采用熔化極氣體保護電弧焊的先進管道焊接技術

P.Jernstr?m，J.Uusitalo

(Kemppi Oy，Kempinkatu 1，15801 Lahti，Finland)

0 前言

過去50年間，管道焊接技術的發展迫使我們高效率、高質量地完成焊接［1］。先進焊接電源的出現，使在沒有銅背墊的情況下進行外部單面焊接已成為可能。近年許多焊接設備制造商推出了為此設計的產品。如林肯電氣公司(Lincoln)的表面張力過渡(STT)技術可用于在任何位置上進行單面留隙焊根焊接［2］。如今，伏能士(Fronius)、米勒(Miller)和伊達高科(EWM)在市場上均擁有各自的相應產品。

1 肯倍(Kemppi)WiseRoot+工藝特點

肯倍(Kemppi)的WiseRoot+工藝具有非常高的電壓測量精度，電壓則用于控制電流的輸入。當電源檢測到短路時，電流在受控狀態下增加，并觸發從焊絲到填充金屬熔滴的過渡。如果電流測量精度非常高，在填充金屬熔滴落下之前，電流便已下降，短路狀態也隨之終止。當短路終止于一個弱電流點時，填充金屬將平緩過渡，不會產生飛濺。短路終止后，電流將產生一個脈沖，而該脈沖將使焊接熔池溫度升高，但不會引起填充金屬的過渡(見圖1)。

圖1 WiseRoot+工藝中電流和電壓在一個短路周期內的變化

WiseRoot+工藝可用于管材和板材的無背墊單面留隙焊根焊接。焊接固定水平管道時，在12～6點鐘位置采用下向焊工藝。對于垂直管道，也可在橫焊(PC)位置進行焊接。焊接板材時，可以采用平焊(PA)、橫焊(PC)、仰焊(PE)和立向下焊(PG)位置。

WiseRoot+的設計充分考慮了易用性要求。首先根據使用的填充金屬焊絲和保護氣體選擇合適的焊接程序。然后用戶選擇所需的送絲速度，所選的焊接程序將負責對其他所有參數進行調整。同時，操作者還能使用一項微調功能調節電弧的熱輸入在焊接金屬上產生的效果，該微調功能還會影響根部熔深。特別是當采用相對較大的根部間隙在3～6點鐘位置對固定管道進行焊接時(見圖2)，可能會出現根部凹陷現象(見圖3)。這是由熱輸入量過高引起的，并伴隨著焊接熔池從焊根向內流動。在這種情況下，可以反方向調節微調控制功能，以減小熱輸入量。使焊根面上的焊接質量符合要求(見圖3)。一般來說，‘–’調節適用于要求根部間隙較大的焊接場合，以確定焊接熔池不會升溫過高。微調功能的‘+’調節適用于要求根部間隙較小的焊接場合，以確保坡口兩側在窄坡口中熔化。

圖2 固定管道的焊接位置

圖3 根部凹陷和符合要求的焊接

在焊接固定管道的過程中，可根據焊接位置的變化調整焊接參數設置。使用肯倍的FastMig X設備的MatchChannel功能，焊工可以在不中斷焊接過程的情況下，隨時改變存儲通道。適合各個位置的最優參數保存在MatchChannel存儲器中。Match-Channel功能使焊工在每個焊接位置上都能采用最優參數進行焊接，從而提高焊接質量和效率。不連續的焊接過程會嚴重影響工作效率，因為在繼續進行焊接之前，必須將焊接端頭磨圓。大部分焊接缺陷出現在重新開始焊接的位置，因此就這點而言，MatchChannel功能對改善焊接質量很有幫助。如果將較高的熱參數值保存在另一個存儲通道中(通過微調功能的‘+’設置)，則該功能還能改善焊接起始和結束位置的焊接質量，降低焊接缺陷出現的風險。如果焊接的起始或結束位置在某個已完成的焊縫或定位焊縫之上，則必須將之前焊縫的邊緣磨圓，以避免出現焊接缺陷。

WiseRoot+工藝設計用于對接接頭的根焊。焊工可選擇坡口的形狀和類型，以適應待焊接工件的厚度。當工件厚度小于等于5 mm時，使用平頭對接焊和0～3 mm的根部間隙(視工件厚度而定)。對于大于該厚度的母材，使用其他類型的對接焊。當工件厚度介于10～12 mm時，使用帶間隙和坡口鈍邊的單面V形坡口(見圖4)。WiseRoot+工藝具有以下優勢:無論間隙有多窄，始終能夠確保充分焊透。該間隙可以小到2 mm，同時坡口鈍邊增大到2 mm。可以從兩個方面提高焊接效率:減小焊縫尺寸和進行根焊時使用數值較高的焊接工藝參數。

