多絲埋弧焊低線能量化高效焊接工藝探討

趙 波，王能干，孫 奇，鞏忠旺，郭立萍

（1.中國石油集團渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣 062658；2.中國石油天然氣第六建設公司，廣西 桂林 541004；3.渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

目前油氣輸送用管線鋼焊管焊接生產(chǎn)所使用的最主要的焊接工藝方法為多絲埋弧焊，由于多絲埋弧焊固有的焊接線能量大、能量密度較小、焊接熔池過熱量大的特點，必然會導致焊縫及熱影響區(qū)的組織和力學性能惡化，造成粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)粗化、脆化以及X90、X100、X120等高強度管線鋼熱影響區(qū)軟化問題［1-2］。為了改善這種狀況，除了從原材料成分和金相組織設計入手以外，焊管生產(chǎn)廠家主要應從降低焊接線能量的角度出發(fā)，對現(xiàn)有多絲埋弧焊的焊接生產(chǎn)工藝進行創(chuàng)新優(yōu)化。

1 埋弧焊工藝分析

通常所說的埋弧焊熱效率，只是考慮焊件所能吸收到的熱能占焊接電源輸出總能量的比例［3］。這部分熱能一部分用于熔化焊絲、母材而形成焊縫，另一部分用于焊劑熔化和由于熱傳導而流失于母材形成熱影響區(qū)。嚴格來講，用于熔化焊絲的熱能占總能量的比例才是真正的焊接熱效率［3］。

埋弧自動焊（焊接電流I為1 000 A，電弧電壓U為36 V，焊接速度v為600 mm/min）的熱量分配如圖1所示。在埋弧自動焊過程中，電弧全部熱功率中用于熔滴過渡（熔化焊絲）的熱能比例為28%，用于熔化焊劑的熱能比例為18%，母材吸收的熱能（包括熔化母材和向母材熱傳導的熱能）比例為54%［4］；電弧直接傳遞給母材并由其傳導流失的熱能約為 25%（20%~30%取平均值）［5］，那么熔化母材的電弧熱能約為29%。為了提高焊絲熔敷效率、減小無效的熱量損失，減少熔池金屬過熱，降低對母材的熱輸入總量，應該從焊接工藝角度考慮提高對上述54%母材吸收熱能的利用率，從而實現(xiàn)高效小線能量化焊接，以達到改善焊縫及熱影響區(qū)組織和力學性能的目的。

圖1 埋弧自動焊的熱量分配示意

在焊劑獲得的18%電弧總熱量中有大約13%，即有2.4%（18%×13%=2.4%）的電弧總熱量重新傳遞給焊縫及母材［5］，可以在焊縫金屬剛剛凝固后采取工藝措施，立即將已經(jīng)熔化和未熔化的焊劑同時從焊縫及母材表面清除，從而避免焊劑將2.4%的電弧總熱量返回焊縫及母材；同時可以改善焊接接頭局部的散熱條件，提高其冷卻速度，有利于改善焊縫及熱影響區(qū)的組織狀況和力學性能。

根據(jù)前期焊接工藝理論研究［6-12］，實現(xiàn)多絲埋弧焊小線能量化高效焊接的其中一類途徑，是在保證多絲埋弧焊高效率的同時，充分利用焊絲電阻熱、電弧熱，提高多絲埋弧焊焊絲熔敷效率，降低熔池過熱程度，減少母材熔化量及對母材熱傳導的熱量比例，適當減小熔合比。通過降低焊接線能量，減少對管線鋼母材的熱輸入，降低粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)晶粒的粗化程度，改善熱影響區(qū)綜合強韌性力學性能。從焊接工藝上講，多絲埋弧焊小線能量化高效焊接工藝主要包括焊絲大干伸長、冷填絲、預熱填絲、單電源雙絲單電弧串聯(lián)、單電源多細絲多電弧并聯(lián)、縱列帶極等埋弧焊工藝。下面對上述工藝進行分析探討。

2 焊絲大干伸長埋弧焊接工藝

在常規(guī)埋弧焊接工藝中，加熱焊絲的熱源有電阻熱、電弧熱和焊接過程中由冶金反應所產(chǎn)生的熱量等。其中冶金反應所產(chǎn)生的熱量相對較少，一般只占加熱焊絲全部熱量的1%~3%，常可以忽略。使焊絲得以迅速熔化的熱量主要來自電弧。但在焊絲迅速熔化的情況下，電弧發(fā)出的熱量不能使遠離電弧區(qū)的焊絲部分加熱到高溫；另一方面焊絲直徑相對很細，電流密度很大，因此熔化焊絲另一個不容忽視的重要熱源是電阻熱。

