交流方波在多絲埋弧焊中的應(yīng)用研究*

曾慶湖，黃克堅，劉長洋，梁鳳岐

（番禺珠江鋼管（珠海）有限公司，廣東 珠海 519050）

在傳統(tǒng)多絲埋弧焊工藝的調(diào)整過程中，由于電源可控性調(diào)整參數(shù)局限于電流值、電壓值，因而這種以傳統(tǒng)電源技術(shù)為基礎(chǔ)的多絲埋弧焊接，其工藝優(yōu)化過程就存在較大的局限性。與傳統(tǒng)電源不同，交流方波電源（數(shù)字逆變電源）具有較多的可調(diào)參數(shù)，其中占空比（正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值）和偏置（表征波形偏離零點平衡位置的程度）是波形控制的兩個非常重要的參數(shù)，如圖1所示。這兩個參數(shù)的變化將引起焊接電弧熱和焊接電弧力的改變，從而對焊接過程的穩(wěn)定性、焊接效率、焊縫成型等也產(chǎn)生不同程度的影響［1-2］。目前，交流方波電源的特性逐漸被人們認(rèn)識，該技術(shù)在埋弧焊中的應(yīng)用已處在行業(yè)技術(shù)的前沿。本文將介紹在多絲埋弧焊中，通過控制占空比和偏置量，對比其對熔敷率的影響，進(jìn)而通過試驗驗證其對焊縫熱輸入的影響，為在實際生產(chǎn)中獲得高性能的焊縫接頭提供理論依據(jù)。

1 波形參數(shù)及控制意義

（1）占空比。由于直流正接可以提高熔深，反接控制熔敷率，因此增加占空比，則熔深增大，熔敷率降低；減小占空比，則熔深減小，熔敷率增大，如圖2所示。占空比的大小不會影響工件、焊絲產(chǎn)生熱和焊接電弧力，但正確設(shè)置占空比，卻可以得到合適的熔深和熔敷率［3-4］。

圖1 埋弧焊交流方波可控參數(shù)示意

圖2 占空比控制示意

（2）偏置量。偏置量為零點平衡偏移后正向電流或負(fù)向電流在一個周期內(nèi)改變的幅值，其大小用百分比表示，如圖3所示［3］。偏置量為正值時，表示正向電流的幅值增大，為負(fù)時表示負(fù)向電流的幅值增大，數(shù)值越大，幅值變化越大。增加正偏置，電流密度增大，焊接電弧力增加，對熔池向下的沖擊作用增大，從而熔深加大，熔敷率降低；而提高負(fù)偏置，用于熔化工件的熱量減少，熱影響區(qū)變窄，熔深減少，熔敷率增加，使熔寬有一定增大。

圖3 偏置量控制示意

2 占空比和偏置量對熔敷率的影響規(guī)律

焊縫金屬熔敷率指的是有效附著在焊接部位的金屬質(zhì)量占熔融焊條、焊絲質(zhì)量的比例，是衡量焊接工藝優(yōu)劣的重要參數(shù)，與焊接過程的送絲速度存在密切的關(guān)系。本試驗使用的是林肯Power Wave AC/DC 1000SD埋弧焊機(jī)，預(yù)設(shè)占空比調(diào)節(jié)范圍為25%~75%，偏置量調(diào)節(jié)范圍為-25%~+25%，研究占空比和偏置量對焊絲送絲速度的影響，從而觀察參數(shù)的改變對焊縫金屬熔敷率的影響規(guī)律，如圖4~5所示。從中可以看出：

（1）隨著占空比和偏置量的增大，送絲速度相應(yīng)減小，其結(jié)果與試驗過程所選用的焊絲直徑大小關(guān)系并不密切。

（2）相同電流條件下，當(dāng)占空比從25%增加到75%時，送絲速度呈線性遞減趨勢，減小的范圍為250~650 mm/min。

（3）當(dāng)調(diào)整偏置量從-25%到+25%時，送絲速度的變化范圍只在130~250 mm/min之間，且其改變沒有明顯的規(guī)律，波動較大。

