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摘 要：本文結合大口徑不銹鋼焊管行業對自動化焊接裝備的需求，根據不同板厚選擇相應的焊接工藝，根據不同要求的焊管制定相應的焊接裝備，本文著重介紹了自動化裝備和焊接技術在該焊管行業中的應用。
前 言
不銹鋼焊管具有較好的耐腐蝕性能，目前不銹鋼焊管的運用主要集中在石油、化工、電力、造船、醫藥、食品、軍工、機械、水處理等行業, 隨著不銹鋼焊管工藝的日漸成熟，其需求領域正逐步擴大。目前我國是全球最大的不銹鋼焊管生產國，據中國鋼管協會統計，中國大約有2000家不銹鋼焊管生產企業，2012年產量達107820噸；在這些企業當中，不少規模企業正在加大自身技術開發及產品研發力度，在增強自身影響力的同時，也加大了我國在國際上的影響力。
用先進的自動焊接工藝和與之相配套的自動化裝備可以大幅度提高產品質量，提高生產效率, 降低制造成本，改善工人的勞動條件。然而，早先國內焊管生產線目前仍處于比較落后的狀態，由于國內原先還沒有很好的大口徑不銹鋼焊管成套焊接系統，所以大多數廠家采用手工電弧焊和手工氬弧焊，
這兩種焊接方法應用不銹鋼焊管生產線有很多缺點：板材焊前坡口制備成本高；焊接效率慢；由于是手工操作, 焊接質量得不到保證，產品合格率低；熱輸入量大，工件變形大等。與之相比，等離子焊接由于能量集中，不開坡口, 一次可實現8mm不銹鋼一次單面焊雙面成形，大大減少了焊前準備工作，保證了質量，提高了效率，所以大力推廣自動化焊接工藝和裝備在大口徑不銹鋼焊管行業中的應用勢在必行。
1、大口徑不銹鋼焊管制造工藝、工件情況及焊接質量要求
國內不銹鋼焊管生產主要采用連續成型機組和UOE方法生產，本文介紹的大口徑不銹鋼焊管由于口徑比較大，不易采用連續焊管線方式進行制造，采用圖1工藝流程進行制造。
圖1 工藝流程
根據市場及運輸等要求該口徑焊管制造長度一般為6000mm，但也有12000mm，材質為奧氏體不銹鋼/鐵素體/雙相不銹鋼如304（1）, 316（1），321，2205等，一般應用用工業。材料厚度在3~14mm，直徑一般在Φ133~Φ1220mm，焊縫質量要求外觀成型美觀，X射線探傷二級合格，有些行業要求內表面成形平整光滑，產品示意圖見圖2。
圖2 產品
2、焊接工藝
根據工件材質和壁厚情況，以及焊縫質量要求，采用高能束等離子焊接工藝為主來解決該類焊管焊接是比較合理和先進的。由于壁厚在3mm以上，利用等離子能量集中，穿透能力強（不銹鋼3~8mm可不開坡口，一次焊透）的優點, 提高焊管效率和質量；如果壁厚在8mm以上可以采用工件開坡口留鈍邊的方式，應用等離子打底，等離子蓋面/TIG蓋面/埋弧焊蓋面（根據壁厚和焊接工藝進行選擇）；目前根據客戶產量需求應用較多的是以下工藝。
單槍等離子（PAW），主要應用于壁厚在6mm以下；
等離子/氬弧焊切換（P/T），主要應用于壁厚在8mm以下，需要適當填焊絲的情況；
等離子 氬弧焊冷絲或者熱絲（P T），主要應用于壁厚在8~10mm以下，可以提高生產效率30%以上和獲得更加美觀的外觀成形；
等離子/氬弧焊/埋弧焊（P/T/SAW），主要應用于10~14mm為主的管徑，采用等離子打底，SAM蓋面提高生產效率。
針對不銹鋼焊管，等離子和TIG保護氣建議使用氬氫混和氣體，氫氣含量在5%，加入氫氣一方面提高電弧能量，另一方面更重要的是提高保護效果，因為氫氣是還原性氣體，不銹鋼中含Cr量比較多，在帶有還原性的氣體保護下，可以避免氧化現象，增加熔池的流動性，從而得到更加好的保護效果及焊縫成形，尤其是等離子溫度高，氧化傾向大，如果后面有TIG蓋面, 等離子焊縫氧化嚴重，會使得TIG焊縫無法成形。
對于厚度大于8mm的工件，建議開如圖3的坡口。
圖3 坡口型式
3、自動化焊接裝備配置
結合客戶的工件狀況和華恒公司在該行業應用的經驗，有單一解決方案和綜合解決方案，具體介紹如下：
3.1大型焊接拼板裝備
由于目前單張不銹鋼寬度最大在2200mm， 所以直徑在Ф700mm以下可以選擇單張板下料卷制而成，對于直徑大于該范圍的需兩張板拼接后進行卷制，如果采用簡易方式或在平臺上焊接，一方面無法實現單面焊雙面成型效果，另一方面焊接變形非常大，焊接完成在卷制前還需打磨和整形，工作量比較大而且效果不佳。
