埋弧焊在焊接鋼管中的應(yīng)用

余偉明

（廣東佛山528000）

1 埋弧焊簡介

埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法，基本原理如下：在焊劑層下，電弧在焊絲末端與焊件間燃燒，使焊劑熔化、蒸發(fā)，形成氣體，在電弧周圍形成封閉空腔。由于焊絲不斷送入，以熔滴狀進人熔池，與熔化的母材金屬混合，隨著焊接過程的進行，電弧向前移動，熔池冷卻凝固后形成焊縫，密度較輕的熔渣在熔池表面，有效地保護熔池金屬，冷卻后形成渣殼。埋弧焊分為單面和雙面埋弧焊，具有焊接質(zhì)量高、無弧光、煙塵少等優(yōu)點。目前埋弧焊已經(jīng)發(fā)展出雙絲及多絲埋弧焊。

2 焊接工藝的選擇

2.1 焊接材料

埋弧焊鋼管材質(zhì)主要有碳鋼（如Q235A、Q235B）、合金鋼（如L290、L290、L360、L415、L485、L555）、不銹鋼（如1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Nb）。合適的焊接材料是保證焊接質(zhì)量的前提，埋弧焊的焊接材料是指焊絲和焊劑。

2.1.1 焊絲

埋弧焊所用焊絲有實芯焊絲和藥芯焊絲兩類。目前生產(chǎn)中普遍使用的是實芯焊絲。焊絲的品種隨所焊金屬種類的增加而增加。目前已有碳素鋼、合金鋼和各種有色金屬焊絲等。焊絲的選擇應(yīng)使焊縫金屬的強度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性等滿足要求，比如，對于低合金鋼埋弧焊來講，焊絲的選擇盡量是等強匹配（不低于或略高于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限）的原則，配以塑性和韌性等要求。

焊絲表面應(yīng)干凈光滑，焊接時能順利送進，以免給焊接過程帶來干擾。除不銹鋼和有色金屬焊絲外，各種碳鋼和低合金鋼焊絲的表面最好鍍銅。鍍銅層既可防銹，也可改善焊絲與導(dǎo)電嘴的電接觸狀況。為使焊接過程穩(wěn)定進行并減少焊接輔助時間，焊絲應(yīng)當(dāng)用盤絲機整齊地盤繞在焊絲盤上。

2.1.2 焊劑

埋弧焊使用的焊劑是顆粒狀可熔化的物質(zhì)，其作用相當(dāng)于焊條的藥皮。焊劑應(yīng)具有如下性能：

（1）良好的冶金性能。與焊絲相配合，通過適當(dāng)?shù)暮附庸に噥肀ＷC焊縫金屬獲得所需化學(xué)成分和力學(xué)性能及抗熱裂和冷裂的能力。

（2）良好的工藝性能。即要有良好的穩(wěn)弧、焊縫成形、脫渣等性能，且在焊接過程中生成的有毒氣體少。

焊劑的選擇應(yīng)和焊絲相搭配以使最終形成的焊縫具有所需要的化學(xué)成分和優(yōu)良的力學(xué)性能。比如焊接低合金鋼如Q345時，可選擇的一種匹配情形為：焊絲為H10MnSi或H10Mn2配合熔煉焊劑HJ350來使用。這種中硅中錳焊劑含有的酸性氧化物SiO2較少，堿性氧化物MgO或CaO較多，堿度較高，焊接時過渡到熔敷金屬中的硅和錳的含量就少，焊縫金屬中含氧量低，因此合金成分較為理想，也使得焊縫具有良好的塑性和韌性。鐵素體、奧氏體等高合金鋼，一般選用堿度較高的熔煉焊劑或燒結(jié)焊劑，以降低合金元素的燒損。不同鋼種焊接用的焊劑與焊絲的組合可以根據(jù)實際情況進行選擇。

2.2 預(yù)焊技術(shù)

預(yù)焊是直縫埋弧焊鋼管的焊接工藝組成部分，它是將焊縫沿全長進行“淺焊”，是直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)中的特殊工序。

現(xiàn)代預(yù)焊技術(shù)采用了連續(xù)、高速的氣體保護焊（MAG）方式，焊道成型平直美觀。就MAG焊而言，目前有兩種方法：一種是美國和德國等國家采用的單絲雙電源的大電流高速氣體保護預(yù)焊，另一種是日本采用的雙絲高速氣體保護預(yù)焊。目前應(yīng)用較多者為單絲高速氣體保護預(yù)焊，我國從德國引進的兩條直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)線中預(yù)焊都是采用此種方法。

從鋼管的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中也可反映出預(yù)焊技術(shù)的發(fā)展，在最新的有關(guān)海洋、低溫和酸性條件用管標(biāo)準(zhǔn)IS03183-3和GB/T9711.3的6.3款中，已明確提出不允許采用斷續(xù)點焊，說明了預(yù)焊對鋼管質(zhì)量的重要性。

2.3 焊前準(zhǔn)備

埋弧焊在焊接前必須做好準(zhǔn)備工作，包括焊件的坡口加工、待焊部位的表面清理、焊劑的烘干等。

坡口加工要保證焊縫根部不出現(xiàn)未焊透等缺陷，并在滿足要求的前提下盡量減少填充金屬量，以節(jié)約成本。常用的坡口有V型、Y型、X型、雙Y和雙U型等。在板厚相同時，雙面坡口比單面坡口，U形坡口比V形坡口消耗填充金屬少，焊接變形小，尤其是隨著板厚的增加，這些優(yōu)點更突出，對于較大壁厚的鋼管，可開設(shè)X或雙U型坡口。

