單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊接工藝應(yīng)用探討

趙 波，付彥宏，王 旭，楊瑋瑋，杜瑞穎，王保華

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658）

單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊接工藝應(yīng)用探討

趙 波1，付彥宏1，王 旭1，楊瑋瑋1，杜瑞穎2，王保華2

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658）

針對(duì)多絲埋弧焊固有的焊接線能量大，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能惡化，造成粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)粗化、脆化以及X80以上高鋼級(jí)管線鋼熱影響區(qū)軟化問(wèn)題，通過(guò)對(duì)單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊接工藝的分析探討，認(rèn)為將該工藝合理地應(yīng)用于多絲埋弧焊生產(chǎn)中，可以進(jìn)一步提高焊絲熔敷速度、焊接速度，尤其是可以顯著降低焊接線能量，對(duì)于改善焊縫及熱影響區(qū)的熱循環(huán)過(guò)程、細(xì)化晶粒、強(qiáng)韌性具有重要意義。

焊接；單電源雙絲并聯(lián)；高熔敷率；低線能量；多絲埋弧焊

目前油氣輸送用管線鋼管最主要的焊接方法為多絲埋弧焊，因多絲埋弧焊具有焊接線能量大、能量密度較小、焊接熔池過(guò)熱量大的特點(diǎn)，必然導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能惡化，造成粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)粗化、脆化及X90和X100等高強(qiáng)度管線鋼熱影響區(qū)軟化[1-2]。要改善這些問(wèn)題除了從原材料成分和金相組織設(shè)計(jì)入手外，焊管生產(chǎn)廠家主要應(yīng)從降低焊接線能量、增加冷卻速度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有多絲埋弧焊的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 埋弧焊工藝分析

通常說(shuō)的埋弧焊熱效率η，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]。實(shí)際上這部分熱能包括兩部分，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(dǎo)而流失于母材形成熱影響區(qū)。嚴(yán)格來(lái)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(dòng)焊（v=600 mm/min，I=1 000 A，U=36 V）的熱量分配如圖1[2]所示。從圖1可以看出，其電弧全部熱功率中用于熔滴過(guò)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(dǎo)的熱能）比例為54%，電弧直接傳遞給母材并由其傳導(dǎo)流失的熱能約25%（20%～30%取平均值），那么熔化母材的電弧熱能約54%-25%=29%。為了提高焊絲熔敷效率，減小無(wú)效的熱量損失，減少熔池金屬過(guò)熱，降低對(duì)母材的熱輸入總量，應(yīng)該從焊接工藝角度提高對(duì)上述54%母材吸收熱能的利用率，從而實(shí)現(xiàn)高效小線能量焊接，達(dá)到改善焊縫及熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能的目的。

圖1 埋弧自動(dòng)焊的熱量分配示意圖

根據(jù)前期焊接工藝?yán)碚撗芯?，其中一?lèi)途徑是在保證多絲埋弧焊高效率的同時(shí)，充分利用焊絲電阻熱和電弧熱，提高多絲埋弧焊焊絲熔敷效率，降低熔池過(guò)熱程度，減少母材熔化量及對(duì)母材熱傳導(dǎo)的熱量比例，適當(dāng)減小熔合比，實(shí)現(xiàn)多絲埋弧焊小線能量化的高效焊接。焊接時(shí)，通過(guò)降低焊接線能量，減少對(duì)管線鋼母材的熱輸入，降低母材粗晶區(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(qiáng)韌性力學(xué)性能。這類(lèi)焊接工藝主要包括冷填絲、預(yù)熱填絲、焊絲大干伸長(zhǎng)、單電源雙絲單電弧串聯(lián)、單電源雙細(xì)絲并聯(lián)、旁路耦合電弧等埋弧焊工藝。下面對(duì)單電源雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝在管線鋼多絲埋弧焊中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

