建設(shè)高峰期時(shí)代，其市場(chǎng)回報(bào)率是可觀的。只有擁有技術(shù)，方可擁有市場(chǎng)。
在我國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)中，手工下向焊接技術(shù)曾廣泛應(yīng)用，手工下向焊打底、半自動(dòng)下向焊填充蓋面工藝是目前最為成熟的下向焊接工藝，惰性氣體(CO2)保護(hù)下向焊打底、藥芯焊絲自保護(hù)下向焊填充蓋面半自動(dòng)下向焊接技術(shù)目前正隨著西氣東輸工程的建設(shè)而在全國(guó)得到迅速推廣，全自動(dòng)下向焊將是我國(guó)長(zhǎng)輸管道下向焊接技術(shù)的發(fā)展方向。
