錦屏二級水電站壓力鋼管焊接線能量控制

張軍雷/葛洲壩集團第二工程有限公司

錦屏二級水電站壓力鋼管焊接線能量控制

張軍雷/葛洲壩集團第二工程有限公司

本文詳細闡述了錦屏二級水電站壓力鋼管焊接過程中出現的焊接線能量較大的原因，并通過工藝試驗，制定了相應的解決辦法和控制措施，為類似鋼結構的焊接質量控制提供了很好的借鑒。

壓力鋼管;焊接線能量;控制

一、 概述

錦屏二級工程壓力鋼管大部分直徑為6500mm，少量為6050mm。厚度δ20mm-56mm，其中38mm厚度一下為普通低合金鋼（包括38mm），其余為高強度鋼。在壓力鋼管制作、安裝過程中，出現了產生較大的焊接線能量，如不采取有效措施加以控制，將影響產品使用壽命，給工程安全運行帶來極大隱患。

二、 壓力鋼管焊縫接頭形式及焊接方法

接頭形式：場內制作全部為等厚對接接頭，背縫焊接均為碳弧清根焊。填充層及外縫蓋面層以及洞內環縫均采用手工焊條電弧焊，焊接位置為制作現場為立焊焊接工位，洞內安裝為全位置焊接工位。

三、 焊接順序

縱縫正縫第一道為分段退步焊。，其余焊道均為連續焊。環縫則由底部分中向兩側焊接，每個工位連續焊接，未采取退步焊形式。

四、拼裝及焊接工序數據收集

為解決線能量較大問題，我們進行了幾組試驗并對相關數據進行了收集整理。

（一）管節一（縱縫焊接），管壁厚度δ=24mm、寬度方向均為3000mm

1. 坡口開制：不對稱X型，內2/3，外1/3，鈍邊2mm、坡口角度為單邊30°。

2. 瓦片卷制質量檢查：見下表1

表1 瓦片卷制各項實測數據

3. 瓦片組對幾何尺寸檢查

(1) 拼裝間隙：采用φ4mm焊條預留拼裝間隙，縱縫上下兩端拼裝間隙約為6mm，

(2) 用專用外弧樣板測縱縫處弧度：縱縫上3mm，下為4mm，中間為6mm，均為內桃形式。縱縫處直徑為6480mm（采用擋樁固定）。

1.4 焊接線能量限制范圍依據 (線能量范圍確定)

⑴根據DL5017-93中魯布格電站鋼管的手工焊焊接工藝為參考，下限值為12KJ/Cm，上限為60KJ/Cm。[1]

⑵以焊接工藝評定合格試板為依據，經現場實際計算確定。

焊接線能量計算公式：

焊接線能量：E＝P/v =UI/V 其中：v—焊接速度（cm/s）U—電弧電壓（V）I—焊接電流（A）

36mm焊接工藝評定合格的試板焊接參數（立焊工位、平均值）：U=20 I=165 V=70mm/86S=0.08Cm/S， 則E=20★165/0.08=41.25KJ/Cm。為了將焊接線能量控制在較低范圍，將低合金鋼焊接線能量上限值定為40KJ/Cm。

在焊接工作開始之前，對焊接人員要求采用分段退步焊法、多層焊。預熱溫度為80-100℃[2]。具體焊接參數如表2所示：

表2 試驗管節一焊接參數（不考慮拼裝間隙的影響）

焊接層次示意圖

上述結果表明，各層焊接線能量均在在允許范圍內。

（二）試驗管節二（洞內環縫焊接），壁厚36/36

鋼板坡口開制為不對稱X型，由于坡口機自身加工性能受限，所能開制的30°最大單邊坡口深度為20mm，則坡口比例基本為內3/5，坡口深度20mm，外2/5，坡口深度14mm，鈍邊2mm、坡口角度為單邊30°

焊接過程記錄：

先焊內縫，焊完后外縫采取保溫清根，均采取連續、多層焊法。具體焊接參數如表3所示：（由于工位較多，且焊接層數較多，特挑選工位五作為代表）

表3 試驗管節二焊接參數（不考慮拼裝間隙的影響）

試驗管節二焊道形式

上述計算結果表明，如果按照這樣的焊接方式，各層焊接線能量基本上均超出工藝規定范圍，且有的焊道超出的數值較多。通過上述各項焊接參數及母材厚度綜合分析，認為焊接速度慢、一次焊接厚度較大是焊接線能量超標的主要原因，為此，特做了試驗管節三，對一些參數做了一些改變，主要體現為增加焊接層數。