2 單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊設(shè)備構(gòu)成

單電源雙絲埋弧焊設(shè)備是多絲埋弧焊設(shè)備中最簡(jiǎn)單的一種結(jié)構(gòu)形式。其主要由單弧焊電源、雙焊絲盤(pán)、送絲機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制、雙絲導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)、單焊槍、雙孔導(dǎo)電嘴等組成，典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，其主要結(jié)構(gòu)均與普通單絲埋弧焊相同，焊接電源、送絲機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成的電氣系統(tǒng)保持不變；只是送絲系統(tǒng)需同時(shí)送給兩根焊絲，僅需要對(duì)原有的送絲輪、上下導(dǎo)絲嘴、焊絲矯直器、焊槍、導(dǎo)電嘴等送絲機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，其中送絲輪由原有單槽送絲輪改為雙槽送絲輪（圖3），導(dǎo)電嘴由原來(lái)的單孔改為雙孔（圖4）；另外，送絲電機(jī)減速器減速比應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。兩根焊絲經(jīng)雙槽送絲輪驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)焊絲矯直器進(jìn)入焊槍桿體，再穿過(guò)雙孔導(dǎo)電嘴向焊接熔池區(qū)域送進(jìn)。試驗(yàn)研究表明，要保證兩根焊絲同步穩(wěn)定地通過(guò)同一導(dǎo)電嘴送進(jìn)，關(guān)鍵在于精確設(shè)計(jì)并加工送絲輪及其壓緊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)電嘴，并使它們便于調(diào)節(jié)和更換[4-5]。

圖2 典型單電源雙細(xì)絲焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 單絲改雙絲送絲輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 雙孔絲導(dǎo)電嘴結(jié)構(gòu)示意圖

送絲控制電路結(jié)構(gòu)仍然采用國(guó)內(nèi)埋弧焊機(jī)中已經(jīng)沿用了30多年的晶閘管驅(qū)動(dòng)控制電路，從美國(guó)林肯公司進(jìn)口的埋弧焊機(jī)，實(shí)際上也都采用了這種驅(qū)動(dòng)控制電路，在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)及試驗(yàn)中仍得到普遍應(yīng)用，這足以證明其性能的穩(wěn)定可靠。

以美國(guó)林肯埋弧自動(dòng)焊機(jī)為例，不同直徑焊絲送絲減速器傳動(dòng)比如圖5所示。從圖5可以看出， 若采用2根φ1.6mm/φ2.0mm/φ2.4mm的單電源雙細(xì)絲焊工藝，則送絲電機(jī)減速器變速比應(yīng)由單粗絲焊接常用的142∶1調(diào)整為適用于雙細(xì)絲焊接的95∶1或57∶1，即更換送絲電機(jī)減速器內(nèi)部變速齒輪對(duì)。

圖5 林肯焊機(jī)不同直徑焊絲送絲減速器傳動(dòng)比

3 單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊接工藝特點(diǎn)

單電源雙細(xì)絲并聯(lián)埋弧焊接工藝是將單電源粗絲埋弧焊的單根粗焊絲換成兩根細(xì)焊絲，兩根細(xì)焊絲共用一個(gè)導(dǎo)電嘴（圖4）。在理想條件下，兩根焊絲應(yīng)為等速同步送進(jìn)，經(jīng)同一個(gè)導(dǎo)電嘴導(dǎo)入電流，兩者電流應(yīng)平均分流，且電壓相同。但是由于每根焊絲流經(jīng)的電流磁場(chǎng)會(huì)對(duì)另一根焊絲下的電弧產(chǎn)生電磁作用力，兩根并聯(lián)焊絲因電流方向相同而相互吸引[6-7]。

表1為不同直徑焊絲截面積和使用電流范圍對(duì)比。由表1可知，將1根φ 4 mm焊絲改為2根φ1.6 mm/φ 2.0 mm/φ 2.4 mm 焊絲并聯(lián)， 1根φ4 mm焊絲截面積分別是 2根φ1.6 mm/φ2.0 mm/φ2.4 mm焊絲總截面積的3.1倍/2倍/1.4倍；在焊絲干伸長(zhǎng)相同的條件下， 2根φ 1.6 mm/φ 2.0 mm/φ2.4 mm焊絲干伸長(zhǎng)部分的電阻分別是1根φ 4 mm焊絲的3.1倍/2倍/1.4倍；在焊接電流相同的條件下，采用雙細(xì)絲代替單粗絲，一方面可以顯著提高電阻熱對(duì)焊絲的預(yù)熱溫度，另一方面由于并聯(lián)雙細(xì)絲間距僅為7～12 mm，兩根焊絲間距很小，具有較好的相互加熱作用，兩個(gè)電弧相互吸引增加了電弧熱量利用比例，可以獲得高的熱效率和熔敷速度。因此，可以顯著提高單位電流、單位時(shí)間內(nèi)焊絲的熔化量，在保證焊縫坡口填充量相同的條件下，可以顯著提高焊接速度，從而降低單位長(zhǎng)度焊縫上的熱輸入，即可以達(dá)到顯著降低焊接線能量的目的。