根據(jù)楞次焦耳定律，當焊接電流通過焊絲時，焊絲上產(chǎn)生的電阻熱［5］為：

式中 Q——通電長度焊絲產(chǎn)生的電阻熱，J；

R——焊絲的電阻，Ω；

t——通電時間，min；

ρ——電阻率，Ω·mm；

L——焊絲通電長度，mm；

A——焊絲通電截面積，mm2。

從式（1）可以看出：增加焊絲通電長度（干伸長）、減小焊絲截面積（焊絲直徑），可以增大焊絲電阻熱；電阻熱使焊絲得到預熱，提高了焊接電流熱效應利用率，加快了焊絲熔化速度。也就是在焊接規(guī)范基本不變的情況下，由于顯著提高了焊絲熔敷速度，在不增加對母材熱輸入的前提下顯著提高了焊接效率，可以提高焊接速度，降低焊接線能量；因此，焊絲大干伸長埋弧焊接是一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接方法。

常規(guī)埋弧焊中由于焊絲干伸長長度一般只有30~40 mm，產(chǎn)生的電阻熱過小，發(fā)揮不出預熱焊絲埋弧焊的優(yōu)點。為了進一步提高多絲埋弧焊焊絲熔敷速度、焊接效率，可以在多絲埋弧焊各絲上應用焊絲大干伸長焊接工藝，同時可以實現(xiàn)降低焊接線能量的目的。焊絲大干伸長埋弧焊接工藝原理如圖 2 所示［6］。

要實現(xiàn)該工藝，需設計專用的埋弧焊槍及電控系統(tǒng)。根據(jù)試驗摸索，焊絲的通電長度選取130~150 mm較為合適［6］。由于焊絲干伸長很大，所以焊槍下部應設計耐高溫的帶陶瓷內(nèi)襯的絕緣導絲嘴，導絲嘴與上部導電桿同軸連接，以保證焊絲準確對正焊縫中心。為防止大干伸長起弧中出現(xiàn)粘絲、焊絲爆斷等問題，需設置專門的焊接電流、電弧電壓控制程序，實現(xiàn)在起弧階段使用較小的焊接電流、電弧電壓就能起弧，并在穩(wěn)定燃燒數(shù)秒后自動切換到大干伸長焊接所需的正常的大焊接電流、電弧電壓狀態(tài)，進入正常的大干伸長高效埋弧焊接；熄弧過程中，首先將大的焊接電流、電弧電壓切換成小的焊接規(guī)范，使焊絲預熱作用減弱后再熄弧。焊絲大干伸長埋弧焊工藝在多絲埋弧焊中的應用如圖3所示。

圖2 焊絲大干伸長埋弧焊接工藝原理示意

圖3 焊絲大干伸長埋弧焊接工藝在多絲埋弧焊中應用示意

3 冷填絲埋弧焊接工藝

對于常規(guī)的埋弧焊來說，只有28%電弧能量用來熔化填充的焊絲，而70%的能量用于熔化焊劑和母材；因此，可以采用向電弧下方送進冷細焊絲，使過剩的電弧能量用于熔化附加的焊絲。這部分熔化焊絲可作為焊縫金屬的一部分，起到提高熔敷效率、降低焊接線能量的作用。

冷填絲埋弧焊接的特點是在普通單絲埋弧焊接過程中，新增送絲機并以適當?shù)乃徒z速度從主絲側(cè)面將不通電的冷細焊絲直接送入主焊絲電弧下方或液態(tài)熔池中。該方法由于采用冷焊絲填充，充分利用和消耗了主焊絲電弧空間熱能和熔池過熱能量，提高了整體焊絲熔敷速度，減小了熔池過熱度，降低了向母材熱傳導的過熱能量的比例。在多絲埋弧焊接中各主焊絲上都可以應用該工藝，由于焊縫坡口尺寸不變、焊接電流電壓不變，因此可以提高焊接速度、降低焊接線能量，從而降低熔池峰值溫度，改善焊縫及熱影響區(qū)熱循環(huán)過程，最終可以達到減小焊縫熱影響區(qū)寬度、細化焊縫及粗晶區(qū)晶粒、改善焊縫及熱影響區(qū)力學性能的目標。冷填絲埋弧焊接工藝原理如圖4所示［7］，在多絲埋弧焊中的應用如圖5所示。

