Backing welding process with copper backing in all-position welding of microbial corrosion resistant pipe
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摘要:目的
旨在解决富含Cu，Cr元素的耐微生物腐蚀管全位置焊接存在熔融金属流动性差，焊缝背部成形不平整、不连续，焊接质量不稳定问题。
方法以耐腐蚀管L450Q-RCB为试验对象，开展基于铜衬垫背部强制成形的摆动电弧打底工艺研究，采用单因素分析法，研究了摆动电弧参数、送丝速度、焊接速度对焊缝成形质量的影响规律。
结果试验结果表明，采用铜衬垫背部强制成形的摆动电弧打底方法焊缝成形一致性好，焊缝背部成形连续且平整，无未熔合、未焊透缺陷。
结论该研究为管道全位置焊接基本工艺规范的制定奠定基础。
Abstract:[Objective] The aim was to solve problems such as poor fluidity of molten metal, uneven and discontinuous back weld and unstable welding quality in all-position welding of microbial corrosion resistant pipe that was rich in Cu and Cr elements. [Methods] Taking corrosion resistant pipe BGL450Q-RCB as the test object, research on oscillating arc backing welding process based on back forced forming of copper backing was carried out. Single factor analysis method was used to study influence of oscillating arc parameter, wire feed speed, and welding speed on quality of weld forming. [Results] The results showed that oscillating arc backing welding method with back forced forming of copper backing had good consistency of weld forming, and back of weld was formed continuously and flat, without defects of incomplete fusion and incomplete penetration. [Conclusion] The study lay foundation for the development of basic process specification for all-position welding of pipelines.
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0. 前言
耐微生物腐蚀管道铺设技术面临诸多挑战，在管材中加入耐蚀性合金元素是目前所有抵抗微生物腐蚀的方案中最适合的一种。采用耐微生物腐蚀管材、耐微生物腐蚀焊丝，与之配合较为成熟的管道全位置自动焊技术，不仅可以提高管道和填充材料的耐腐蚀性，延长管道服役时间，同时保证了油气管道的焊接效率。但是目前关于耐微生物腐蚀管材的焊接性能研究较少，且多数停留在采用手工焊的方式上。针对手工焊接导致的效率低下，使用试验室自主研发的管道全位置自动焊接机器人，对耐微生物腐蚀管材进行全位置自动焊工艺研究，以提高焊接的效率，进一步探究全位置自动焊方式下，耐微生物腐蚀管材的可焊性。
