第10章　管道自动焊技术

10.1　管道自动焊的分类及特点

10.1.1　管道自动焊概述

（1）管道自动焊的概念

用自动焊接装置完成全部焊接操作的焊接方法称为自动焊。

用管道自动焊接装置完成全部管道焊接操作的焊接方法称为管道自动焊。

管道自动焊是由焊接电源、焊接小车和控制系统三大部分组成。焊接电源的作用是向焊接电弧提供所需的电能；焊接小车的作用是焊丝的送进、送气、焊枪的摆动和焊枪的移动等；控制系统的作用是将焊接电源和焊接小车有机地结合起来，控制焊接小车按设定的程序和参数进行工作。

（2）焊接自动控制基本原理

①焊接自动控制系统。能够对被控制焊接对象的工作状态进行自动控制的系统称为焊接自动控制系统。它一般由被控对象和控制装置组成。被控对象是指需要实现自动控制的元件、设备或生产过程。控制装置是指对被控对象起作用的设备的总体。

②控制系统的基本组成。一个自动控制系统的基本组成环节如图2-10-1所示。它主要包括如下几个环节。

a.测量环节。又称检测元件或传感器，它对系统输出量进行测量。例如，在焊接过程中检测电弧与焊缝（被调对象）的某一物理量（诸如电弧电压、焊接电流、焊接速度、熔深、熔宽等）的环节就是检测环节。被检测量通常就是输出量。控制量与给定值进行代数运算，给出偏差信号的环节。

b.比较环节。对被控制量与给定值进行代数运算，给出偏差信号的环节。

c.放大环节。对偏差信号进行放大和变换，使被控对象得到一定调节作用所需偏差减小的环节。

d.执行机构。根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制职能。它是通过改变被调对象某个物理量来完成调节动作的。调节对象的该物理量称为操作量，或调整动作量、控制量。为达到同一调节目的，被控对象的操作量可以不同。例如，在电弧电压（熔化极）自动调节系统中，为调节电弧电压可以通过调节弧长，即调节送丝速度来达到目的，也可以通过改变电路中阻抗参数来完成同一控制要求。

e.被控对象。指自动控制系统中需要进行控制的元件、设备或过程。在弧焊自动控制系统中，被控对象往往是焊接电弧。有时需要讨论焊缝的熔深、熔宽控制，则焊缝本身（熔池）就变为控制对象了。

③闭环与开环系统。自动调节系统的特点在于：它是一个闭环系统，即输出的被调量和输入端之间存在着反馈关系，形成一个闭合的环路。相反，开环系统指不存在反馈关系的系统。在闭环系统中，从被控制量经检测元件到输入端的通道，称为反馈通道；而从给定值、放大器、执行机构到被控对象的通道称为前向通道。

闭环控制系统有以下三个机能。

a.测量被控制量。

b.将测定的被控制量的值与给定的希望值进行比较。

c.根据比较的结果（偏差值）对被控制量进行调整修正，而且只要有偏差存在，这种调节作用就不停止，这就是“检测偏差，纠正偏差”。

④扰动信号。一般情况下，控制系统受到两种输入信号的作用：有用信号（给定值）的作用和扰动的作用。系统的有用信号决定系统被控制量的变化规律，它或者保持某一定值，或者按某一函数规律变化。

扰动信号对任何控制系统都是难免的，它可以作用于系统中的任何部位。控制系统必须克服扰动信号作用的影响，使系统的输出按给定规律变化。

⑤自动控制系统的基本类型

a.自动镇定系统（定值控制系统）。系统的输入量（即给定值）是常数或者是随时间缓慢变化的，系统的任务就是在有扰动的情况下，使输出的被控制量保持在给定的希望值上。电弧能量参数控制系统、焊缝参数控制系统都属于自动镇定系统。

b.随动系统（跟踪系统）。系统的输入量是任意随时间变化的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任务是保证输出的被控制量以一定的精度跟随输入量的变化而变化。焊缝跟踪系统就属于典型的随动系统。

