螺旋縫埋弧焊管內(nèi)外自動焊焊槍結(jié)構(gòu)設(shè)計

王愛玲，方天一

（1.遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.吉林華信新型結(jié)構(gòu)科技有限公司，吉林 磐石 132301）

埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法［1］，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)效率高、無弧光及煙塵少等優(yōu)點。在埋弧焊過程中，傳統(tǒng)的焊槍利用導(dǎo)電嘴把焊接電源的能量導(dǎo)入到焊絲上，并通過電弧，把焊接線能量輸入到鋼管焊縫的熔池之中［2］；但在實際生產(chǎn)中傳統(tǒng)焊槍上的導(dǎo)電嘴容易磨損，從而導(dǎo)致焊絲卡殼或高溫。本文主要介紹一種新型埋弧焊槍，分析新型埋弧焊槍的工作原理，并對比其與傳統(tǒng)埋弧焊槍在試驗生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

1 傳統(tǒng)焊槍結(jié)構(gòu)

螺旋縫埋弧焊管要求焊接連續(xù)性高，且熔池形態(tài)穩(wěn)定，否則容易引起焊接缺陷及影響焊縫性能，所以焊槍上的導(dǎo)電嘴負(fù)責(zé)把焊接線能量穩(wěn)定輸入到熔池之中，焊槍的作用至關(guān)重要。但傳統(tǒng)焊槍上的導(dǎo)電嘴在實際生產(chǎn)中容易磨損，從而導(dǎo)致焊絲卡殼或高溫［3］。傳統(tǒng)焊槍結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)焊槍結(jié)構(gòu)示意

2 新埋弧焊槍結(jié)構(gòu)設(shè)計

為解決螺旋縫埋弧焊管實際生產(chǎn)中傳統(tǒng)焊槍焊接過程中遇到的問題，設(shè)計焊槍結(jié)構(gòu)，保證螺旋縫埋弧焊鋼管過程中的焊縫質(zhì)量。

新設(shè)計的新型埋弧焊槍結(jié)構(gòu)如圖2所示，其特征是：芯桿的頂部固定在底座上，芯桿內(nèi)設(shè)有供焊絲通過的軸向通道，底座頂部有供焊絲通過的孔，底座頂部的孔與芯桿的軸向通道相連通，還包括導(dǎo)電連接板，調(diào)整連接板通過螺釘固定在導(dǎo)電連接板上，導(dǎo)電連接板和調(diào)整連接板上都設(shè)有供芯桿通過的孔，調(diào)整連接板上固定有立板，帶有臺肩的調(diào)整螺栓的前端固定在底座上，調(diào)整螺栓的后端從立板中伸出，伸出部分上裝有調(diào)整手柄，調(diào)整螺栓上套設(shè)有矩形圓彈簧，矩形圓彈簧的前端頂在調(diào)整螺栓的臺肩上，矩形圓彈簧的后端頂在立板上，底座上設(shè)有銷軸，調(diào)整連接板上設(shè)有與底座上銷軸相配合的瓦座；導(dǎo)電連接板的底部固定有空心的導(dǎo)電連接桿，導(dǎo)電嘴安裝在壓帽上，壓帽與導(dǎo)電連接桿的底部螺紋連接，芯桿經(jīng)調(diào)整連接板、導(dǎo)電連接板進(jìn)入到導(dǎo)電連接桿內(nèi)，芯桿左半部分的長度小于右半部分的長度，芯桿左半部分的底端位于導(dǎo)電連接桿內(nèi)，芯桿右半部分則伸入到導(dǎo)電嘴內(nèi)。同時在導(dǎo)電連接桿上設(shè)與其中間空心部分相連通的冷卻風(fēng)道。

圖2 新型埋弧焊槍結(jié)構(gòu)示意

3 新設(shè)計的埋弧焊槍工作原理

當(dāng)焊絲與導(dǎo)電嘴的通孔之間間隙大時，擰動調(diào)整手柄，使調(diào)整連接板和導(dǎo)電連接板圍繞底座上的銷軸進(jìn)行擺動，芯桿支撐焊絲固定不動，確保焊絲出離導(dǎo)電嘴后方向不變，焊絲輸出中心始終不發(fā)生變化，不會出現(xiàn)焊偏現(xiàn)象及因焊絲偏差而產(chǎn)生的焊絲卡殼問題，并能保證導(dǎo)電嘴導(dǎo)電穩(wěn)定，焊接熔深穩(wěn)定，焊接效果好。