对于摆动电弧焊，焊件背部加衬垫和耐腐蚀管材的焊接工艺研究在焊接生产中有着广泛应用。徐望辉等学者[1 − 3]对摆动电弧窄间隙焊接研究发现：相比旋转电弧，摆动电弧方法有利于解决非平焊位置时的熔池流淌问题，有利于改善窄间隙焊接过程中的侧壁未熔合问题。徐起等学者[4]对FH40厚板进行窄间隙横焊试验，探究了不同工艺参数对打底焊道成形、熔滴过渡及缺陷的影响规律，发现：摆动幅度对焊道的熔宽和表面凹凸度影响最大，焊接速度对熔深和焊道成形的不对称性影响最大。冯靖等学者[5]对管道全位置STT打底工艺做了分析，提出分段焊接方法，根据不同的焊接位置，在全自动焊机上设置不同的焊接参数，合理地应对了熔池受力流淌等问题。蒋风松[6]对长输管道全位置根焊焊接工艺做了研究，将圆周管道划分成12等份点，然后对每个扇形区焊接参数、操作参数进行数据编程，通过焊接工艺试验，获得具有较好的力学性能和良好的焊缝组织性能的焊接接头。鹿锋华[7]对X65管线钢根焊使用铜衬垫开展了工艺试验，试验结果表明：通过制定合理的焊接工艺参数是能够把铜含量限定在一定范围内，并且对力学性能、腐蚀性能无明显影响，完全满足工程施工规范要求。王能利等学者[8]对20/0Cr18Ni9复合管进行了耐腐蚀焊接工艺研究，根据过渡层和顶部母材的成分差异选用低S，P，Sn，Pb元素含量，高Cr，Ni元素含量的焊材来匹配不同焊层，焊后经显微组织观察和性能测试后，接头展现出良好的抗腐蚀性能和强度。卢佳欣[9]对添加铜衬垫的DN50管道做了焊接工艺研究，与不添加铜衬垫的管道相比较，添加铜衬垫的管道内壁更光滑平整；热影响区、焊缝晶粒更细小均匀。
目前，还未见有学者使用全位置自动焊接机器人，基于铜衬垫使焊缝背部强制成形来焊接耐腐蚀管。为研究摆动电弧窄间隙全位置焊打底层焊接工艺，以BG L450Q-RCB高强钢板材对接窄坡口为试验对象，针对摆动电弧参数，采用单因素分析法，探究窄间隙全位置焊打底层焊接工艺规范及不同工艺参数组合对焊缝成形的影响规律。
1. 焊接试验材料及方法
1.1 试验材料
焊接试验选用L450Q-RCB高强钢作为母材进行全位置焊接工艺可焊性研究，选用大西洋CHW-55CNH焊丝，含铜量高耐腐蚀性好。初期工艺试验采用X65钢平板进行打底层工艺参数摸索，将2块长板一侧铣出坡口，进行对接焊试验。采用如图1所示的J形坡口。采用下向焊熔化极气体保护焊，保护气为50%Ar+50%CO2，各气体具体含量根据打底方案而定，总气体流量为30 L/min。
1.2 试验设备
1.2.1 焊接小车
焊接机器人设备主要有3部分，如图2所示，分别是上部的焊接机头、中部的行走底盘，以及底部的柔性导轨。焊接机头主要负责焊接过程中对焊枪上下高低和摆动宽度、频率的调整，机头和焊枪的连接处设计为可以变化焊枪夹持角度的卡盘；行走底盘控制着管道全位置焊接过程中的焊接速度；导轨采用弹簧钢材料制作而成，在满足一定刚度条件的同时，具有较大的柔性，弯曲度大，可满足小管径管道的装配需求。
1.2.2 全位置变位机
前期的打底层焊接工艺参数摸索试验在如图3所示的全位置变位机上进行，此变位机可通过丝杠销的固定来改变位置，具体范围在0°至180°之间，共分为12个区间，可满足图3(a)的平焊区、图3(b)的平焊转立焊过渡区、图3(c)的立焊区、图3(d)的立焊转仰焊过渡区和图3(e)的仰焊区，5个焊接区域的管道全位置模拟焊接试验。前期工艺摸索时，可将导轨和焊接小车搭建在全位置变位机上，通过调整不同的焊接位置来模拟管道全位置焊接过程，为参数的摸索提供初步的试验基础。
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图 3 全位置变位机Figure 3. All-position positioner. (a) flat position welding area; (b) transition area from flat position welding to vertical position welding; (c) vertical position welding area; (d) transition area from vertical position welding to overhead position welding; (e) overhead position welding area1.2.3 铜衬垫的设计与安装
铜衬垫背部强制成形打底方案，通过方案分析，设计了如图4所示的铜衬垫安装装置。该装置根据管径尺寸进行匹配设计，装置由6块圆弧梯形铜衬垫、铜衬垫放置架组成。圆弧铜衬垫梯形错位设计可适应一定范围的管道内径。铜衬垫放置架设计了铜衬垫放置初始区，放置初始区特别留出铜衬垫安装所需的凸台边缘，便于对铜衬垫进行位置调整。在各初始区分别设计内六角螺纹孔，将6个圆头顶丝拧入螺孔，通过拧紧6个顶丝可将放置初始区的六瓣铜衬垫紧密贴合于坡口底部圆周，且可保证安装完成后六瓣铜衬垫在圆周上首尾相接紧密，组成一个完整的铜衬垫圆环，能保证焊接过程中铜衬垫强制成形的顺利实施。