c.程序控制系统。系统的输入量是一个已知的时间函数，系统的任务是使输出按一定的精度随输入而变化。

在焊接过程自动化系统中，经常碰到的是以上三种类型。

10.1.2　管道自动焊的分类

管道自动焊按焊接方法、保护气体种类、焊丝类型、电源种类、焊枪数量、焊接功能和焊接方向等分类，具体分类见图2-10-2。

10.1.3　管道自动焊的特点

管道自动焊与焊条电弧焊相比有如下特点。

（1）管道自动焊的优点

管道自动焊有以下优点。

①电弧燃烧稳定。

②焊缝成形美观。

③焊缝接头少。

④焊缝焊接缺陷少，无损检测合格率高。

⑤层间清理简单（气体保护焊）。

⑥焊缝的力学性能较好，具有较强的抗裂性。

⑦焊接效率高，可提高2～5倍。

⑧操作简单，劳动强度低。

⑨焊接时产生的有害烟尘少。

⑩焊接成本较低。

（2）管道自动焊的缺点

管道自动焊有以下缺点。

①由于采用气体保护时，抗风能力差，必须采取防风措施。

②焊接设备一次性投入较大。

③焊接设备较复杂，设备的维护、保养和修理较复杂。

④对管口质量要求较高。

⑤管道自动焊的适用性较焊条电弧焊差。

10.2　焊接坡口的制备及组装要求

坡口形式、坡口尺寸和组装质量，对焊接质量和焊接效率有着关键性的影响，对上述指标的重视程度也越来越高。在正常范围内，坡口越窄则焊接接头的力学性能越好，焊接效率也越高，操作难度也越大；坡口越宽则焊接接头的力学性能越差，焊接效率也越低，操作难度也相对小些。不同方法的管道自动焊对焊接坡口有不同的要求，下面就常用的坡口形式进行介绍。

10.2.1　V形坡口

V形坡口是应用最为广泛的一种坡口形式，V形坡口的主要特点如下。

①适用范围广，可适用于各种厚度的对接接头。

②加工简单，加工成本低。

③通过调节坡口角度，较易得到不同宽度的坡口。

④V形坡口，可满足单面焊双面成形的要求。

V形坡口尺寸和组装要求见图2-10-3。

10.2.2　U形坡口

U形坡口的主要特点如下。

①适用于厚度δ≥10mm的对接接头。

②加工较难，加工成本较高。

③焊接填充量少，焊接效率高。

④可满足单面焊双面成形的要求。

U形坡口尺寸和组装要求见图2-10-4。

10.2.3　复合形坡口

复合形坡口的主要特点如下。

①适用于厚度δ≥10mm的对接接头。

②加工较难，加工成本较高。

③焊接填充量少，焊接效率高。

④可满足单面焊双面成形的要求。

复合形坡口尺寸和组装要求见图2-10-5～图2-10-7。

10.3　管道自动内焊焊接工艺

10.3.1　管道自动内焊概述

管道自动内焊机是一种在管道内部完成管道环焊缝根焊道焊接的自动焊设备。根据管径的大小，内焊机设4个焊枪、6个焊枪或8个焊枪，将焊枪分为顺时针组和逆时针组。焊接时，顺时针组焊枪全部引燃同时焊接，完成半圈根焊道的焊接；然后，顺时针组焊枪全部熄弧，逆时针组焊枪全部引燃同时焊接，完成后半圈根焊道的焊接。4焊枪内焊机，每个焊枪的焊接长度为90°的弧长加10～15mm；6焊枪内焊机，每个焊枪的焊接长度为60°的弧长加10～15mm。管道自动焊流水作业线见图2-10-8。

管道内焊机由焊接车、焊接电源、控制系统、供气系统、对口器和焊枪系统六大部分组成。

管道内焊机的特点如下。

①焊接效率高，不论管径大小，焊接一道根焊焊道的纯焊接时间一般在2min内。

②焊接操作简单，具有初中以上文化的人员经一周培训，即可操作内焊机。

③根焊道的内部成形美观，焊接合格率高。

④管道自动内焊机组装时不留间隙，组装效率较高。

⑤管道自动内焊机，必须采用专用的管道坡口机现场加工坡口，对坡口的质量和组装质量要求较高。

⑥内焊机的适用范围小，通常一台内焊机只能焊接一种管径的钢管，经调整适用管径范围也只能在±50mm的范围。

⑦设备昂贵，一次性投资较大。

⑧设备复杂，维护和维修的难度较大。

10.3.2　管道自动内焊设备

（1）焊接车　焊接车通常由发动机、行走机构、发电机和气泵四大部分组成。焊接车的作用是：给焊接电源提供电能；将焊接电源、控制系统、气瓶等装在焊接车上，起到移动上述设备的作用；空气气泵的作用是向对口器提供压缩空气的。管道内焊机和焊接车外形见图2-10-9。