由于在導(dǎo)電連接桿上設(shè)有冷卻風(fēng)道，所以可對導(dǎo)電連接桿和導(dǎo)電嘴降溫，從而降低焊絲溫度，達(dá)到同等焊接規(guī)范下熔深最大，且減少了電能消耗。

4 兩種焊槍在試驗生產(chǎn)中的應(yīng)用情況

4.1 鋼管生產(chǎn)線簡介

加工產(chǎn)品規(guī)范水平PSL2、材質(zhì)A25～X100、直徑406～1 422 mm、壁厚6.0～25.4 mm的各種規(guī)格螺旋縫埋弧焊管。焊接設(shè)備主要由焊接電源（lINCOLN焊機(jī)、US控制系統(tǒng)）、控制箱、送絲裝置、焊頭裝置、跟蹤裝置和調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。焊接電源采用數(shù)字電源，可采用內(nèi)、外3絲及以上進(jìn)行焊接，該機(jī)組的焊接部分基本實現(xiàn)自動化，并使用激光焊縫自動跟蹤系統(tǒng)，能實現(xiàn)內(nèi)、外焊焊頭的自動定位、監(jiān)視功能。

4.2 生產(chǎn)鋼管基本信息

對使用新設(shè)計的焊槍與傳統(tǒng)焊槍生產(chǎn)鋼管進(jìn)行對比試驗，生產(chǎn)鋼管基本信息見表1。

表1 生產(chǎn)鋼管基本信息

4.3 兩種焊槍生產(chǎn)情況

在使用內(nèi)外焊縫自動跟蹤系統(tǒng)情況下，兩種焊槍均重新更換同材質(zhì)導(dǎo)電嘴，每種焊槍在同一鋼管機(jī)組上分別連續(xù)生產(chǎn)50 h，按照表1基本信息生產(chǎn)鋼管，每種焊槍生產(chǎn)鋼管各60根，每根鋼管長度大約12 m。

4.3.1 內(nèi)外焊縫焊偏量對比

第一組試驗：選取新型焊槍與傳統(tǒng)焊槍分別生產(chǎn)的前10根鋼管，因前10根鋼管導(dǎo)電嘴基本無磨損。按照API Spec 5L—2012要求，在每根鋼管上取3個內(nèi)外焊縫焊偏試樣，取測量結(jié)果平均值進(jìn)行記錄，每種焊槍分別記錄10組焊偏試驗數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)焊槍與新設(shè)計焊槍內(nèi)外焊縫焊偏量見表2，對比如圖3所示。

表2 傳統(tǒng)焊槍與新型焊槍內(nèi)外焊縫焊偏量mm

圖3 新型焊槍與傳統(tǒng)焊槍內(nèi)外焊縫焊偏量對比

第二組試驗：每種焊槍生產(chǎn)的鋼管按照導(dǎo)電嘴使用的焊接時間進(jìn)行取樣，按照API Spec 5L—2012要求，每偶數(shù)小時分別在兩種焊槍焊接的鋼管上隨機(jī)各抽取3個焊偏試樣，取平均值進(jìn)行記錄，在兩個焊槍上的導(dǎo)電嘴使用時間達(dá)到20 h后，焊偏量隨導(dǎo)電嘴使用時間變化量如圖4所示。焊偏情況較好和較差分別如圖5～6所示。

圖4 焊偏量隨導(dǎo)電嘴使用時間變化量

圖5 焊偏較好

圖6 焊偏較差

4.3.2 焊槍對焊縫沖擊性能的影響

通過一組試驗，驗證線能量對焊縫沖擊功的影響。焊接時調(diào)整焊接線能力，用3組不同線能量焊接鋼管，分別在3組焊接鋼管上取沖擊試樣，按照API Spec 5L—2012試驗方法執(zhí)行，試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同線能量試樣焊縫沖擊功對比