表1 不同直徑焊絲截面積和使用電流范圍對(duì)比

鑒于以上原因，在采用相同的焊接電流、弧壓參數(shù)時(shí)，采用雙細(xì)絲代替單粗絲焊絲，熔敷速度可提高42%～87%[8]。美國(guó)林肯公司對(duì)直流反接、交流、直流正接、大干伸長(zhǎng)條件下單粗絲與雙細(xì)絲的焊接生產(chǎn)效率進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖6所示。

圖6 單粗絲與雙細(xì)絲埋弧焊生產(chǎn)率對(duì)比圖

根據(jù)劉菲等人[9-10]的焊接對(duì)比試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～表4?？梢钥闯觯诤附与娏髋c電壓相同的條件下，單電源雙細(xì)絲（φ1.6 mm）比單電源單粗絲（φ4 mm）的熔敷速度提高60%～80%；以單電源單粗絲埋弧焊(φ4.0 mm)的焊接線能量為基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，則單電源雙細(xì)絲埋弧焊的線能量可以降至原來(lái)的53%～70%；單電源雙細(xì)絲埋弧焊焊縫中心的沖擊功比單電源單粗絲埋弧焊平均提高約7 J，而熱影響區(qū)的平均沖擊功則比單電源單粗絲埋弧焊高30 J。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝，達(dá)到了提高焊絲熔敷速度和焊速、降低焊接線能量、改善焊縫及熱影響區(qū)組織性能的目的。

表2 單電源單粗絲埋弧焊與單電源雙細(xì)絲埋弧焊沖擊韌性的比較

表3 單電源雙細(xì)絲（φ1.6 mm）埋弧焊焊接參數(shù)及熔敷速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 單電源單粗絲（φ4 mm）埋弧焊焊接參數(shù)及熔敷速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 單電源雙細(xì)絲焊工藝應(yīng)用分析

美國(guó)林肯公司開(kāi)發(fā)的AC/DC 1000SD數(shù)字埋弧焊電源系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到六絲串列，即系統(tǒng)最多可以串聯(lián)6組電源，而每組電源最多可并聯(lián)3臺(tái)電源，該電源為交直流兩用數(shù)字電源，可根據(jù)焊接工藝需要分別設(shè)置為直流或交流。而目前國(guó)內(nèi)外直縫焊管生產(chǎn)企業(yè)大多采用四絲或五絲埋弧焊，通常一絲為兩臺(tái)直流電源并聯(lián)，其余各絲均為單臺(tái)交流電源。鑒于單電源雙細(xì)絲焊的上述優(yōu)點(diǎn)，如圖7所示，可以將該技術(shù)應(yīng)用于多絲埋弧焊工藝中，提高電阻熱和電弧熱效率，提高單位電流條件下的焊絲熔敷速度，達(dá)到提高焊接速度、降低焊接線能量、改善焊縫及熱影響區(qū)組織性能的目的。

圖7 單電源雙細(xì)絲焊在多絲埋弧焊中應(yīng)用示意圖

分析認(rèn)為，可以利用現(xiàn)有直縫焊管焊接生產(chǎn)線的多絲埋弧系統(tǒng)，只對(duì)送絲系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械改造，各送絲機(jī)的減速機(jī)更換成減速比為95∶1或57∶1的齒輪對(duì)，送絲輪全部更換成雙槽結(jié)構(gòu)，上下導(dǎo)絲管更換成雙孔管，焊絲矯直器軸承更換成平底槽型輪，導(dǎo)電桿、導(dǎo)電嘴更換成雙孔結(jié)構(gòu)。焊接電源及其送絲電氣控制系統(tǒng)等一部分均保持原狀，即可實(shí)現(xiàn)單電源雙細(xì)絲并聯(lián)技術(shù)在多絲埋弧焊中的應(yīng)用。我公司焊管多絲埋弧焊生產(chǎn)中通常使用的是φ4 mm和φ3.2 mm的粗焊絲，以φ4 mm規(guī)格為主。根據(jù)不同壁厚焊管多絲埋弧焊各絲焊接電流工藝參數(shù)，將各粗絲分別換成不同直徑的雙細(xì)絲。以壁厚30 mm的直縫焊管四絲埋弧焊外焊為例，原工藝中各絲均采用φ4 mm焊絲，其中1絲焊接電流為1 200 A，根據(jù)表1所列不同直徑焊絲允許的焊接電流范圍，可以將1絲更換成2根φ2.4 mm的焊絲；2絲焊接電流為950 A，可以將2絲更換成2根φ2.0 mm的焊絲；3絲焊接電流為700 A，可以將3絲更換成2根φ1.6 mm或φ2.0 mm焊絲，或更換成單根φ3.2 mm焊絲；4絲焊接電流為600 A，可以將4絲更換成2根 φ1.6 mm或φ1.2 mm焊絲，或更換成單根φ2.4 mm或φ3.2 mm焊絲。