（2）焊接电源　6焊枪自动内焊机，有4台焊接电源。同时使用的焊接电源3台，1台电源作为手工修补和作为备用电源；8焊枪自动内焊机，有5台焊接电源。同时使用的焊接电源4台，1台电源作为备用电源；所用电源为具有恒压特性的直流电源。

（3）控制系统　控制系统包括控制焊接电源与内焊机的信息传递和焊枪的动作（焊枪的抬起、焊枪沿圆周方向的运动、焊丝给进及送气等）。

（4）供气系统　供气系统由气瓶、气管、喷嘴和供气控制部分组成。根据焊接的需要可采用CO2、Ar和混合气体等。

供气系统的作用：保证焊接用气的供给（提前送气、滞后关气、气体流量、气体混合比例等）；保证焊枪动作的用气，即焊枪的抬起和收回。

（5）对口器　对口器的作用：给焊枪定位，确保焊枪对中在坡口的中心；组装管口，使组装质量达到标准和设计要求（在管口质量符合标准和设计要求的前提下）。

（6）焊枪系统　焊枪系统是内焊机的关键部分，它是实现焊接的机构。所有的设备都是为焊枪机构服务的，各系统各机构工作的是否正常均体现在焊枪的各个动作上。焊枪系统的作用是引燃电弧、焊丝的送进、保护气体的给送、焊接电弧的移动、熄弧等。

10.3.3　管道内焊自动焊坡口的准备

管道内焊自动焊需要专用的坡口形式，坡口形状及尺寸见图2-10-5。坡口的质量直接决定着焊缝的质量，坡口机的性能和操作者的水平决定着坡口的质量，所以应选择性能良好、加工效率高的坡口机。由于复合形坡口用常用工具较难精确地测量坡口的尺寸和误差，所以应根据焊接工艺评定和相关标准做出专用的测量工具，对加工的每个坡口进行测量，每个坡口的测量点数应不少于4点，且4点应均布的整个圆周上。对管口平面与管轴线的垂直度也应进行测量，每10个坡口只少测量一个，测量点数同样不应少于4点，且4点应均布在整个圆周上。如果发现坡口尺寸和垂直度有超标现象，必须对坡口机进行调整，并对不合格的坡口重新进行加工。由于采用自动化焊接，坡口尺寸必须控制在焊接工艺评定和标准要求的范围内，且应力求达到坡口尺寸的一致性。

在坡口机（见图2-10-10）的效率能够满足要求的前提下，应将当天加工的坡口全部焊接完，即加工的坡口不过夜。

10.3.4　管道内焊机焊接工艺

管口在组装前应检查管口的尺寸是否符合要求，管口清理是否满足要求（坡口及坡口两侧100mm范围内的铁锈、油污、水等清理干净，坡口及坡口两侧20mm范围内应见金属光泽）。

组装时应力求零间隙、零错边。如果存在不可避免的间隙和错边，则必须保证间隙和错边量在标准允许的范围内，并应尽量将错边均布在整个圆周上。如果由于管口椭圆等原因，错边不能均布在整个圆周上，则应将错边尽量放在立焊位置。若出现了不可避免的间隙，同样应将间隙尽可能放在立焊位置。

焊枪的定位，要将6个焊枪准确地定位在坡口的中心，偏差不得大于1mm。

焊接，一切准备就绪后即可启动焊接程序。焊接时，要随时观察各焊枪的工作情况（主要是焊接电流和电弧电压）是否正常。如果出现较大的波动，必须立即停机进行检查，找出原因，并将其排除后，方可重新焊接。根焊道的焊接工艺参数见表2-10-1。