因此，占空比的調(diào)整對送絲速度，即熔敷率的改變影響明顯，并且可以穩(wěn)定控制。

圖4 占空比對不同直徑焊絲送絲速度的影響

圖5 偏置量對不同直徑焊絲送絲速度的影響

3 應(yīng)用及試驗驗證

在多絲埋弧焊中，以四絲焊接為例，一般采用前絲為直流反接、后三絲為交流的電源模式，其中，前絲主要控制熔深，以保證焊接接頭焊透；后三絲控制熔敷金屬的填充及蓋面，以保證焊縫的成型。當(dāng)減小交流方波的占空比時，在相同的電流下，根據(jù)前述占空比和偏置量對熔敷率的影響規(guī)律的研究，后三絲的送絲速度提高，即后三絲的熔敷率提高。因此，需提高焊接速度或減小后三絲的電流，以保證單位長度內(nèi)焊縫金屬熔敷量與占空比減小前一致。從熱輸入公式Q=ΣIU/v（式中，Q為焊接熱輸入，kJ/cm；I為電流，A；U為電壓，V；v為焊接速度，mm/min）［4］看出：無論提高焊接速度或減小后三絲電流，均可以減小焊接接頭的熱輸入。但是，提高焊接速度會減小前絲的熔透深度，所以，為保證焊接接頭的質(zhì)量，擬通過減小占空比來減小熱輸入，應(yīng)優(yōu)先考慮采用減小電流的方式。

選擇材質(zhì)L415、壁厚25 mm的試板進(jìn)行焊接，采用相同的焊縫金屬熔敷量，即在試板坡口、焊絲送絲速度、焊接速度一定的情況下，設(shè)置不同的占空比進(jìn)行四絲焊接，驗證占空比對焊接熱輸入的影響。占空比與焊接參數(shù)的對應(yīng)值見表1。焊后取樣進(jìn)行宏觀形貌分析和沖擊韌性試驗，不同占空比焊縫宏觀形貌如圖6所示。從表1可以看出：焊接熱輸入隨著占空比的減小，從51.0 kJ/cm降至45.7 kJ/cm，降幅達(dá)10%。從圖6也可以看出：采用較小占空比參數(shù)焊接后，焊縫形貌良好；盡管熱輸入有所減小，但是對焊接接頭的熔透深度并未產(chǎn)生影響。-20℃時焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功見表2。從表2看出：隨著占空比的減小，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功都呈增大的趨勢。這是因為焊接過程中，假設(shè)占空比增大則熱輸入增大，熔敷金屬中合金元素?zé)龘p加劇，同時冷卻速度減小，致使顯微組織的尺寸增大；而焊縫韌性又取決于針狀鐵素體所占的比例，由于熱輸入過大導(dǎo)致金屬組織的惡化，不利于針狀鐵素體的析出，使其組織減少，從而導(dǎo)致焊縫低溫沖擊功降低［5-7］。因此，減小熱輸入有利于提高沖擊韌性。

表1 占空比與焊接參數(shù)的對應(yīng)值

圖6 不同占空比的焊縫宏觀形貌

表2 -20℃時不同占空比下焊縫、熱影響區(qū)的沖擊功

4 結(jié) 論

（1）與偏置量的調(diào)整相比，交流方波中占空比的調(diào)整更能有效地控制焊縫金屬的熔敷率。

（2）多絲埋弧焊采用較小占空比時，可以減小熱輸入，有利于提高焊接接頭的低溫沖擊韌性。

（3）世界天然氣長輸管道建設(shè)已經(jīng)從X52、X60和X65鋼級管線鋼發(fā)展到X90和X100鋼級高強(qiáng)度管線鋼，目前國際上超高強(qiáng)度管線鋼管產(chǎn)品的研究開發(fā)工作主要集中在X120鋼級上，但其實際工業(yè)化的應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢，主要是因為要同時提高管線鋼的強(qiáng)度和韌性存在很大困難［8-9］；因此，高強(qiáng)度管線鋼管生產(chǎn)過程中采用較小的占空比可以減小熱輸入，從而有利于焊縫獲得較高的低溫沖擊韌性，同時避免由于熱輸入過大而產(chǎn)生其他缺陷。

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