以四粗絲串列埋弧焊為例，各焊絲間距約20 mm，焊絲總間距為60～70 mm，各絲都改為雙細(xì)絲并聯(lián)后，每個(gè)焊槍中的兩根并聯(lián)焊絲間距為10 mm，兩個(gè)焊槍之間相鄰焊絲間距為20 mm，則四個(gè)焊槍1絲和4絲總間距為100～110 mm。顯然，熔池長(zhǎng)度可以拉長(zhǎng)40～50 mm，在焊接熱輸入相同的條件下，由于增加了散熱長(zhǎng)度和面積，因此在一定程度上起到了提高焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度、改善其組織性能的作用；在多絲埋弧焊中各個(gè)粗焊絲均更換為雙細(xì)絲并聯(lián)，在保持4把焊槍的焊接電流和弧壓相同的情況下，各個(gè)焊槍中焊絲的熔敷速度均可提高42%～87%。為保證單位長(zhǎng)度焊縫坡口中獲得相同的金屬填充量，采用單電源雙細(xì)絲并聯(lián)焊接工藝后，可以相應(yīng)提高焊接速度。根據(jù)計(jì)算，焊接線能量可以降至原工藝的53%～70%，這一點(diǎn)對(duì)于那些對(duì)焊接線能量較敏感的金屬材料非常有價(jià)值。焊接線能量約降至原工藝的一半，非常有利于焊縫及熱影響區(qū)金相組織和強(qiáng)韌性的改善。

5 結(jié) 論

在多絲埋弧焊中采用單電源雙細(xì)絲焊工藝，各個(gè)埋弧焊槍采用相同的焊接電流和弧壓，使得各焊槍中焊絲截面積均顯著減小，電流密度提高，電阻熱對(duì)焊絲的預(yù)熱作用增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)焊絲的熔化速度增大，同時(shí)焊接熔池比原有粗絲多絲埋弧焊拉長(zhǎng)40～50 mm，形成了有利的窄長(zhǎng)溫度場(chǎng)和多峰熱循環(huán)，降低熔池峰值溫度，減少熔池過(guò)熱程度和熱影響區(qū)寬度；焊絲熔敷速度和焊接速度可以提高42%～87%，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于常規(guī)多絲埋弧焊更低的焊接線能量，焊接線能量可以降至原工藝的53%～70%，對(duì)于提高管線鋼焊管的焊接生產(chǎn)效率、改善焊縫及熱影響區(qū)組織和力學(xué)性能具有重要意義。

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Discussion on Application of Single Power Source Twin Fine Wire Submerged Arc Welding Process in Parallel

ZHAO Bo1， FU Yanhong1， WANG Xu1， YANG Weiwei1， DU Ruiying2， WANG Baohua2
(1.CNPC Bohai Equipment Research Institute,Qingxian 062658,Hebei,China;2.CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Company,Qingxian 062658,Hebei,China)

The inherent feature of high heat input of multi-wire submerged-arc welding（SAW） is liable to cause deterioration of micro-structure and mechanical properties in the weld and heated affected zone（HAZ）,coarsening and embrittlement of the coarse grain zone and the critical coarse grain zone,HAZ softening of high-strength line pipe steels such as X80,X100 and X120.Through analysis and discussion on single power source twin fine wire SAW process,it is concluded that the rational application of this technique in multi-wire SAW production can further increase the wire deposition rate,welding speed,especially can significantly reduce the welding heat input.It has great significance for improving the thermal cycle of the weld and HAZ,grain refinement and toughness.

welding;single power source twin wire in parallel;high deposition rate;low heat input;multi-wire SAW

TG434.2

B

1001－3938（2015）06-0038-05

趙 波（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事管線鋼材料、焊管管件焊接工藝及裝備研究工作。

2015-01-06

黃蔚莉