10.4　管道自动外焊（根焊）焊接设备及工艺

10.4.1　概述

管道自动外焊（根焊）焊接设备是一种能够从管道外部完成管环焊缝全部焊道焊接的管道自动焊设备。由于本套设备价格较昂贵，所有焊道均采用本设备焊接，配一条ф1016mm×17.5mm的管道全自动焊流水作业设备，需3000万～3500万元。所以目前大部分管道施工企业，只用本焊接设备焊接根焊焊道，其他焊道配备常用管道自动焊外焊设备。

管道自动外焊（根焊）焊接设备与管道自动内焊自动焊设备相比有如下特点。

①根焊道焊接效率通常为内焊70％左右。

②焊接操作较内焊机复杂，具有初中以上文化的人员需经一个月的培训，方能较熟练地操作本焊机。

③根焊道的内部成形美观，焊接合格率高。

④管道组装时不留间隙，组装效率较高。

⑤管道外焊（根焊）机，必须采用管道坡口机现场加工坡口，对坡口的质量和组装质量要求较高。

⑥管道外焊（根焊）机的适用范围大，可适用于管径大于等于ф508mm的所有管道的焊接。

⑦管道外焊（根焊）设备与管道内焊根焊设备（ф1016mm）相比，管道外焊（根焊）设备是管道内焊根焊设备投资的1/2。

⑧设备复杂，维护和维修的难度较大。

10.4.2　管道自动外焊（根焊）设备

管道外焊（根焊）设备有如下9部分组成。

（1）焊接电源（2×400）　PWT的焊接电源是PWT公司与GENSET公司联合开发的，是一种较理想的管道自动焊电源，是由柴油发动机驱动的2台400A的一体机。

（2）电力供给系统　通过电力供给系统，将焊接电源提供的电力进行调整，从而满足不同系统的电力要求。

（3）焊接电流控制单元　该系统对焊机提供的电流进行斩波处理，并对焊接电流进行检测和控制。

（4）焊接小车控制单元　该系统共包括10个控制模块，这些模块控制着焊接的整个过程，是本焊接系统的核心部分。

（5）保护气体单元　该单元采用电磁阀对气体进行控制，从而满足不同气体的混合比，同时进行加热。

（6）编程器　该系统用于焊接工艺参数的设定和修改，当工艺参数发生变化时，必须用编程器来修改。本编程器可设定的主要参数有：送丝速度、焊接速度、摆动幅度、摆动速度、两侧停滞时间、电弧电压。

该编程器可在180°范围内每隔15°设定焊接工艺参数，以求得最佳的焊接质量。由于绝大部分的焊接工艺参数是由编程器预选输入，焊工不能对其修改或只能对少部分参数进行小范围内的变动，这就保证了焊接工艺参数的一致性，即保证了所有焊缝性能的一致性。

（7）焊接小车　焊接小车在有齿的轨道上自上而下行走，绝大部分参数均由计算机自动控制。焊枪的左右和上下移动由焊工操纵焊接小车面板（或小车遥控盒）进行控制。

（8）焊枪冷却系统　为了保证焊枪能在大电流下连续安全运行，本设备焊枪采用的是水冷法。

（9）HCU冷却系统　为了保证控制系统能在较恶劣的环境下正常运行，在其控制箱内加了一套空气冷却器。保证了控制箱内的温度，使各电器元件总是处于良好的工作温度范围内，也就是确保了各电器元件的正常工作。

10.4.3　焊接操作及焊接工艺

（1）坡口及组装要求　对于管道外焊（根焊）自动焊工艺来说，坡口质量和组装质量对焊缝质量的影响尤其明显。也就是说坡口和组装质量是焊接质量的基础，应在坡口形状、坡口尺寸和组装质量上多下工夫。在保证焊接质量的前提下，应尽量降低坡口的宽度，这可有效地提高焊接速度，降低焊接成本。

由于送丝速度、焊接速度、摆动幅度等参数都是预先设定的，所以要求坡口形状、尺寸和组装间隙应具有严格的一致性，波动范围越小越好。

坡口清理，应采用钢丝刷或砂纸进行清理，当采用砂轮机清理时，应注意不要损伤坡口。坡口及坡口两侧100mm范围内的铁锈、油污、水等清理干净，坡口及坡口两侧20mm范围内应见金属光泽。