通過試驗發(fā)現(xiàn)，線能量對焊縫沖擊功影響較大，主要因為在焊材及母材試樣都相同的情況下，當(dāng)焊接線能量大時，焊縫組織冷卻速度慢，結(jié)晶時間相對較長，晶粒長大［4］；在保證焊縫熔深和內(nèi)外焊縫重合量下，當(dāng)降低線能量時，焊縫冷卻速度快，焊縫中形成的奧氏體晶粒來不及長大，晶粒得以細(xì)化［5］。焊縫韌性值大小主要取決焊縫中晶粒的大小，當(dāng)細(xì)化的晶粒比例較高時，焊縫韌性較高，反之亦然?？刂凭€能量使其焊縫獲得細(xì)小、均勻的組織，焊縫沖擊韌性上升［6］。

在焊接過程中，由于傳統(tǒng)導(dǎo)電嘴在使用12 h左右時磨損增大，導(dǎo)電面積減小，造成焊絲溫度升高，熔深減小，為保證焊透，此時需及時更換導(dǎo)電嘴；如通過增加電流，增大電能消耗，焊接線能量增加，通過表3發(fā)現(xiàn)焊縫沖擊韌性會下降［7］，此時需要更換導(dǎo)電嘴。

對使用新型焊槍焊接的鋼管按照API Spec 5L—2012截取沖擊試樣，對應(yīng)導(dǎo)電嘴連續(xù)使用5，10，15，20，25…50 h生產(chǎn)的鋼管進(jìn)行焊縫沖擊試驗，一般普通導(dǎo)電嘴壽命20 h左右，因該裝置可以固定焊絲位置，可以延長導(dǎo)電嘴使用壽命至55 h左右。用新型焊槍焊接時焊縫沖擊值隨時間變化情況如圖7所示。

圖7 用新型焊槍焊接時焊縫沖擊功隨時間變化情況

從圖7可以看出，使用新設(shè)計焊槍焊接的鋼管，其焊縫沖擊試驗數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，焊縫沖擊功隨著焊槍使用時間增加基本無波動。

4.3.3 焊縫外觀質(zhì)量對比

對兩種焊槍生產(chǎn)的鋼管的焊縫外觀進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)焊槍生產(chǎn)的最后10根鋼管與新設(shè)計焊槍生產(chǎn)的鋼管相比存在以下問題。

（1）焊縫咬邊。連續(xù)給進(jìn)的焊絲通過導(dǎo)電嘴傳導(dǎo)焊接電流，傳統(tǒng)焊槍導(dǎo)電嘴因使用時間長后導(dǎo)致導(dǎo)電嘴孔徑過大，夾不住焊絲，使導(dǎo)電嘴失去給焊絲導(dǎo)向的作用，并造成導(dǎo)電不良，焊縫咬邊的產(chǎn)生［8］。

（2）焊接斷弧。使用傳統(tǒng)焊槍焊接工作時，如果導(dǎo)電嘴選擇不好，不耐磨或不耐高溫，使用一段時間后導(dǎo)致接觸不良，會出現(xiàn)發(fā)熱發(fā)紅現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)電效率低，內(nèi)孔徑與焊絲接觸面積小，導(dǎo)電面積不夠，大規(guī)模焊接時，導(dǎo)電嘴和焊絲發(fā)熱，容易導(dǎo)致焊絲與導(dǎo)電嘴黏結(jié)，焊接時黏附飛濺物，堵塞焊嘴，導(dǎo)致斷弧停車，或者及時停車更換導(dǎo)電嘴，將影響機(jī)組作業(yè)效率［9］和焊縫一次通過率。新型焊槍能夠通過風(fēng)冷給導(dǎo)電嘴持續(xù)降溫，有效地避免上述問題，減少停車頻次。

（3）焊縫形貌。在螺旋縫埋弧焊管生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)焊縫寬度不均勻現(xiàn)象，主要因為傳統(tǒng)焊槍在導(dǎo)電嘴使用磨損后，會出現(xiàn)導(dǎo)電性變化，直接影響焊縫質(zhì)量，焊接過程中電流、電壓大幅度地變化，導(dǎo)致焊縫寬度不均勻［10］。