圖4 冷填絲埋弧焊接工藝原理示意

圖5 冷填絲埋弧焊接工藝在多絲埋弧焊中應用示意

4 預熱填絲埋弧焊接工藝

在現(xiàn)有的多絲埋弧焊基礎上，采用各焊絲地線分流電流對附加送進熔池的細填絲進行預熱，該填絲不起弧，直接送入液態(tài)熔池中。在主焊絲焊接電流、電壓不變的條件下，通過附加若干熱填絲大幅度增加總體焊絲熔敷速度，調(diào)整了焊接總能量中焊絲熔化與母材加熱之間的能量分配比例關系。由于總熱輸入不變，用于熔化焊絲的熱能量比例增加，熔化和傳導給母材熱能量比例降低，加之坡口尺寸是不變的，因此可以得到比冷填絲埋弧焊接更高的焊速和更低的線能量。預熱填絲埋弧焊接工藝原理如圖6所示［8］，在多絲埋弧焊中的應用如圖7所示。

圖6 預熱填絲埋弧焊接工藝原理示意

圖7 預熱填絲埋弧焊接工藝在多絲埋弧焊中的應用示意

5 單電源雙絲串聯(lián)單電弧埋弧焊接工藝

在現(xiàn)有的多粗絲埋弧焊基礎上，在第1絲和末絲以外的剩余幾根中間填充絲上采用單電源雙絲串聯(lián)單電弧埋弧焊接工藝，如圖8所示［9］。由于第1絲主要負責焊縫熔深，多絲埋弧焊縫的熔深必須保證，所以各種厚度鋼板多絲焊的第1絲的焊接電流、電弧電壓應保持原有正常工藝參數(shù)；由于末絲主要負責焊縫熔寬及外貌，多絲埋弧焊縫的熔寬及形貌也必須保證，所以各種厚度鋼板多絲焊的末絲的焊接電流、電弧電壓也應保持原有正常工藝參數(shù)；中間幾根填充絲采用單電源雙絲串聯(lián)單電弧埋弧工藝，即中間幾根焊絲的電源仍為原交流電源，分別增加一臺粗絲送絲機，焊接電源的兩個輸出端分別接在一臺送絲機下方的導電桿上，鋼板不接地線，兩根焊絲之間直接產(chǎn)生焊接電弧，焊絲與母材之間不產(chǎn)生電弧，通過焊接試驗分別找到中間幾臺填充絲電源的合適的焊接電流和電弧電壓，使中間焊絲產(chǎn)生的焊縫形貌與原有工藝基本一致。單電源雙絲串聯(lián)單電弧埋弧焊接工藝在多絲埋弧焊中的應用如圖9所示。

圖8 單電源雙絲單電弧串聯(lián)埋弧焊接工藝原理示意

圖9 單電源雙絲串聯(lián)單電弧埋弧焊接工藝在多絲埋弧焊中的應用示意

該工藝的名義總熱輸入基本不變，但是中間幾組填充絲的電弧熱能主要用于焊絲熔化，而且提高了電弧熱能利用率，熔化和傳導給母材的熱能量比例大大降低，大幅度增加了焊絲總體熔敷速度，調(diào)整了焊接總能量中焊絲熔化與母材加熱之間的能量分配比例關系。單電源雙絲串聯(lián)埋弧焊可得到最小的焊縫稀釋率和最小的熱輸入［10］，因此可以提高焊接速度，實現(xiàn)低線能量焊接。

6 單電源多細絲并聯(lián)多電弧埋弧焊接工藝

單電源多細絲并聯(lián)多電弧埋弧焊接工藝是將單電源粗絲埋弧焊的單根粗焊絲換成多根細焊絲，多根細焊絲共用一個扁長的導電嘴（圖10）［8］，并在總焊接功率不變的情況下，由于焊絲直徑大幅度減小，焊絲電流密度較粗絲顯著增大，電阻對焊絲的預熱作用明顯增大；又由于絲距為10~20 mm，相鄰各焊絲之間能夠互相加熱，可以提高整體電弧熱效率和焊接生產(chǎn)率［11］。這樣可形成有利的窄長溫度場和多峰熱循環(huán)，降低熔池峰值溫度，減少熔池過熱程度和熱影響區(qū)寬度，提高熱影響區(qū)韌性［9］。單電源多細絲并聯(lián)多電弧埋弧焊中單位功率所達到的熔敷率，在各種埋弧焊方法中是較高的［12］?？梢栽诙嘟z埋弧焊第1絲和末絲以外的剩余幾根填充絲上應用該工藝。通過上述分析表明，該工藝也是一種高效節(jié)能、低焊接線能量的好焊接方法。單電源多細絲并聯(lián)多電弧埋弧焊接工藝原理如圖11所示，在多絲埋弧焊中的應用如圖12所示。