经检查坡口和清理合格后，即可进行组装，组装间隙为零。如果存在不可避免的间隙，则最大间隙不应超过1mm，并应尽可能将间隙放在立焊位置。当存在不可避免的错边时，应将错边均布于整个圆周上；若无法均布，应将较大的错边放于立焊位置。

（2）焊接操作　坡口质量达到标准要求时即可进行焊接。焊前应将坡口质量、组装间隙等，先观察一遍，做到心中有数。坡口质量正常，基本无组装间隙，也无错边的情况下，焊枪应对准坡口的中心，干伸长度保持在10mm左右。焊枪位置、焊缝接头位置分别见图2-10-11和图2-10-12。

当焊接到错边位置时，应将焊枪向钝边低的一侧偏移1～2mm，见图2-10-13。钝边偏厚时，焊枪应压低些；钝边偏薄时，焊枪应抬高些。当存在对口间隙时，焊枪应适当抬高些。

（3）焊接工艺参数（见表2-10-2）

10.5　管道自动外焊（填充、盖面）设备及工艺

10.5.1　概述

管道自动外焊机是用于管道环焊缝填充和盖面焊道焊接的自动焊设备。主要由焊接车、焊接电源、控制部分、供气系统和焊接小车五部分组成。管道自动外焊设备与焊接电弧焊相比有如下特点。

①焊接效率高，可提高2～5倍。

②焊缝接头少，焊缝成形美观。

③焊缝焊接缺陷少，无损检测合格率高。

④焊缝的力学性能较好，具有较强的抗裂性。

⑤层间清理简单（气体保护焊）。

⑥焊接时产生的有害烟尘少，操作简单，劳动强度低。

⑦由于采用气体保护时，抗风能力差，必须采取防风措施。

⑧焊接设备一次性投入较大，设备维护、保养和修理较复杂。

10.5.2　焊接设备

（1）焊接车　焊接车通常由发动机、行走机构、发电机三大部分组成。焊接车的作用是：给焊接电源提供电能；将焊接电源、控制系统、气瓶等装在焊接车上，起到移动上述设备的作用。焊接车外形见图2-10-14。

（2）焊接电源　具有恒压特性的直流焊接电源，焊接电源的作用是向焊接电弧提供电能，保证电弧稳定燃烧。

（3）焊接小车　焊接小车，是焊接的最终执行机构。所有的焊接指令最终均体现在焊接小车上。焊丝的给送、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊枪的摆动均有焊接小车来实现的。常用管道焊接小车的外形见图2-10-15。

（4）供气系统　供气系统包括气瓶、供气管道、供气控制部分和气体喷嘴等。供气系统的作用是保证保护气体的正常供给（提前送气、滞后停气、焊接过程中均匀地向焊接区提供保护气体）。

（5）控制系统　控制系统的作用是把焊接电源、供气系统和焊接小车有机地连接起来，使焊枪按设定的程序运行。

（6）小车轨道　小车轨道分为有齿轨道和无齿轨道两种。有齿轨道的特点是小车的行走位置准确，但轨道的价格较高；无齿轨道的特点是可能产生打滑现象，但焊接轨道的价格较低。

10.5.3　焊接操作及焊接工艺

对于一条焊缝来说，各层焊道同等重要，没有次要的焊道，就更没有不重要的焊道。所以焊接任何一层焊道，都应认真对待。但从操作的难易程度上看是存在较大区别的。一般来说，根焊道的操作难度最大，因为它除要保证坡口两侧的良好熔合外，还要保证焊道的内部成形和外部成形。盖面焊道的操作难度也较大，这是因为盖面焊道应能保证焊缝的余高和圆滑过渡。对于填充焊道来说，第一层填充焊也有一定的操作难度，主是因为第一层填充焊道除保证熔合良好外，还应防止烧穿。

（1）第一层填充焊道的焊接　焊接第一层填充焊道前，应检查根焊焊道的外表面质量和清理状况。首先，应采用电动钢丝刷将根焊道表面的氧化层及其他附着物清理干净，然后检查根焊道的表面质量，如果凸起过高、两侧存在沟槽较深、焊道接头处过高均应采用砂轮机将其磨至不影响第一道填充焊道的焊接为准。采用砂轮机打磨时，应特别注意不要损伤坡口。若根焊焊道存在肉眼可见的缺陷，必须将其全部清除，如果磨去的深度低于正常焊道厚度2mm时，应将其补平后，再进行填充焊道的焊接。