為了保證拼接質量，建議采用專門的焊接裝備來完成，即采用大型琴鍵式拼接裝備來完成（見圖4），一方面該裝置有進出料平臺，對中機構, 可以實現兩張板輕松組對，在琴鍵壓指下進行壓緊，無需點焊；另一方面該拼板設備可以很好的導熱，與板材接觸的地方全部采用導熱性能好的紫銅或銅合金，下面的紫銅襯墊還通水冷卻，提高冷卻能力，再加上采用高能束等離子工藝，板材拼接后變形量會小，而且可以實現穩定的單面焊雙面成型效果，對于解決兩張板拼接是非常理想的焊接裝備。
圖4 拼板設備
3.2邊梁縱環縫焊管裝備
邊梁縱環縫焊管裝備主要由邊梁行走機構，管件芯軸支架和內保護機構以及配套的焊接電源及焊槍系統等組成，能很好的解決大口徑焊管工件尺寸不是很大，但焊縫長的問題，具有占地面積小，工件吊裝方便等特點。見圖5，目前該方式普遍應用于該行業。
圖5 邊梁焊管裝備
邊梁橫梁經精加工而成，橫梁上安裝有小車和直線導軌，小車載著焊槍系統做直線運動進行縱縫焊接，焊槍不動，滾輪架帶動工件旋轉進行環縫焊接；與之配套的管件芯軸支架，可以升降適應不同直徑管徑支撐，同時芯軸支架內有槽和軌道，安裝有內保護小車通保護氣體。在焊接時焊槍和內保護裝置同步行走，實現穩定的單面焊接雙面成形工藝。
3.3 焊管內焊縱縫裝備
在某些場合下，需要對管子焊接內焊縫進行重熔工藝，以獲得更加平滑的焊縫；或者通過加絲填充來修補如咬邊等缺陷，以獲得符合優質焊管的焊縫。還有對一些厚度大的管子，可以先內部封底焊，再在正面進行填充蓋面。在這些情況下，就需要焊管內焊裝備。
焊管內焊裝備由管件支撐機構，內焊行走機構和微型焊槍和機制性機構、監視系統等組成。目前有兩種內焊方式，一種剛性橫梁，在溜板里直線運動帶動焊槍移動，但是橫梁需要一定的剛性，由于焊管比較長，所以管徑受到一定的限制；另外一種方式采用柔性的鋼絲繩在拉緊狀態下做剛性行走軌道，小車在剛性機構驅動下沿鋼絲繩軌道行走進行焊接，這種方式可以適應更小直徑焊管內焊。這兩種裝備見圖6、7。
圖6 內焊裝備一（橫梁移動方式）
圖7 內焊裝備二（鋼絲繩方式）
3.4焊管綜合一體式縱環縫焊接裝備
以上介紹的是單一解決方案，下面介紹的是焊管綜合解決方案，該裝備既可以進行焊管外直縫和外環縫的焊接，又可以實現焊管內直縫和內環縫的焊接，同時內支撐系統還可以作為外焊時的內保護系統，所以該裝備（見圖8） 是焊管綜合式裝備，有望在該行業得到大力推廣和應用。
圖8 綜合焊管焊接裝備
該裝備采用焊接系統不動，工件行走的方式來實現，即焊管防置在可移動的滾輪加上，外焊系統放置在操作機上，根據管徑大小，橫梁上下移動到位，內焊系統放置在一剛性懸臂支桿上，為了減小懸臂桿的剛性和重量，在懸臂桿的端頭裝有萬向鋼球可以支撐鋼管內表面，此外在懸臂桿下面配有可移動支撐托架。滾輪架的移動為了適應精密焊接需求，采用精密導軌配合齒輪齒條嚙合來實現。
3.5 應用大口徑焊管的焊接技術
在上面介紹的裝備上，無論哪一種方式，都可能應用等離子焊接技術、冷熱絲TIG焊接技術、埋弧焊技術，此外與之配套的還有等離子焊槍技術、弧長跟蹤技術、離子氣控制及衰減技術、焊槍橫擺技術、自動送絲技術、熱絲技術、攝像監視技術、雙槍焊接時的抗干擾技術、焊槍與背保護同步技術、不銹鋼焊接保護技術等，這里這些技術不做重點介紹。
4、實際應用及焊接效果
下面通過圖片（圖9、10、11、12、13、14） 展示在大口徑不銹鋼焊管的裝備及技術應用。
圖9 拼板設備
圖10 邊梁焊管設備
圖11 焊管內焊設備
圖12 綜合式焊管設備
圖13 焊縫正面外觀成形
圖14 焊縫背面外觀成形
5、結束語
中國的不銹鋼焊管行業經過20多年的蓬勃發展，已經取得了長遠的進步，不僅滿足了國內市場的大部分需要，而且出口到世界上許多國家和地區，我國已成為不銹鋼焊管的出口大國。
我們僅僅在中低端出口市場占有一定的份額，尤其是裝飾焊管，但在工業大口徑焊管以及高端產品不僅很少出口，國內許多高端的不銹鋼焊管還需要進口。面對國內工業蓬勃發展的局面,自動化焊接裝備企業和廣大的焊管生產企業共同努力，用先進的等離子技術和裝備技術焊接不銹鋼焊管取代傳統的焊接技術，
不僅可以大大降低制造成本，而且提高了焊接質量及生產效率，有利于改善目前我國不銹鋼焊管生產線的落后狀態，為我國迅速發展的石油，化工，電建等行業提供大管徑焊管，從而加快焊管行業的技術及設備革新，真正成為世界不銹鋼大口徑焊管的大國和強國。
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