待焊部位清理主要是去除表面鐵銹、氧化皮、油污及水分，防止氣孔、夾渣等缺陷產(chǎn)生。一般用噴砂、噴丸等方法將坡口及其兩側(cè)區(qū)域內(nèi)表面清理干凈。焊絲表面氧化皮、鐵銹等也要清理干凈。焊劑保存時要注意防潮，使用前必須按規(guī)定溫度烘干待用。

2.4 焊接工藝參數(shù)

埋弧焊工藝參數(shù)，主要是指焊絲直徑、伸出長度、焊絲傾角、電源種類和極性、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊劑種類及坡口形式等。這些參數(shù)影響著焊縫的形狀系數(shù)和熔合比，從而影響焊縫質(zhì)量。對于坡口形式及焊絲、焊劑的種類和選擇在前文中已有詳述，在此不提。

（1）焊絲直徑、伸出長度及傾角

通常埋弧焊焊絲直徑在2-5mm，其他焊接參數(shù)不變而焊絲直徑增加時，弧柱直徑隨之增加，電流密度減小，會造成焊寬增加，熔深減小。反之，則熔深增加，焊寬減小。多層焊時底層焊要選較小的焊絲直徑，這樣焊接時能很好的熔合坡口根部，避免未焊透缺陷產(chǎn)生。

在其他焊接參數(shù)不變而伸出焊絲長度增加時，該部分焊絲所受到的預(yù)熱作用增強，焊絲熔化速度加快，會使熔深變淺，焊縫余高增加。故須控制焊絲伸出長度，不宜過長。

焊絲傾斜方向不同，電弧對熔池?zé)嶙饔靡膊煌．?dāng)焊絲后傾一定角度時，因電弧指向焊接方向，使熔池前面的焊件受到預(yù)熱作用，電弧對熔池的液態(tài)金屬排出作用減弱，而導(dǎo)致焊寬較大而熔深變淺。反之，焊寬較小而熔深較大，但易使焊縫邊緣產(chǎn)生未熔和咬邊，并使焊縫成形變差。因此要根據(jù)實際情況，選擇合適的焊絲傾角。

焊接電流是決定焊縫熔深的主因。其他條件不變時，焊接電流增大，焊絲熔化量、焊縫的熔深及余高均增加，而焊寬變化不大；焊接電流減小時，焊絲熔化量、焊縫熔深和余高都減小。正常情況下，焊接電流與熔深大致呈線性關(guān)系，如下：

式中：

H∶熔深（mm）；

I：焊接電流；

Km∶系數(shù)，

主要取決于焊絲直徑，另外跟焊劑、電源極性、坡口有關(guān)，Km可以根據(jù)不同情況選擇。

由H和Km值，據(jù)以上公式可以大概計算出電流I值。

由于埋弧自動焊的焊絲伸出長度比焊條電弧焊要短，通電狀態(tài)下焊絲導(dǎo)電長度變短，單位內(nèi)的電流密度提高，因此熔深和焊絲熔敷速率提高，所以埋弧焊時焊接電流較大，從一定意義上解釋了埋弧焊可以焊接較大壁厚的原因。但也不宜采用較大焊接電流，否則易造成燒穿、咬邊等缺陷并增大焊接飛濺。

（2）電壓

電弧電壓和電弧長度對應(yīng)成比例，一定的焊接電壓要保持一定弧長才能保證焊接電流穩(wěn)定燃燒。電弧電壓根據(jù)電源的外特性和電流來確定，焊接電源是下降特性的可以按U=20+ 0.04I來估算；電源是平特性的可按U=14+0.05I確定。電弧電壓對熔深影響很小，主要影響熔寬，隨電弧電壓增大，熔寬增大，而熔深及余高略有減小。為保證電弧穩(wěn)定燃燒及合適的焊縫成形系數(shù)，電弧電壓應(yīng)與焊接電流保持適當(dāng)?shù)年P(guān)系。焊接電流增大時，應(yīng)適當(dāng)提高電弧電壓。

（3）焊速

當(dāng)其他焊接參數(shù)不變而焊接速度增加時，焊接熱輸入量相應(yīng)減小，從而使焊縫的熔深也減小，會造成焊接缺陷產(chǎn)生。為使焊接質(zhì)量穩(wěn)定必須保證一定的焊接熱輸入量，即為了提高生產(chǎn)率而提高焊速的同時，應(yīng)相應(yīng)提高焊接電流和電弧電壓。

結(jié)語

綜上所述，焊接工藝技術(shù)對于石油天然氣的輸送質(zhì)量和海底管道厚壁的發(fā)展具有重要的作用。因此，在進行焊接工藝技術(shù)時，應(yīng)做好焊接前期的準(zhǔn)備工作，選取適合的焊接材料，加強對預(yù)焊技術(shù)的研究，施工人員也應(yīng)提高自身的綜合技能，吸收和學(xué)習(xí)國內(nèi)外的先進工藝技術(shù)，在不斷的實踐中不斷積累經(jīng)驗，從而保證焊接工藝技術(shù)的質(zhì)量。

[1]夏金明，王宏勇，張馳.直縫埋弧焊鋼管預(yù)焊技術(shù)[J].焊管，2006（02）.

[2]白 鷹，鄧長益，周秀峰，曾德勝，張 馳.直縫鋼管預(yù)焊設(shè)備與工藝[J].焊接，2003（11）.