自动焊在现代煤化工项目上的研究与应用

武建朝， 王晓娥

(陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000)

0 前言

自动焊具有高效、节能、稳定、成形美观、对焊接作业人员要求低等优点，在发达国家工业基础设施建设应用较为广泛[1-3]。而在中国煤化工项目的施建设中，自动焊应用率相对较低，多为手工焊或半自动焊[4]。针对这一现状国内部分国有大型施工企业也在积极推进自动化焊接技术，但较多的应用在工厂化预制过程中，相对整个煤化工施工全过程，自动焊约占总焊接量的20%左右，剩余焊接工作量仍然需要手工焊来完成。近年来，随着国内人口红利的逐渐消失,人工费用快速上涨,这将会引导煤化工建设行业从原来的粗放发展模式向高质量发展方向转型升级。这也必将带动自动焊在煤化工工程建设领域的应用提升一个新的高度。

在煤化工项目基础设计时就对管道、设备、结构的材料选用提出了严格的要求，尤其是近代煤化工技术的发展，现场高温、高压管道，耐腐蚀、超低温超限设备随处可见，如何降低材料重量，提升材料性能，设计单位对材料的性能要求也越来越高，新钢种和特殊性能材料得到了有效应用，从而对超高强钢、耐热钢、抗H不锈钢、铝镁合金、锆或钛合金、复合钢及异种钢的焊接问题也提出了更高要求。手工焊虽然可以完成一些高精尖的材料焊接难题，但手工生产效率低、制造成本高、质量不稳定，根本无法满足高质量发展要求，自动焊的充分投入也将成为企业在新的一轮竞争中获得优势,处于行业的领先地位的主要途径，也必将引领中国的煤化工项目建设进入一个新的发展阶段。

1 自动焊研究现状

焊接的发明可追溯到中国商朝，主要用于冷兵器的制作，焊接形式主要有铸焊、钎焊和锻焊，直到19世纪70年代电力的发展和应用，国外电弧焊、电阻焊、气体保护焊、埋弧焊、摩擦焊、气电焊、电子束焊、等离子弧焊、激光焊等相继问世。随着第三次工业革命的到来，中国在苏联的帮助下重新建立了自己的焊接技术体系并培养了新世纪的焊接人才，为现代工业发展奠定了良好的基础。现在中国的焊接技术已基本走在世界前列，无论是神州探月，还是珠广澳大桥，又或者是大型LNG运输船和中国核电走出国门都足以证明中国焊接技术的发展程度，尤其是中国的煤气化技术在10年前已经跻身世界领先水平。但就是这样的荣誉背景下，国内煤化工项目建设过程中依然以人工焊接为主，自动焊技术为辅，包括世界在建最大煤化工项目陕煤集团榆林化学煤炭分质利用制化工新材料示范项目，手工焊焊工进场技能验证人数高达5 500余人，埋弧自动焊技术和半自动气体保护焊在整个项目的焊接工程量占比不足20%，这是焊接技术发展不平衡的有力显照。

对比国内外的管道自动焊接，其焊机系统具有相似的结构，普遍采用带有轨道的焊接小车(图1)或磁吸式焊接小车(图2)来模拟人工焊接。通过计算机或遥控板来设置的焊接工艺参数及焊接模式等。整个系统主要由焊接机构、遥控终端、焊接电源3个部分组成。焊接小车的机械臂夹持着从焊接电源引出的送丝、送气、送药装置和焊枪，以方波或三角波的路线行走，完成焊接。目前国内的自动焊基本有以下2种：一种是简易的自动焊设备，工人需要一边戴着面罩近距离观察焊接熔池成形状态，一边手持小型的遥控器及时进行参数调整来保证焊接质量。现场占用空间小，主要适用于2G位置的焊接；另外一种是从国外引进的钨极惰性气体保护自动焊机，通过小车机械臂附着的微型探头在电脑屏幕观察熔池并按照设定的焊接工艺实现全位置窄间隙自动焊，生产效率较高，可焊接全位置焊缝，节约焊材和焊接试件，但设备占地面积较大，对于煤化工项目错综复杂的管道布局适应性较差。

图1 带有轨道的焊接小车(非磁性管道)