1.3 试验方法
采用Fronius TPS4000，其焊接过程稳定，具备多种焊丝类型和焊接方法的选择功能，也是在国内外实际工程项目中应用较多的焊机机型之一。电弧电压、焊接电流根据电焊机设定的送丝速度自动匹配[4]。焊接速度、弧长修正及在坡口两侧的驻留时间等通过上位机控制系统设定。其他参数，如焊接方向左右舷、气体流量等在焊接过程中保持不变。各组焊接工艺参数及其对应的焊缝熔深、熔宽见表1。
表 1 焊接工艺参数Table 1. Welding parameters编号 送丝速度vs/(m·min−1) 焊接速度vh/(cm·min−1) 摆动速度vb/(cm·min−1) 熔深H/mm 熔宽W/mm 侧壁熔深Hs/mm 1 10 70 110 4.49 4.91 1.01 2 11 70 110 4.68 5.21 1.23 3 12 70 110 4.96 5.50 1.47 4 13 70 110 5.23 5.97 1.53 5 14 70 110 5.45 6.43 1.62 6 13 64 110 6.59 6.44 0.88 7 13 67 110 6.38 6.42 0.69 8 13 70 110 6.46 6.00 0.58 9 13 73 110 6.23 5.72 0.57 10 13 76 110 6.04 5.56 0.50 11 13 70 70 6.13 6.51 0.59 12 13 70 90 5.98 6.70 0.71 13 13 70 110 5.79 7.00 0.71 14 13 70 140 5.92 7.19 0.64 15 13 70 160 5.95 7.10 0.75 2. 试验结果分析
因用于平板对接焊试验的铜衬垫需特殊定制，故采用背部贴合陶瓷衬垫的方式来对铜衬垫方案进行替换。陶瓷衬垫相较于铜衬垫而言，贴合紧密度主要靠贴纸的粘性，故在焊前准备时应对陶瓷衬垫进行加固，如图5所示，保证焊接过程中对熔融金属有足够的托举作用。
2.1 送丝速度对焊缝成形的影响规律
送丝速度对焊接过程的稳定性影响很大，焊丝在高温中于头部燃烧形成熔滴后，通过短路过渡、射流过渡等过渡方式进入熔池，这个过程伴随着焊丝的不断消耗，需要合适的送丝进给量配合，才能保证稳定的焊接过程[10]。
经查阅相关文献、结合理论分析计算及油气管道实际工程应用中送丝速度的参数大小后，最终初步确立ϕ1.0 mm焊丝的送丝速度参数范围是10～14 m/min。采用控制变量法，摆动幅度取1 mm，保护气体为50%Ar+50%CO2，保护气流量取30 L/min，保持其他试验变量不变，经过前期大量的焊接试验摸索，最终在保证焊接过程有着合适的热输入条件下，送丝速度参数范围内定差选取5个值，从小到大进行编号，最终焊接试验的工艺参数见表1的编号1～5。
不同送丝速度下的宏观截面图如图6所示。随着送丝速度的增大，焊缝熔深、熔宽尺寸也在增加，尤其对于焊缝的下半区域而言更为明显，其底部、侧壁熔合情况有着显著提升，具体表现为焊缝形貌由“倒梯形”向“正梯形”变化。当送丝速度大于12 m/min时，单位时间内输送进熔池的热输入和熔融金属量过大，较大的熔池重力影响了底部衬垫对熔池的托举效果，造成熔池下塌现象，使得熔池底部成形宽大，如图6(d)所示。
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图 6 不同送丝速度下的宏观截面图Figure 6. Macroscopic cross-section at different wire feed speeds. (a) 10 m/min; (b) 11 m/min; (c) 12 m/min; (d) 13 m/min; (e) 14 m/min对焊缝截面尺寸进行测量，包括熔深、熔宽和侧壁熔深的尺寸，并利用Origin软件绘制点线图，具体的变化曲线如图7所示。增大送丝速度，焊缝熔深、熔宽和侧壁熔深尺寸均变大，这是由于电弧轴向力在不断增加，并且对坡口的热输入也在逐渐增大，当焊接速度保持不变时，坡口在单位体积内受到的热量就更多，从而导致熔深和侧壁熔深尺寸增加，但相较于熔深的增幅而言，对侧壁的熔合情况影响较小。送丝速度增加的同时也会使得熔池中的熔覆金属增加，伴随着焊枪的摆动，熔融金属在坡口中的铺展范围也会变大，导致熔宽也相应增大。结合以上结果的分析讨论，ϕ1.0 mm大西洋焊丝选用送丝速度12 m/min或13 m/min较为合适。
