雙面電弧焊接工藝及物理過程分析

郎書科（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧 盤錦 124209）

雙面電弧焊接工藝及物理過程分析

郎書科
（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧 盤錦 124209）

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，焊接工藝也獲得很大的進步，大大提高了石油企業生產效益。作為新型的焊接工藝，雙面電弧焊接（double-side arc welding）的應用及其廣泛，在焊接速度、焊接效果、焊縫熔深等方面具有明顯的優勢，能夠降低變形發生幾率，避免資源的浪費。本文主要對雙面電弧焊接工藝進行介紹，分析了雙面電弧焊接物理過程，以期加深對雙面電弧焊接工藝的了解，使該工藝得到推廣使用，更好的指導實踐焊接工作。

關鍵詞：雙面電弧；物理過程；焊接工藝

近年來，我國國民經濟獲得了突飛猛進的發展，而工業是我國的一項重要的支柱產業，逐漸向著規模化、專業化的方向發展，應用到許多大容量、參數高的設備儀器，這就對焊接工藝提出了更高的要求。研究雙面電弧焊接工藝及物理過程具有非常重要的意義，能夠有效的提高焊接質量，為相關研究提供參考意見。

一、雙面電弧焊接工藝介紹

應用等離子熱源進行焊接工作的過程中，因為具有較大的電弧動壓力和收縮力，會產生較深、較寬的焊縫，這是穿孔型等離子弧焊接方法最顯著的特點。在應用該工藝進行焊接處理時，被焊接母材上有大量的等離子焊（PAW）電流流失現象，等離子流能夠在電弧的作用下作用于材料的孔洞中。穿孔型等離子弧焊在實際過程中會浪費一部分能量，無法對較厚的材料進行焊接操作，對不同材質的焊接厚度都有明確的要求。當焊接處理時的等離子流作用于孔洞的情況下，在一定程度上可以抵消部分耗能，會加深焊接溶身。遵循PAW工藝的工作原理，可以采取將TIC電極加入到等離子焊電極的方式，并分別接于焊接電源的輸出端，這樣就會形成電源、電極、工件、電極、電源的電流回路，對傳統的焊接電流模式進行改造和優化，從而確保電流能夠透過小孔，對耗能進行最大限度的補償，大大提高焊接性能，焊接厚度更大的母材。

雙面電弧焊接（DSAW）的穿透能力較強，能夠減少電流耗能，提高了材料的利用率，操作步驟簡單，處理環節相對單一，可以完成I形坡口焊接工作，也可以用于較厚木材的焊接，應用范圍極廣。應用該工藝進行工作的過程中，電流得到了充分的利用，熱效應較高，能夠將焊接能量作用于小面積范圍內，不會影響其他部分的材料，效果明顯，不會出現變形的狀況，無需進行后期修補工作，大大提高了焊接質量，對生產效益的提升具有很大的幫助。

二、雙面電弧焊接物理過程分析

（一）電弧收縮效應

將雙面電弧焊接、TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding）焊槍同等離子焊焊槍、VPPAW電源進行組合應用的情況下，處于EN周期內會出現收縮的狀況，同傳統等離子焊接工藝處理后的形狀有明顯的不同。但在應用G-PAW及雙面電弧焊接焊接工藝的時候，如果處于EP周期內，則會使得等離子弧作用在一個位置上。在以上兩個不同的周期內，通常將焊接溶深的確定歸根于EN周期。由此可見，電弧收縮效應的根本原因是雙面電弧焊接的熔深影響，在此作用下可以提高熱能的利用率，處理中厚度材料，不會造成較寬的焊縫。

應用雙面電弧焊接工藝進行焊接處理時，為了形成焊接回路，可以對電流利用TIG焊槍進行引導，從而導致電弧能夠直接穿透匙孔，使熱能匯聚在一個工作點，熔透能力明顯增強。同時也要注意到在焊槍的引導下，作用于工件的電流還存在感應磁場，而磁場軸線方向則為電流的主要流向，將電弧、電流組合成為一個整體，進一步增大收縮效應，焊接熔深顯著加深，生產效益大幅度提高。

（二）電磁場分析

雙面電弧焊接過程中會產生的電磁場，但電位梯度在被焊接工件與電極之間存在很大的差異，會形成焊接電流的電磁場Fm及電場力Fe，分別相應的計算公式得出。其中電流的電磁場在x、y兩個方向上都存在分量，即fm（x）和fm（y），在y方向的fm（y）會使該方向上的等離子粒子速度加快，縮短作用于工件的時間，而在x方向的fm（x）會使該方向上的電流集中在一起，同工件距離逐漸縮短的同時電流慢慢減小；同理，x、y兩個方向上也都存在電場力Fe的分量，即為fe（x）和fe（y），fe（y）會使該方向上的離子加速，極快達到工件位置，而x方向的fe （x）存在發散電流的現象，但不同的是隨著與工件距離的縮短，電路強度會逐漸增大。

（三）熔池流場分析

通過模擬實驗的方式對雙面電弧焊接工藝進行分析，可以發現其熔池流場受浮力、電流電磁力及工件表面張力的影響，研究不同因素對熔池形狀變化的干擾。熔池金屬在不同張力的作用下會產生定向流動，方向為從內到外，熔池的寬度呈現出逐漸縮短的趨勢。金屬熔池在浮力的影響下會出現兩種不同方向的流體，其中在下表面中，流體方向同焊接電流產生的電磁場方向相一致，都為從外到內，可以擴展熔池深度；而上部焊接工件的單面工作與浮力產生作用在時間上同時發生，其流體的方向是從內到外。工件焊接部位會通過大量的電流，這就導致電流電磁場的強度更大，另一方面由于焊接熔池的傳熱與流體流動的作用，會進一步增大磁場強度，磁場下形成從外到內的熔池流向，為挖掘焊接熔池提供了有利的條件，也對焊接熔深的增大有很大的幫助。

結語

由于焊接工作的特殊性，設備結構比較復雜，很容易引發焊接質量問題，雙面電弧焊接工藝的應用有效的解決了這一問題，成為不同行業領域的首選焊接方式。雙面電弧焊接工藝可以對被焊接工件的兩側進行加熱處理，熱量集中度高，提高了資源利用率，保障了焊接質量，不存在變形的狀況。無論是單電源還是雙電源雙面電弧焊接工藝，都明顯優于其他焊接工藝，能夠簡化焊接工作環節和步驟，操作方便，能夠進行靈活的調節和控制，焊接效果極佳，焊接熔深增大，具有極高的應用價值。

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中圖分類號：TG44

文獻標識碼：A

作者簡介：郎書科，出生年月：1973.1，男，滿，遼寧省盤錦市人，大專學歷，中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司。