图2 磁吸式焊接小车(磁性管道)

2 自动焊在煤化工项目的优势

2.1 人力投入明显减少

中国是世界人口第一大国、同时也是制造大国，而就在中国从制造大国向制造强国转型的过程中，各行各业都需要更多的专业技术性的人才，焊接行业也不例外。但目前从事焊接的技术工人多数为70后和80后，且主要是手工焊技术工人，90后和00后从事焊接技术工作的人少之又少，直接导致焊工人工价格上涨到600元/工作日，焊接特殊材质的焊工甚至高达1 000元/工作日。而自动焊的时间效率约为人工焊接的7.5倍，经济效率约为人工的2.75倍，这一角度来看，自动焊的应用一定能够将这一问题进行有效地缓解甚至是解决，如果自动焊能够在煤化工项目的得到广泛应用，使得日后煤化工项目建设焊接资本投入可以大幅下降。以上数据是2021年通过对煤化工项目现场人工焊接和自动焊的耗时、材料、机械、台班进行全面统计，通过现场实践证明，自动焊的应用，大大的提高了生产效率，降低了生产成本。

2.2 经济效益显著提升

时间效率分析数据主要来源于现场手工焊和埋弧自动焊正常作业环境下统计所得，即在氩弧焊打底完成的情况下，采用人工填充盖面和采用自动焊填充盖面的时间比值。经济效益分析主要是根据人工通过填充盖面所消耗的人工时及焊条费用，与自动焊所消耗的吊车台班、自动焊机械台班及焊丝、焊剂的费用比值。现场实测证明，自动焊填充盖面的平均时间效率是手工焊的7倍左右，大厚壁管道焊口焊接时间效率更是达到10倍左右，同时平均经济效益是手工焊填充盖面2.4倍左右，大厚壁管道焊口焊接经济效益更是达到2.9倍左右；自动焊的应用，大大的提高了管道焊接的生产效率，降低了生产成本，并且在大厚壁管道上优势更加明显。自动焊与手工焊时间和经济效益分析对比见表1。

表1 自动焊/手工焊时间效率和经济效益

2.3 焊接质量优于手工焊

经过对现场手工焊和埋弧自动焊各1 500道焊口无损检测结果进行统计，其中手工焊拍片6 074张，合格5 856张，焊接一次合格率96.4%，自动焊拍片8 250张，合格8 110张，焊接一次合格率98.3%。发现自动焊的焊接一次合格率略高手工焊，主要原因是手工焊人员的操作技术水平和心态差异，以及手工焊受周围的环境影响比较大，导致焊缝质量不稳定。自动焊的优点在于经过多次试验得出的理论参数，焊接速度、焊接电流、电弧电压、电弧推力都比较稳定，所以正常工况下自动焊的焊接一次合格率会高于手动焊，自动焊的焊接外观成形及焊缝质量也优于手工焊。另外埋弧自动焊电弧在焊剂下，受外界环境的干扰也比手工小，对焊接一次合格率高也有一定的正向作用[5]。在今后的煤化工项目建设中，自动焊为主，手工焊为辅也必将形成趋势。

2.4 完全满足生产需求

社会的发展不仅仅带来的是科技的进步，同时也对资源与生产效率提出新的发展要求，伴随全球化竞争关系日渐明显，一个专业技术的停滞不前有可能导致整个行业失去全球竞争力和影响力，尤其是煤化工行业已然形成了一个新的完整工业体系。在这样的时代背景下，自动焊技术、设备、人才的革新即将成为施工企业今后在煤化工行业竞争力及持久度的一大标准，传统的手工焊也必将成为煤化工行业焊接工作的辅助技术。为了更好的适应生产需要，焊接从业人员必须从科学技术中寻找革新的机会与手段，积极学习和使用自动化焊接技术来适应新时代发展要求。另外在项目建设过程中难免会出现抢工期问题，由于工人连续疲劳作业和按完成工作量获得报酬的情况下，手工焊接的质量基本是无法保证的，而自动焊利用其自身机械化程度高、焊接质量可靠的特点，更能适应现代煤化工项目高质量、高标准、短工期的建设要求。于情于理自动焊在现代煤化工项目上的应用是完全值得推广的。

