15887873230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)到小滴過度。
全纖維型下向焊接工藝參數(shù)見表1。該工藝的關(guān)鍵在于根焊時要求單面焊雙面成形；仰焊位置時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 | 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 |
02
混合型下向焊接技術(shù)
混合型下向焊接是指在長輸管道的現(xiàn)場組焊時，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)級別較高的管道。
陜京管道是我國第一條采用下向焊工藝和進(jìn)口鋼管及焊材建成的長距離管道，其工藝參數(shù)見表2。
表2 混合型下向焊接
管材等級 | 焊條選用 | ||
GB/T 9711 | 可比較的API等級 | ||
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)用國內(nèi)外油、氣和水電工業(yè)長輸管道中，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，焊接時間和勞動強(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，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效的效果。在半自動氣體保護(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 |
我國的半自動化焊接技術(shù)在長輸管道建設(shè)中的應(yīng)用是20世紀(jì)90年代逐步引進(jìn)、發(fā)展起來的。由于半自動焊具有生產(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)中國管道建設(shè)中以來迅速地發(fā)展起來。半自動下向焊接技術(shù)主要分為兩種操作方法：藥芯焊絲自保護(hù)半自動下向焊和活性氣體保護(hù)半自動下向焊。
1．藥芯焊絲自保護(hù)半自動焊技術(shù)
藥芯焊絲適用于各種位置的焊接，其連續(xù)性適于自動化過程生產(chǎn)。工藝參數(shù)見表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)比半自動焊接接頭數(shù)多，采用半自動焊降低了缺陷的產(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，半自動焊可降低焊縫中的氫含量。同時，半自動焊輸人線能量高，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)的焊接過程變?yōu)檫B續(xù)的生產(chǎn)方式。半自動焊溶敷量大，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，減少了層間清渣時間。
(3) 綜合成本低。半自動焊接設(shè)備具有通用性，可用于半自動焊，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，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 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 6 | 10 | 18 | 20 |
2．CO2活性氣體保護(hù)半自動下向焊接技術(shù)
CO2氣體保護(hù)焊是一種廉價，高效的焊接方法。傳統(tǒng)的短路過度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半自動焊機(jī)，保證了焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形美觀，干伸長度變化影響小，顯著降低了飛濺，減輕了焊工勞動強(qiáng)度。
STT型CO2半自動焊時，焊機(jī)處于短路過渡方式，電源在一個過渡周期內(nèi)，根據(jù)不同電弧電壓值，輸出不同的焊接電流。
STT型CO2半自動焊以其優(yōu)異的性能拓寬了CO2半自動焊在長輸管道施工中的應(yīng)用領(lǐng)域。中國石油天然氣管道局曾在蘇丹Muglad石油開發(fā)項目中首次使用了STT型CO2半自動下向焊接技術(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半自動下向焊接技術(shù)，焊接工藝見表6。
表6 STT型CO2半自動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 | 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半自動焊與藥芯焊絲自保護(hù)半自動焊是目前國內(nèi)常用的半自動下向焊接方法，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溶化焊絲和鋼管，在焊接時向焊接區(qū)域輸送保護(hù)氣體以隔離空氣的有害作用，通過連續(xù)送絲完成焊接。由于熔化極氣保護(hù)焊時焊接區(qū)的保護(hù)簡單，焊接區(qū)域易于觀察，生產(chǎn)效率高，焊接工藝相對簡單，便于控制，容易實現(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)見表7。
表7 全自動活性氣體保護(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 |
該工藝可實現(xiàn)全位置多機(jī)頭同時工作，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)一般在控制臺或控制面板上，主要調(diào)節(jié)參數(shù)有：電壓、送絲速度、每個焊頭移動速度、擺動頻率、擺動寬度及擺延遲時間。應(yīng)當(dāng)注意的是，因每條焊道焊接參數(shù)不同，整個焊縫的焊接參數(shù)應(yīng)根據(jù)管材規(guī)格及現(xiàn)場條件，通過焊接試驗合格后方可應(yīng)用于生產(chǎn)。
管道全自動氣保護(hù)焊技術(shù)以其焊接質(zhì)量高，焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，在國外已經(jīng)普及，而國內(nèi)則處于推廣階段，我國自行研制的全自動氣體保護(hù)焊設(shè)備已在鄭州一義馬煤氣管道工程中得到應(yīng)用。全自動氣體保護(hù)下向焊接技術(shù)是我國長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，對焊材的烘干、保管、使用要求嚴(yán)格，現(xiàn)場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，自動、半自動焊接設(shè)備運(yùn)用困難較大而手工焊由于焊鉗小，操作靈活簡便，在滿足焊縫力學(xué)性能的前提下，可根據(jù)現(xiàn)場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、半自動焊接設(shè)備會大幅度提高焊接效率，盡管更新裝備需投人大量資金，在長輸管道建設(shè)高峰期時代，其市場回報率是可觀的。只有擁有技術(shù)，方可擁有市場。
在我國長輸管道建設(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)而在全國得到迅速推廣，全自動下向焊將是我國長輸管道下向焊接技術(shù)的發(fā)展方向。