第一层填充焊道的焊接，也是整个焊缝中关键的焊道，既要保证良好的熔合，同时也要保证不产生烧穿，所以必须选用准确的送丝速度、电弧电压、摆动幅度和干伸长度。

（2）其他填充焊道的焊接　第一层填充焊道焊接完成后即可焊接其他填充焊道，其他填充焊道主要应确保熔合良好，并应保证各层的厚度均匀一致。最后一层填充焊道的焊接，应焊至距坡口表面1mm左右，且焊道表面的凸起高度应越小越好。每层焊道焊完后，应清理表面的氧化层和表面附着物，焊道接头凸起的高度必须磨除。

焊枪的摆动位置和最后一层填充焊道的厚度分别见图2-10-16和图2-10-17。

（3）盖面焊道的焊接　盖面焊道的焊接也是焊接难度较大的焊道，对于管道全位置自动焊焊接管道环焊缝来说，常见的盖面焊道缺陷是整个焊道的宽度不一致（12点处较宽，6点处较窄）、咬边、焊道的余高不均匀（12点附近偏高，3、6点附近偏低，12点附近最高）。为了克服上述缺陷应采取如下措施。

①焊接过程中能够对送丝速度、电弧电压、摆动宽度、摆动频率（摆动速度）和两侧停留时间进行调节（分为自动调节和手动调节）的管道自动焊设备。应采取如下措施：降低6点附近的送丝速度、适当增大6点附近的电弧电压、适当增大6点附近的摆动宽度、适当降低6点附近的摆动频率、适当增加6点附近的两侧停留时间。焊接操作上，6点处应适当增加干伸长度。

②对于焊接过程中不能调节焊接工艺参数的管道自动焊设备来说（部分参数能进行一定范围的调节），必须将焊接工艺参数调节到能够适用各焊接位置的适中参数。需要焊工具有较高的操作水平，主要靠调节干伸长度来保证焊缝的成形。4（或8）点向下，干伸长度应逐渐加长。

③焊枪摆动方式为平摆或旗摆的管道自动焊设备，干伸长度的变化对焊缝宽度的影响不明显。但焊枪摆动方式为角摆的管道自动焊设备，干伸长度的变化对焊缝宽度的影响较大，干伸长度拉长焊缝的宽度也随之增大。所以角摆方式的管道自动焊设备，除6点附近需将干伸长度适当拉长以控制焊道成形和咬边外，其他位置应尽可能保持相同的干伸长度。

几种不同摆动方式焊枪摆动轨迹见图2-10-18。角摆方式干伸长度对焊缝宽度的影响见图2-10-19。

10.6　双焊枪焊接工艺简介

双焊枪焊接工艺，就是在同一焊接小车上有两把焊枪，在一名焊工的操作下同时焊接。双枪焊接小车通常有两种形式：一是，两把焊枪由同一电源供电，同一控制系统控制，两枪的参数完全相同；二是，两把枪由两个电源分别供电，两个控制系统分别控制，两枪除焊接速度相同外，其他参数均可以独立设定。双焊枪焊接工艺的主要优点就是焊接效率高。

由于双焊枪焊接工艺焊接效率高，所以通常用于焊接较大管径和壁厚较大的管道。双焊枪焊接工艺，一般采用内焊机焊接根焊焊道，单焊枪焊接小车焊接热焊焊道，双焊枪焊接小车焊接填充和盖面焊道。

10.6.1　双焊枪焊接工艺的特点

双焊枪焊接工艺有以下特点。

①焊接效率高，是单焊枪焊接效率的2倍。

②可以实现一次焊接两层两道，也可以一次焊接一层两道（排焊）。

③焊接设备复杂、价格昂贵。

④设备的维修操作较为复杂。

10.6.2　机组设备配备

以ф1220mm×22mm的管道为例，设备配备见表2-10-3。

10.6.3　机组人员组织

以ф1220mm×22mm的管道为例，人员配备见表2-10-4。