2.2 焊接速度对焊缝成形的影响规律
焊接速度对焊缝成形影响很大，焊接速度过快，焊道变窄，熔覆金属没有足够的时间向坡口两侧铺展，就会产生侧壁未熔合缺陷；焊接速度过慢，熔覆金属在同一位置附近停留时间过长，积留的熔融金属过多，会导致焊缝中部凸起明显，影响焊缝成形美观，并且也会对下一层焊道产生影响。
焊接速度对比试验所选参数为64 cm/min，67 cm/min，70 cm/min，73 cm/min和76 cm/min，ϕ1.0 mm焊丝的送丝速度为13 m/min，其他试验参数变量保持不变。从焊缝表面成形情况可以看出，所选参数64 cm/min，67 cm/min和70 cm/min时的焊缝成形较好，表面较为平整，而70 cm/min和76 cm/min下的焊缝形貌则呈“鱼刺”状，并伴随着焊接速度的增加咬边现象也更加明显，成形较差。结合图8所示的焊缝横截面金相图可以发现，当焊接速度vh≤70 cm/min时，焊缝成形较好，焊缝上下表面有着良好的平整度。当vh＞70 cm/min时，焊缝成形较差。主要原因为焊接速度过快，熔池在较短的时间内凝固成形，熔融金属来不及填补焊道两侧从而出现咬边现象。
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图 8 不同焊接速度下的宏观截面图Figure 8. Macroscopic cross-section at different welding speeds. (a) 64 cm/min; (b) 67 cm/min; (c) 70 cm/min; (d) 73 cm/min; (e) 76 cm/min为了更加清晰准确地分析焊接速度对焊缝成形的影响关系，将所测量的熔深、熔宽及侧壁熔深的尺寸作出图9所示的变化曲线。焊接速度增大曲线逐步下降，由于焊接速度增大后导致的单位时间内熔池热输入变小，加快了熔池的冷却凝固速度，从而熔池对母材的熔合影响时间变少，在此变化下焊缝截面尺寸中的熔深、熔宽和侧壁熔深尺寸也相应变小。分析讨论，ϕ1.0 mm大西洋焊丝选取焊接速度70 cm/min较为适宜。
2.3 摆动速度对焊缝成形的影响规律
经试验测试，摆动速度为70 cm/min时，飞溅较多，但随着摆动速度的增大，焊缝成形愈加平整。结合图10中的焊缝截面形貌来看，摆动速度的增加对焊缝上表面平整度影响较大，且对熔宽尺寸有着一定的促进作用。需要说明的是图10(b)黑圈区域是因焊前未清理干净油污导致的喇叭形气孔缺陷。
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图 10 不同摆动速度下的宏观截面图Figure 10. Macroscopic cross-section at different oscillating speeds. (a) 70 cm/min; (b) 90 cm/min; (c) 110 cm/min; (d) 140 cm/min; (e) 160 cm/min为了进一步分析摆动速度对焊缝成形的影响规律，将所测得的熔深、熔宽及侧壁熔深尺寸随摆动速度的变化用曲线图表示，如图11所示，随着摆动速度的增大，熔宽和侧壁熔深尺寸总体呈增大趋势，其中侧壁熔深变化程度较小；熔深变化则呈下降趋势。总体来看，摆动速度对3个尺寸的影响程度为熔宽＞熔深＞侧壁熔深，其原因是摆动速度的增大对熔融金属在坡口中的铺展起着促进作用，从而一定程度上增加了熔宽和侧壁熔合尺寸。随着焊枪摆动速度的增大，加快了对坡口中熔融金属的热量分配，使得热量所覆盖的宽度变大、深度变小，从而熔深有着一定程度减小趋势。综合以上分析，ϕ1.0 mm大西洋焊丝选取110～130 cm/min的摆动速度较为适宜。
综上所述，ϕ1.0 mm大西洋焊丝选用送丝速度12 m/min或13 m/min，焊接速度70 cm/min，摆动速度110～130 cm/min，按照这一区间选取的参数，焊出来的效果不错。
2.4 焊接空间位置的分析
试验焊接过程示意图如图12所示，整个管道圆周分为左舷和右舷两部分，每层每道都分别进行2次焊接。