對于厚度較大的工件，采用雙V形焊縫(坡口)或U形焊縫(坡口)(見圖5)更具成本效益，因為這兩類焊縫均有助于減小焊縫尺寸。類似的間隙和坡口鈍邊也可用于單面和雙面V形焊縫(坡口)。U形(坡口)焊縫的間隙通常為0 mm，坡口鈍邊為1～2 mm。對于U形(坡口)焊縫而言，由于焊接速度較快，因此焊接工藝參數必須設置得更高，建議使用自動焊接。

圖4 厚度10～12 mm的母材的V形焊縫

圖5 尺寸較厚(厚度大于20 mm)的母材的對接焊縫

在某些情況下，間隙可能比圖5中給出的尺寸還要大。但這不會給WiseRoot+工藝造成任何問題，該工藝也能夠接受大間隙。

當間隙大于建議值時，焊接效率會受到影響，因為焊工不得不使用數值較低的焊接工藝參數。目前已經成功完成了間隙不超過10 mm的焊接試驗。盡管建議不采用此類大間隙，但在一些無法確保精確配合的困難應用場合，這些大間隙仍可能出現。

該工藝非常適合鋼材的根焊，還為焊機提供一系列焊接程序包，用戶在焊接結構鋼、不銹鋼和高合金鋼時，可以根據所使用的各類填充材料來選擇合適的焊接程序包。此外，還提供適合尺寸為英制單位(1.045英寸，或1.14 mm)，使用Ar和CO2混合氣體的實心焊絲的焊接程序。該類焊絲常用于天然氣管道(如在俄羅斯建設的天然氣管道)的根焊。WiseRoot+工藝專為對接接頭的根焊而設計。在產品開發過程中，主要關注點為所有位置上的管道對接接頭的根焊。

2 焊接試驗

采用肯倍公司FastMig X多功能GMAW設備(見圖7)的標準功能之一——WiseRoot+工藝進行了焊接試驗。試驗的目的是評估該項新工藝是否適用于外徑為600 mm的水平安裝X60鋼管。該鋼管的壁厚為12 mm，接頭為V形。間隙寬度2～3 mm，坡口鈍邊1.5～2 mm。焊接試驗所采用的焊接工藝參數如表1所示。

圖7 焊接試驗環境

表1 試驗焊接工藝參數

3 結果和分析

焊接試驗結果表明，這項新工藝對改善電弧穩定性、焊池控制、熔透成形和焊接速度均具有積極作用。獲得了光滑、均勻的根部焊道以及完全焊透和側面熔合效果(見圖8)。在確保焊接質量符合要求(符合標準ISO 5817的B級要求)的前提下，WiseRoot+工藝的最大焊接速度比鎢電極惰性氣體保護焊快3～4倍。

焊接試驗結果表明，與采用傳統的短路焊接工藝相比，采用WiseRoot+工藝的間隙寬度變化補償更加容易。WiseRoot+工藝能接受的間隙尺寸更大，因此對接頭的準備和配合精度要求更低，這不僅有助于節省時間，還能降低焊接接頭準備的成本。

4 結論

介紹了一種新型焊接工藝，通過焊接試驗對其進行了評估，試驗結果表明:

圖8 采用WiseRoot+工藝焊接的根部焊道宏觀照片

(1)WiseRoot+工藝可用于管材和板材的無背墊單面留隙焊根焊接。焊接固定水平管道時，在12～6點鐘位置采用下向焊工藝。

(2)該新工藝對改善電弧穩定性、飛濺、熔池控制、熔透成形和焊接速度均具有積極作用，獲得了光滑、均勻的根部焊道以及完全焊透和側面熔合效果。

(3)與采用傳統的短路焊接工藝相比，采用WiseRoot+工藝的間隙寬度變化補償更加容易。WiseRoot+工藝能接受的間隙尺寸更大，因此對接頭的準備和配合精度要求低，有助于節省時間，降低焊接接頭準備的成本。

［1］Yapp D.高效管道環焊:管道機械化電弧焊技術的發展［J］.國際管路，2011(3):44.

［2］DeRuntz B D.應用于制造業的表面張力過渡焊接工藝［R］.美國工業技術協會會議，2001:20-26.