（三）試驗管節三洞內環縫焊接，壁厚36/36。改進焊接工藝后焊接線能量

環縫各項幾何尺寸參數與焊接工位與試驗管節二相同。

試驗管節三焊接參數

試驗管節三焊道形式

改進焊接工藝后，通過數據對比可發現，試驗管節三前四層與試驗管節二四層之間每層線能量下降數值分別為3.1 KJ/Cm、9.5 KJ/Cm、9.8 KJ/Cm、14 KJ/Cm。

如果單獨拿正縫蓋面層焊接線能量相比，則下降數值為20.5 KJ/Cm。可以說環縫焊接工藝的適當改變（增加焊接層數）取得了預期的效果。

五、結果分析

（一）焊接線能量與焊接參數之間的關系：

焊接電流、焊接電壓和焊接速度主要有以下特點：

1.焊接速度——過快，熔化溫度不夠，易造成未熔合、焊縫成形不良等缺陷；若焊接速度過慢，高溫停留時間增長，熱影響區寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，力學性能降低，同時使焊件變形量增大。當焊接較薄焊件時，易形成燒穿。

2.焊接電流——過小會使電弧不穩，造成未焊透、夾渣及焊縫成形不良等缺陷。焊接電流過大，易產生咬邊、打底層易焊穿等缺陷，也會使焊接接頭的組織由于過熱而發生變化。

3.電弧電壓——電弧長度越長，電弧電壓越高，降低保護效果，易產生電弧偏吹等。在焊接過程中，應盡量使用短弧焊接。但隨著焊接電流的增加，電弧電壓也將隨之增加。

（二） 三組數據結果對比

當焊接位置為單一焊接工位時，焊接工位不發生改變，整個焊接過程焊接電流和焊接電壓基本上為固定值。因熔池形狀較好控制，單根焊條焊接長度在每層焊道中不會發生較大的變化，焊接線能量相對較好控制。當焊接工位不斷變化時（全位置），隨著焊接工位的不同，焊接電流也將適時作出調整，這也導致每層焊道中單根焊條的焊接長度將會發生一定改變，同時也導致了同焊道不同工位的敷熔金屬厚度也不同，線能量也隨之發生一定的變化。這也是全位置焊接工位較單一焊接工位焊接線能量相對難控制的原因。在電壓和電流一定的條件下，焊接速度越快，單根焊條焊接長度越長，敷熔金屬厚度越薄，線能量越小，反之越大。現場實際測量焊接厚度時，同樣的焊接電流，同一層焊道，實測平焊工位一次焊接厚度僅5mm，立焊工位則～9mm，相差接近一倍。

六、 焊接線能量控制方法

控制線能量主要是控制焊接速度：一為控制每根焊條的熔敷長度；另外為控制每道焊道的橫截面積（或敷熔金屬厚度）。

（一）控制每根焊條的熔敷長度

由于選定焊條直徑在給定的焊接位置上焊接時，焊接電流（I）和焊接電壓（U）的變動都是不大的。當焊接電流一定時，熔敷一根焊條所需時間基本是穩定的，不可能有大起大落的情況，于是控制焊接線能量的問題就變成主要控制一根焊條的熔敷長度的問題。

（二）控制每道焊道的橫截面積

即控制焊道的形狀尺寸，也就是焊道橫截面積可以反映一根焊條熔敷長度的多少。若焊道橫截面積大，則焊接電流相對較大，敷熔金屬厚度較厚，即一根焊條熔敷長度短，焊接線能量大。改變熔池橫截面的長、寬數值，就可改變橫截面積。用對于固定焊接位置的一定坡口形狀的焊縫，規定用焊接層數來完成，這實質上就是規定了線能量。

七、結論

（一）焊條電弧焊的線能量是可以控制的，主要是控制焊接速度和焊接電流。

（二）用控制一根焊條的熔敷長度來控制焊接速度，也就控制了焊接線能量，這種方法合理簡便可行。

（三）用控制每道焊道金屬的敷熔金屬厚度來控制焊接線能量也是比較可行的一種方法。

八、結束語

焊條電弧焊的焊接線能量與焊接電流、電弧電壓及焊接速度熔敷長度、敷熔金屬厚度有關。錦屏二級壓力鋼管制安焊接過程中，通過上述方式控制焊接線能量，使產品質量得到了根本、有效的保證，并進一步提高了焊接人員質量意識。

[1] 中華人民共和國電力行業標準[D] DL5017-93 .

[2] 中華人民共和國電力行業標準[D] DL/T5017-2007.

[3] 鄭中甫、陳泉 工藝參數及焊接材料對T91/P91鋼焊縫性能的影響[J] 熱加工工藝. 2006,(35):42.

張軍雷，（1975.6-），男，湖北丹江口人，專科，高級焊接技師，葛洲壩集團第二工程有限公司錦屏二級金結項目部安質環部長，主要從事無損檢測及質量管理工作。