3 煤化工项目自动焊技术分析

3.1 煤化工项目焊接方法选择影响因素

在中国煤化工项目建设过程中，因手工焊操作简便、适用位置灵活、表面成形容易控制、返工概率低等特点被广泛采用。随着科学技术的不断发展、计算机在工业生产中普及，自动焊的优势也日渐凸显，因其大幅提升了焊接效率和焊接质量、成形美观、简单易学、对操作人员的水平要求交低，所以近些年发展迅速，已逐渐成为现代煤化工项目焊接的重要方式，但目前国内煤化工项目的建设主要被中国化学集团旗下的设计院和施工单位承包，施工单位改制后基本上没有了该单位的施工工人，将基本的焊接任务全部以劳务形式承包给劳务公司，劳务公司本身受到资金、人才和科研基础的限制，无法完成自动焊的实施，所以在一定程度上制约了自动焊在煤化工项目的应用，这也是自动焊推广不够全面的主要原因，从而导致国内煤化工项目建设过程中仍以手工焊为主，自动焊为辅现象的产生。

3.2 煤化工项目自动焊实施注意事项

因自动焊机焊接的局限性，所以在焊接前需要注意以下事项：①自动焊在焊接前需要在实验室完成基本的焊接工艺评定，在各项结果评定合格后，按照PQR编制焊接作业指导书来指导现场进行焊接工作；②自动焊对焊缝坡口质量要求较高，坡口一般严格按照工艺卡要求并采用机械方式进行加工，同时要保证管子切口端面倾斜偏差不大于管子外径的1%；③因管道对接焊缝的特殊性，在自动焊实施前需要人工完成根部焊道的焊接工作，一般宜焊接2层以上，防止后续自动焊焊接时电流大烧穿根部焊道，尤其是Cr，Ni含量较高的材料，焊接时要及时检查根部焊道质量；④在自动焊填充焊缝时要先在试验管道上进行预焊接，以便检查焊接小车行走轨迹、送丝送气系统、焊接成形质量是否正常，然后开始正式焊接工作；⑤在焊缝盖面焊接时，要结合表面焊道的宽窄来选择相应直径的焊丝和焊枪摆动幅度。实施盖面过程中，焊接起始位置要和中层焊缝留下足够间隙，进而避免出现中层焊缝表面引弧或焊缝表面余高超高现象的产生。

4 某项目中P91埋弧自动焊应用效果

4.1 焊接工艺参数

由于P91管道材料焊接工艺特性的要求，在材料领用、材质PMI复验、防腐、标识移植、下料、坡口制备、组对焊接、预热、GTAW封底焊接、SMAW焊接、层间温度、层间厚度、根层探伤、外观检查、最终热处理、无损检验等多道工序均必须进行严格监控。焊接时应严格遵守焊接工艺卡规定的工艺参数，不得随意改变评定合格的工艺参数，如确需改变的应重新进行工艺评定。埋弧焊接过程中不易过早剔除药皮保护，防止裂纹产生。埋弧焊剂使用前应按照厂家给定的参数进行烘干，同时P91焊剂不得重复烘干使用。P91管道埋弧自动焊焊接工艺参数见表2。

表2 焊接工艺参数

4.2 脱渣效果对比

经相同的焊接作业环境试验对比显示，国产某知名品牌脱渣效果整体优于国外某知名品牌，焊缝成形基本相当，均未发现表面焊接缺陷。脱渣效果如图3所示。

图3 脱渣效果

良好的脱渣性能可以提高焊接效率，降低焊接操作工工作量，但也容易造成焊接操作工跟踪不到位，产生偏弧或清渣不及时等。

4.3 焊缝熔敷金属含量对比

在相同条件下，经检定合格的便携式半定量光谱仪(PMI)测定焊缝熔敷金属含量结果对比显示，国外某知名品牌的焊缝金属重要成分含量整体优于国内某知名品牌，尤其是关键元素Cr的含量最为明显，但整体含量均满足标准要求。焊接工艺参数见表3，热处理工艺760 ℃×2 h，熔敷金属含量见表4。

表3 焊接工艺参数

表4 焊缝熔敷金属含量(质量分数，%)

4.4 焊缝力学性能

表5 焊缝力学性能

(1)

