送絲穩(wěn)定性對(duì)直縫埋弧焊管質(zhì)量的影響

王立柱，路榮朝，劉 濤，王林林，陳 龍，吳紅星，王 軍

（1.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣062658；2.曹妃甸新天液化天然氣有限公司，河北 唐山063000；3.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京210061）

焊絲是直縫埋弧焊管生產(chǎn)中使用的主要焊接材料，焊絲質(zhì)量對(duì)焊管的焊接質(zhì)量起到重要作用。焊縫金屬是由母材、焊絲、焊劑三者熔化后凝固形成的；因此，焊絲化學(xué)成分對(duì)焊縫的強(qiáng)度、韌性、塑性、化學(xué)成分、硬度、耐腐蝕性等都有很大影響［1-4］。焊絲外形尺寸對(duì)焊接質(zhì)量也有影響。焊絲直徑偏大時(shí)，焊接過(guò)程中容易卡絲；焊絲直徑偏小時(shí)，焊絲與導(dǎo)電嘴接觸不好，導(dǎo)電性差，電壓波動(dòng)大，焊縫中易產(chǎn)生夾渣、咬邊等缺陷；焊絲有硬彎或接頭時(shí)，焊接過(guò)程中容易卡絲，產(chǎn)生斷弧，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)電嘴會(huì)產(chǎn)生燒損，焊縫產(chǎn)生銅裂紋［5］。

在自動(dòng)焊中，送絲穩(wěn)定性對(duì)焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量有重要影響，送絲速度必須與焊絲的熔化速度保持動(dòng)態(tài)平衡，以保證適當(dāng)?shù)幕￠L(zhǎng)以及焊接過(guò)程的穩(wěn)定［6-10］。查找并排除焊接系統(tǒng)中存在的導(dǎo)致送絲不穩(wěn)定的因素，減少焊接過(guò)程中因送絲速度波動(dòng)產(chǎn)生的焊接缺陷，是提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率的保障。

1 生產(chǎn)實(shí)例

（1）案例1。焊接直縫埋弧焊管時(shí)，使用了350 kg/卷的層繞焊絲，在使用A廠生產(chǎn)的焊絲時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，在換用B廠生產(chǎn)的焊絲時(shí)，最后兩層頻繁出現(xiàn)卡絲情況。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，B廠生產(chǎn)的焊絲卷寬度比A廠的寬，而焊絲盤沒(méi)有寬度調(diào)節(jié)的功能，焊絲會(huì)卡在活動(dòng)擋板與固定軸之間的空隙中。為避免類似情況，對(duì)焊絲盤做了改進(jìn)：將焊絲盤固定軸延長(zhǎng)10 mm，在活動(dòng)擋板內(nèi)側(cè)開(kāi)一個(gè)略大于固定軸直徑深15 mm的孔，焊絲寬度發(fā)生變化時(shí)，消除活動(dòng)擋板與固定軸之間的空隙。焊絲盤改進(jìn)之后，在使用不同廠家生產(chǎn)的焊絲時(shí)，不再出現(xiàn)類似卡絲的情況。改進(jìn)前后的層繞焊絲盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)前后的層繞焊絲盤結(jié)構(gòu)示意

（2）案例2。生產(chǎn)Φ610 mm×8 mm小直徑薄壁直縫埋弧焊管時(shí)，預(yù)焊使用Φ3.2 mm焊絲，焊接電流850 A，外坡口深度2.7 mm，預(yù)焊后外坡口已被填滿，外焊時(shí)無(wú)法自動(dòng)跟蹤，且外焊縫高度超過(guò)3.5 mm。為降低預(yù)焊焊縫高度，預(yù)焊換用Φ2.4 mm焊絲，電流650 A，焊接過(guò)程中電流波動(dòng)很大，焊縫忽高忽低，表面氣孔較多。分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種情況的原因是送絲輪V型槽太深，送絲不穩(wěn)定。將送絲輪送絲范圍由Φ2.4～5.6 mm調(diào)整為Φ1.6～2.4 mm后，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫高度均勻。