背部贴合衬垫，保证焊接过程中对熔融金属有足够的托举作用，进而保证打底的质量。对管道整个圆周进行区间划分，根据焊接位置的不同，主要分为平焊区、立焊区，仰焊区，平焊转立焊过渡区和立焊转仰焊过渡区，总计五大焊接区域，如图13所示。0°～30°的平焊区域内熔池所受重力方向主要是垂直向下的，水平方向上的分力很小，因此熔融金属几乎不会发生流淌现象。但是，此区域内因电弧力方向和重力方向几乎相同，所以较大的焊接热输入极易导致焊透或焊缝表面下凹缺陷。30°～100°区域是平焊转立焊过渡区及立焊区位置，此范围内重力在熔池切线方向上的分力会慢慢变大，垂直于熔池上的分力则逐渐变小，与之对应熔池中熔融金属的下淌趋势会愈加明显，熔深也会逐渐变浅。因此，在30°～100°区域内，应适当提升焊接速度，并调整焊枪倾角，让焊丝时刻在熔池前燃烧的同时，加快熔池冷却速度，从而保证焊缝成形。在100°～180°区域为立焊转仰焊过渡区和仰焊区，此焊接区域内熔池受力状态变化为熔池所受切线方向上的分力逐渐变小，垂直方向上的分力则不断增大，特别是在180°位置时，熔池受力状态与平焊区0°位置正好相反，熔融金属在重力的作用下会产生严重的下坠现象，导致焊缝成形差，铁水多集中在焊缝中部。因此，在此焊接区域内应减小送丝速度并且逐渐降低焊接速度，保证坡口内有足量熔覆金属的同时使熔池冷却速度变慢，然后通过增大摆动速度，利用电弧力的托举效果和焊枪的摆动作用，在熔池冷却前使得熔融金属尽可能平整地铺展在坡口内。
该试验结合现有设备条件如图14所示和管径大小，对管道0º～180º范围内进行12个焊接区间的划分，即15°为一个区间，具体划分以右舷焊接过程为例。
3. 铜衬垫打底管道全位置工艺试验
利用上述分析结果开展工艺试验。搭建试验平台如图15所示，进行铜衬垫背部强制成形打底方案下的管道全位置焊接工艺试验。打底层焊接工艺参数见表2，此外钝边厚度为2 mm ± 0.2 mm，焊丝伸出长度为10 mm，组对间隙为2 mm。打底层全位置焊缝成形如图16所示，焊缝成形整体良好，铜衬垫对熔融金属的托举作用使得打底层背部成形平整且连续，焊缝表面成形连续且饱满，无气孔、未焊透、未熔合缺陷。其中仰焊区焊缝金属在重力的作用下有一定的下坠倾向，导致焊缝冷却成形后表面中部有凸起现象，这主要是由于仰焊位置处熔融金属受重力影响较大，熔池在冷却快、摆速慢的情况下，无法有足够的时间在坡口中铺展。在适当减小仰焊区焊接速度的同时增大摆动速度后，仰焊区焊缝成形有明显改善。其余区域打底层焊缝成形良好，无可见缺陷，参数较为适宜。
表 2 打底层焊接工艺参数Table 2. Welding parameters of backing layer分区 焊接电流
I/A电弧电压
U/V送丝速度
vs/(m·min−1)摆动速度
vb/(cm·min−1)焊接速度
vh/(cm·min−1)摆动幅度
B/mm平焊区 254 29.3 13 110 70～72 0.8 立焊区 254 29.3 13 110 72～74 0.8 仰焊区 240～254 28.0～29.3 12～13 130 74～70 1.0 ![]()
图 16 打底层焊缝成形Figure 16. Weld forming of backing layer. (a) top; (b) vertical welding in left side; (c) vertical welding in right side; (d) bottom; (e) back forming4. 结论
（1）在保证焊接过程稳定的前提下，3种焊丝的单因素变量影响规律基本一致。增加送丝速度会使焊缝熔深、熔宽及侧壁熔深的尺寸变大；增大焊接速度会使焊缝熔宽、熔深及侧壁熔深尺寸变小，其中熔宽的减小趋势略明显；摆动速度增大，对熔宽和侧壁熔深尺寸的影响总体呈正向趋势，其中侧壁熔深变化程度较小，对熔深尺寸的影响变化则呈下降趋势。
（2）通过工艺试验，最终确定了耐微生物腐蚀管全位置焊接打底层各分区的焊接参数；此外，钝边厚度为2 mm±0.2 mm，焊丝伸出长度为10 mm，组对间隙为2 mm。结果表明：焊道背部成形一致性好，焊缝饱满均匀，无明显焊接缺陷。观察焊缝表面形貌，可以看出焊缝连续均匀，整个焊接过程稳定且飞溅数量小；观察截面宏观组织形貌，可见焊缝内部无明显的缺陷，满足实际应用中的焊缝要求。为耐微生物腐蚀管全位置焊接的工艺规范制定提供参考价值。
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图 3 全位置变位机