4.5 焊缝及热影响区高温回火组织

因P91钢冷裂倾向较大，在一定条件下，容易产生延迟裂纹，故焊接接头必须在焊后进行回火处理。P91焊后状态的组织为板条状马氏体，为高硬度的不稳定组织，经过回火可变为回火马氏体，其性能较板条状马氏体优越。回火温度偏低时，回火效果不明显，焊缝金属容易时效而脆化；回火温度过高，接头又可能再次奥氏体化，并在随后的冷却过程中重新淬硬。因此高温回火温度区间选在750～770 ℃，恒温不低于2 h(可根据壁厚计算调整)。

经高温回火后，用三氯化铁盐酸水溶液侵蚀后观察焊缝和热影响区组织如图4、图5所示，国产某知名品牌及国外某知名品牌金相试验均未发现细粒状渗碳体、粒状珠光体及回火索氏体，未见异常组织，满足使用要求，但国外品牌相对国内品牌的晶粒更加细密。因现场试验条件有限，未能完成30 000 h的高温蠕变试验，待项目后期更换主蒸汽管道时，争取从替换下主蒸汽管道上截取试样，完成相应的试验。

图4 国产某知名品牌

图5 国外某知名品牌

5 自动焊在煤化工的应用实践前景

5.1 过程智能化

根据现代化科技发展要求，系统集成智能化焊接将成为现代自动焊的重要发展方向之一，如何实现现代自动焊，首先要加强自动焊机器人、专用机器及其相关设备及智能焊接系统的研发，从而推进煤化工项目自动焊智能化发展。同时自动焊智能化的研究方向要更加着眼于对焊接控制的精准度、有效性、实用性等方面，在一定程度上将焊接工艺带入了一个新的方向与进程。

5.2 应用范围扩大化

现代煤化工项目自动焊智能化不仅要积极响应国家高质量发展要求，同时也要在机械制造、造车造船、电力建设及大型或超高层建筑行业产生影响，促使自动焊智能化成为国内工业生产的结实力量。在未来的发展进程中，从业人员及研究人员在实践中需要积极将其他技术与焊接进行有机地结合，从而使得焊接技术能够实快速、有效、精准度的提升；另一方面，焊接机器人与智能系统也要做到紧密结合，力争做到自行调整与矫正，通过利用手机现有的智能镜头和测距功能对周围环境进行识别，根据现场焊接要求以及焊接结构来自行进行焊接路径的规划与实现，这样自动焊智能化将有无限的可能，也将拥有更为广阔光明的前景。

5.3 设计灵活性

自动焊智能化的推广与应用将促使焊接技术领域的高端化、多元化发展，研发人员在其设计时不仅要注意其实用性与可操作性，还需要考虑应用的广泛性与灵活性，针对不同的焊接环境、焊接结构、操作过程来设计相关操作程序并进行集成，并伴随着科技的进步，使其应用范围的不断扩大，更促使了相关技术与产业的不断完善与成熟，数字控制技术有了一定程度的提高。在面对煤化工行业多元化的产业发展要求，自动焊在不断完善自身的实用性的同时也要注重设计的轻便性和灵活性，来满足精密、复杂焊接环境的施工需求。另外也要积极引用丰田汽车制造的蜂巢概念，加强同类产品配件通用性，提高制造效率，降低焊接智能设备的制造成本，更好的适配于各个制造产业。

6 结束语

加快自动焊在煤化工项目的应已迫在眉睫，自动焊的广泛应用，不但可以提高焊接作业效率、降低生产成本适应现代煤化工建设基本要求，而且对促进煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展有着积极的作用，同时也对加强自焊接技术科技创新和加快自焊接关键核心技术攻关有着积极作用。另外针对煤化工项目自动化焊接工艺与质量控制的分析是十分必要的，明确煤化工项目自动化焊接技术，依据工程详情选择合适的施工工艺，对于煤化工项目自动化焊接的常见问题进行分析讨论，制定出更具针对性的应对方案，探索煤化工项目自动化焊接质量控制措施，为工程质量和效率提升提供新的思路。还为自动焊焊接技术搭建完善的质检体系，进一步强化质量意识，提升管理水平，对于后续煤化工项目自动焊的开展打下坚实基础。