（3）案例3。在生產(chǎn)一批Φ1 016 mm×21 mm直縫埋弧焊管時(shí)，內(nèi)焊縫出現(xiàn)夾渣，如圖2所示，夾渣位于內(nèi)焊縫二絲熔合線的位置。對(duì)有夾渣的直縫埋弧焊管進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)夾渣的大部分直縫埋弧焊管都是由同一套內(nèi)焊機(jī)組焊接的?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得知，焊接過(guò)程中有時(shí)二絲電壓會(huì)有突然變大又回到正常值的情況。檢查焊絲，未發(fā)現(xiàn)有接頭或硬彎等引起卡絲的缺陷存在；檢查送絲系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)送絲機(jī)壓緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，更換壓緊輪后夾渣情況消失。

圖2 Φ1 016 mm×21 mm直縫埋弧焊管內(nèi)焊縫夾渣形貌

（4）案例4。由于直縫埋弧焊管的規(guī)格多，壁厚范圍大，所以焊接參數(shù)變化比較大，生產(chǎn)中要經(jīng)常根據(jù)焊管規(guī)格選用不同直徑的焊絲，以滿足焊接工藝的需求。但經(jīng)常出現(xiàn)粗絲換成細(xì)絲后焊接電壓波動(dòng)大，焊縫咬邊較多的情況。檢查發(fā)現(xiàn)，焊絲上的送絲齒痕較淺，且齒痕大小不均勻，更換新的送絲輪后，電壓正常，咬邊消除［11-12］。

2 原因分析

送絲穩(wěn)定性是指電動(dòng)機(jī)輸入功率或送絲阻力發(fā)生變化時(shí)，保持送絲速度恒定不變的性能。送絲穩(wěn)定性一方面與送絲電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及拖動(dòng)電路的控制精度有關(guān)；另一方面又與焊絲送進(jìn)過(guò)程中的阻力、送絲輪結(jié)構(gòu)及送絲輪對(duì)焊絲驅(qū)動(dòng)方式等有關(guān)［13］。直縫焊管多絲埋弧焊使用焊絲大多是Φ3.2 mm或Φ4.0 mm粗焊絲，采用陡降特性電源，匹配變速送絲，使用帶齒的V型輪驅(qū)動(dòng)，送絲速度是由給定電壓作為基準(zhǔn)信號(hào)，并用電弧電壓負(fù)反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。電弧穩(wěn)定燃燒的條件是焊絲的熔化速度等于送絲速度。送絲系統(tǒng)由焊絲盤、導(dǎo)絲管、送絲機(jī)、送絲輪、壓緊輪、校直輪、送絲軟管、導(dǎo)電桿、導(dǎo)電嘴組成，這些組成部分中的任意一項(xiàng)有異常都會(huì)引起送絲速度產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生缺陷。

案例1中，焊絲盤的結(jié)構(gòu)只適應(yīng)單一寬度的層繞焊絲。焊絲卷寬度變大后，活動(dòng)擋板與固定軸之間產(chǎn)生空隙，焊絲進(jìn)入空隙中容易產(chǎn)生卡絲；焊絲卷寬度變小后，焊絲無(wú)法夾緊，送絲過(guò)程中焊絲易跳出焊絲盤擋板，產(chǎn)生卡絲或接地。更改活動(dòng)擋板與固定軸的結(jié)構(gòu)后，焊絲卷的寬度在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生變化時(shí)，都能保證焊絲夾緊并且活動(dòng)擋板與固定軸之間沒(méi)有空隙，避免卡絲。

案例2中，預(yù)焊采用CO2+Ar氣體保護(hù)焊，使用的是平特性電源，通過(guò)改變焊接電流調(diào)節(jié)電弧長(zhǎng)度。Φ2.4～5.6 mm送絲輪雖然能夠送進(jìn)Φ2.4 mm焊絲，但是由于兩片送絲輪組對(duì)后形成的V型槽較深，當(dāng)送絲輪、壓緊輪稍有磨損，送絲輪與壓緊輪之間的距離接近焊絲直徑，焊絲上的接觸壓力偏小，不足以克服送絲阻力，送絲速度波動(dòng)導(dǎo)致焊接電流不穩(wěn)定，焊縫成型不好。將送絲輪送絲范圍縮小后，兩片送絲輪組對(duì)后形成的V型槽較淺，焊絲上的接觸壓力增大，足以克服送絲阻力，所以焊接電流穩(wěn)定。