圖10 多絲導電嘴示意

圖11 單電源多細絲并聯(lián)多電弧埋弧焊接工藝原理示意

7 縱列帶極埋弧焊接工藝

帶極埋弧焊接工藝是利用帶狀電極代替焊絲，一般常用的帶寬為60 mm，解決了焊絲截面積小、承載焊接電流能力低的問題。帶極端部有兩個或多個電弧同時燃燒，當電弧在相互吸引力的作用下向帶極中央移動并合并成單個電弧的同時，在帶極端面距離鋼板表面最近點又燃燒多個電弧。這相當于電弧來回飄移，類似焊絲在擺動［9］，實質(zhì)上就起到了對長焊接熔池的攪拌作用。與焊絲熔池相比，由于熔池被拉得很長，使得焊接能量分散，致使作用在母材單位體積上的熱量少，因此帶極埋弧焊的熔深淺、熔合比小、熔敷率高。

圖12 單電源多細絲并聯(lián)多電弧埋弧焊接工藝在多絲埋弧焊中的應用示意

帶極埋弧焊接工藝主要應用于堆焊?？梢岳脦O埋弧焊接工藝載流能力大、具有攪拌作用和熱量分散等優(yōu)點，將多絲埋弧焊的第1絲和末絲以外的剩余幾根中間填充絲換成縱列帶極，從而進一步提高多絲埋弧焊的熔敷速度；利用其電弧擺動特點實現(xiàn)對焊接熔池的攪拌，達到減少夾渣、氣孔缺陷，破碎焊縫枝狀晶以改善焊縫性能的目的；利用其熔池長、熱量分散的特點，減少焊縫過熱，改善熱影響區(qū)熱循環(huán)過程，從而細化熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒，改善力學性能。綜合以上優(yōu)點，可以認為縱列帶極埋弧焊接工藝的引入，能實現(xiàn)多絲埋弧焊高效低線能量焊接的目的。該工藝在多絲埋弧焊中的應用如圖13所示。

8 結(jié) 語

多絲埋弧焊是目前工業(yè)領域應用最為廣泛的焊接方法之一，其高效低線能量化焊接方法的研究與應用，可在保證多絲埋弧焊焊接質(zhì)量、高焊速的前提下，進一步大幅度地提高焊絲熔敷率和焊接效率，節(jié)能降耗。同時在實際生產(chǎn)應用中，可以實現(xiàn)相對于常規(guī)多絲埋弧焊更低的焊接線能量，對細化焊縫及熱影響區(qū)組織、改善焊接接頭綜合力學性能具有重要作用。

［1］高惠臨.管線鋼與管線鋼管［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［2］蘇騰太.焊接熔池形狀和溫度場的特點及其在直縫埋弧焊中的應用［J］.鋼管，2003，32（5）：20-22.

［3］周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［4］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：第2卷材料的焊接［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［5］吳曉清，張連生.熔焊原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［6］龍紅，梁樹，宮毅輝，等.預熱焊絲埋弧焊在尿素合成塔中的應用［J］.壓力容器，1991（5）：69-72.

［7］張鵬賢，馬躍洲，陳劍虹，等.冷絲填充埋弧自動焊機數(shù)控系統(tǒng)的研制［J］.電焊機，2003，33（10）：15-18.

［8］韓彬，鄒增大，曲仕堯，等.雙（多）絲埋弧焊方法及應用［J］.焊管，2003，26（7）：41-44.

［9］林三寶，范成磊，楊春利.高效焊接方法［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：93-94.

［10］李鶴岐，王新，蔡秀鵬，等．國內(nèi)外埋弧焊的發(fā)展狀況［J］.電焊機，2006，36（4）：1-6．

［11］王元良，周友龍，胡久富.高效節(jié)能的細雙絲自動焊接工藝及設備的研究［J］.電焊機，2002，32（3）：9-12.

［12］武春學，張俊旭，朱丙坤，等.高效埋弧焊技術的發(fā)展及應用［J］.熱加工工藝，2009，38（23）：173-177.