焊絲端部溫度過高，電力電壓降低，同等焊接電壓情況下，電弧拉長，熔深變淺。且因磨損后的導(dǎo)電嘴斷續(xù)接觸導(dǎo)電，造成熔深深淺不一致，易出現(xiàn)未焊透缺陷。熔深變淺后，熔敷金屬覆蓋在焊縫表面，造成焊縫余高過高［11］。

焊縫外觀質(zhì)量問題如圖8所示。

圖8 焊縫外觀質(zhì)量問題

5 分 析

（1）內(nèi)外焊縫焊偏試驗。通過兩組內(nèi)外焊縫焊偏試驗發(fā)現(xiàn)，第一組試驗因每種焊槍使用時間短，導(dǎo)電嘴未磨損，焊接時對內(nèi)外焊縫焊偏量影響較??；第二組試驗表明傳統(tǒng)導(dǎo)電嘴隨著使用時間增加，導(dǎo)電嘴磨損嚴(yán)重，內(nèi)孔徑增大或失圓，焊絲針對母材合口縫位置發(fā)生偏離，導(dǎo)致鋼管內(nèi)外焊縫焊偏。新設(shè)計焊槍的導(dǎo)電嘴根據(jù)使用時間去調(diào)節(jié)焊絲位置，能夠有效減少焊縫因焊絲偏離導(dǎo)致的焊偏。但實際生產(chǎn)過程中，需要總結(jié)調(diào)節(jié)新設(shè)計焊槍、焊絲位置和時間的方法，避免因忘記調(diào)節(jié)導(dǎo)致焊偏現(xiàn)象發(fā)生。

（2）沖擊試驗。因傳統(tǒng)導(dǎo)電嘴隨著焊接時間增加，導(dǎo)電嘴磨損增大，導(dǎo)電面積減小，造成焊絲溫度升高，熔深減小，為保證焊透，需增大電流，增加電能消耗；焊接線能量增加，焊縫沖擊韌性下降。使用新型焊槍可以有效避免因?qū)щ娮炷p調(diào)節(jié)電流現(xiàn)象，同時可以有效地降低焊絲的溫度，保證焊接過程中電流、電壓穩(wěn)定，能夠很好地保證焊縫沖擊功的穩(wěn)定性，為工程項目數(shù)據(jù)分析減少影響因素［12-13］。

（3）焊縫形貌。因傳統(tǒng)焊槍導(dǎo)電嘴磨損后無法調(diào)整，新設(shè)計焊槍通過調(diào)整焊絲位置能夠使導(dǎo)電嘴使用時間延長，很好地保證焊絲出離導(dǎo)電嘴時方向不變，焊絲輸出中心始終不發(fā)生變化，不會出現(xiàn)焊縫外觀質(zhì)量問題及因焊絲偏離而產(chǎn)生的焊絲卡殼問題，并能保證導(dǎo)電嘴導(dǎo)電穩(wěn)定，焊接熔深穩(wěn)定，焊接效果好。同時，因?qū)щ娺B接桿上設(shè)有冷卻風(fēng)道，所以可對導(dǎo)電連接桿和導(dǎo)電嘴降溫，從而降低焊絲溫度，達(dá)到同等焊接規(guī)范下熔深最大，電能消耗低的目的［14-15］。

6 結(jié) 論

（1）新設(shè)計的埋弧焊槍能始終保證焊絲與導(dǎo)電嘴一側(cè)接觸，保證焊絲焊接時位置穩(wěn)定，通過風(fēng)冷可以有效降低焊絲溫度，同樣工況下提高了焊縫形貌及理化性能結(jié)果。

（2）目前設(shè)計的焊槍結(jié)構(gòu)存在短板，該裝置無法針對多絲焊進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時內(nèi)焊管徑較大時利用傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)相對容易，管徑小時調(diào)節(jié)不易操作。下一步將與自動化測量技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)導(dǎo)電嘴損耗自動調(diào)節(jié)焊絲位置，避免因工人忘記手動操作或位置局限難操作等因素導(dǎo)致焊絲位置偏離而產(chǎn)生的質(zhì)量問題。