Figure 3. All-position positioner. (a) flat position welding area; (b) transition area from flat position welding to vertical position welding; (c) vertical position welding area; (d) transition area from vertical position welding to overhead position welding; (e) overhead position welding area
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图 6 不同送丝速度下的宏观截面图
Figure 6. Macroscopic cross-section at different wire feed speeds. (a) 10 m/min; (b) 11 m/min; (c) 12 m/min; (d) 13 m/min; (e) 14 m/min
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图 8 不同焊接速度下的宏观截面图
Figure 8. Macroscopic cross-section at different welding speeds. (a) 64 cm/min; (b) 67 cm/min; (c) 70 cm/min; (d) 73 cm/min; (e) 76 cm/min
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图 10 不同摆动速度下的宏观截面图
Figure 10. Macroscopic cross-section at different oscillating speeds. (a) 70 cm/min; (b) 90 cm/min; (c) 110 cm/min; (d) 140 cm/min; (e) 160 cm/min
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图 16 打底层焊缝成形
Figure 16. Weld forming of backing layer. (a) top; (b) vertical welding in left side; (c) vertical welding in right side; (d) bottom; (e) back forming
表 1 焊接工艺参数
Table 1 Welding parameters
编号 送丝速度vs/(m·min−1) 焊接速度vh/(cm·min−1) 摆动速度vb/(cm·min−1) 熔深H/mm 熔宽W/mm 侧壁熔深Hs/mm 1 10 70 110 4.49 4.91 1.01 2 11 70 110 4.68 5.21 1.23 3 12 70 110 4.96 5.50 1.47 4 13 70 110 5.23 5.97 1.53 5 14 70 110 5.45 6.43 1.62 6 13 64 110 6.59 6.44 0.88 7 13 67 110 6.38 6.42 0.69 8 13 70 110 6.46 6.00 0.58 9 13 73 110 6.23 5.72 0.57 10 13 76 110 6.04 5.56 0.50 11 13 70 70 6.13 6.51 0.59 12 13 70 90 5.98 6.70 0.71 13 13 70 110 5.79 7.00 0.71 14 13 70 140 5.92 7.19 0.64 15 13 70 160 5.95 7.10 0.75 
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表 2 打底层焊接工艺参数
Table 2 Welding parameters of backing layer
分区 焊接电流
I/A电弧电压
U/V送丝速度
vs/(m·min−1)摆动速度
vb/(cm·min−1)焊接速度
vh/(cm·min−1)摆动幅度
B/mm平焊区 254 29.3 13 110 70～72 0.8 立焊区 254 29.3 13 110 72～74 0.8 仰焊区 240～254 28.0～29.3 12～13 130 74～70 1.0
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