案例3中，送絲機(jī)壓緊輪是一個(gè)軸承輥，通過(guò)彈簧調(diào)節(jié)焊絲上的壓緊力。壓緊輪長(zhǎng)期使用后，軸承會(huì)因磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，送絲阻力變大，送絲速度降低，焊接電弧拉長(zhǎng)，電壓增高。更換新的壓緊輪后，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，送絲阻力小，送絲速度穩(wěn)定，焊接電弧能保持一定長(zhǎng)度，電壓穩(wěn)定。送絲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 送絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意

案例4中，兩片送絲輪組成一個(gè)帶齒的V型槽，送絲過(guò)程中會(huì)在焊絲上形成兩列齒痕，當(dāng)兩列齒痕深淺一致，每個(gè)齒痕長(zhǎng)度相同，相鄰齒痕之間的間距相同時(shí)，送絲速度穩(wěn)定。送絲輪在送絲過(guò)程中也會(huì)有一定的磨損，送絲輪上會(huì)產(chǎn)生一圈凹痕，焊絲直徑不同時(shí)，凹痕的曲率不同，粗焊絲在送絲輪上產(chǎn)生的凹痕曲率小，細(xì)焊絲在送絲輪上產(chǎn)生的凹痕曲率大。使用粗焊絲時(shí)，隨著送絲輪的磨損，凹痕會(huì)向著V型槽的底部移動(dòng)，送絲輪磨損到一定程度后，粗焊絲的凹痕與細(xì)焊絲的凹痕重疊到一起，再更換細(xì)焊絲時(shí)，由于送絲輪已磨損出一部分曲率比較小的凹痕，焊絲與送絲輪接觸面積變小，送絲機(jī)傳遞到焊絲上的送絲力矩變小，而送絲系統(tǒng)中的阻力不變，從而引起送絲速度波動(dòng)，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)。送絲輪磨損情況對(duì)比如圖4所示。

圖4 送絲輪磨損情況對(duì)比

3 結(jié) 論

綜上所述，焊絲及送絲系統(tǒng)對(duì)直縫埋弧焊管焊接質(zhì)量有較大影響；因此，要保證直縫埋弧焊管的焊接質(zhì)量，對(duì)焊絲質(zhì)量及送絲系統(tǒng)有以下要求：①焊絲表面不能有油或銹；②焊絲中不能有硬彎、接頭；③送絲輪、壓緊輪磨損后及時(shí)更換；④由粗絲換成細(xì)絲時(shí)要更換送絲輪；⑤選用與焊絲直徑相適應(yīng)的送絲輪，避免用到送絲范圍的下限。

焊接直縫埋弧焊管時(shí)，送絲系統(tǒng)中存在一定的阻力，送絲驅(qū)動(dòng)力大于阻力才能保證焊絲的持續(xù)、穩(wěn)定送進(jìn)。要保證送絲驅(qū)動(dòng)力有兩個(gè)條件：一是壓緊輪給焊絲足夠的壓力，二是送絲輪與焊絲有足夠的接觸面積。送絲阻力的大小與焊絲及送絲系統(tǒng)有關(guān)，焊絲本身存在的硬彎、接頭及送絲系統(tǒng)中焊絲盤、送絲輪、壓緊輪、送絲管等零部件的磨損，都會(huì)導(dǎo)致送絲阻力增加。查找并消除導(dǎo)致送絲阻力變大的因素，更換送絲系統(tǒng)中磨損嚴(yán)重的零部件，保證送絲速度的穩(wěn)定性，是提高直縫埋弧焊管焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率的有效措施。