雙絲大干伸長高速焊接工藝試驗研究*

趙 波，李國鵬，高振宇，侯樹林，楊瑋瑋，付彥宏

（1.渤海裝備鋼管設(shè)計研究院，河北 青縣 062658；2.渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

在直縫埋弧焊管大干伸長預(yù)熱焊絲四絲埋弧焊接工藝研發(fā)試驗中，為保證多絲埋弧焊熔深符合要求，1#焊絲采用 30 mm 常規(guī)干伸長，2#～4#焊絲均采用110 mm 大干伸長，在提高焊接速度、降低焊接線能量方面取得了初步的應(yīng)用成果。

在保證熔深要求的前提下，為了進(jìn)一步提高大干伸長多絲埋弧焊的焊絲熔敷速度、焊接速度，渤海裝備鋼管設(shè)計研究院焊接試驗室進(jìn)行了1#焊絲采用30 mm、50 mm、70 mm 較大干伸長的相關(guān)試驗，重點研究了1#焊絲在1 000～1 500 A 系列大焊接電流下，不同干伸長條件對焊絲熔化速度、焊縫熔深的影響規(guī)律，同時進(jìn)行了螺旋埋弧焊管雙絲大干伸長高速埋弧焊接工藝的開發(fā)試驗。在初步的焊接試驗中，22 mm 壁厚焊接試板的焊接速度從常規(guī)生產(chǎn)工藝的1.2 m/min 分別提高到大干伸長焊接工藝的 1.8 m/min、2 m/min、2.5 m/min，采用大干伸長焊接工藝后，高速焊的焊縫及熱影響區(qū)低溫沖擊韌性均優(yōu)于現(xiàn)有常規(guī)焊接工藝，尤其是熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性得到了較顯著的提高，焊接接頭的抗拉強度與現(xiàn)有常規(guī)焊接工藝相比相差不大。

從幾年的焊接試驗研究成果可以看出，在相同壁厚、相同坡口尺寸焊接試板或鋼管焊接中，相較于常規(guī)焊接工藝，大干伸長預(yù)熱焊絲埋弧焊工藝在相同焊接電流、焊接電壓提高2～4 V，功率增加了約6%～12%的條件下，焊絲熔敷速度及焊接速度可以提高30%～80%。按照焊接線能量公式P=60UI/v 計算，相較于常規(guī)焊接工藝，大干伸長焊接工藝的焊接線能量可以降低約18%～30%，可以說大干伸長焊接工藝是一種應(yīng)用前景廣闊的新型高效、低線能量焊接工藝。

1 1#焊絲大干伸長焊接試驗

1.1 大干伸長焊接工藝原理

大干伸長預(yù)熱焊絲焊接工藝是加大焊絲干伸長，利用焊接電流在焊絲中產(chǎn)生的電阻熱將焊絲預(yù)熱到高溫狀態(tài)，根據(jù)焊絲干伸長度的不同，可以預(yù)熱到500～900 ℃，然后再將焊絲送入電弧區(qū)域，實現(xiàn)提高單位電流焊絲熔化速度的焊接方法。該工藝不需要附加的焊絲預(yù)熱電源，只需要對原有的焊槍進(jìn)行改造，將焊絲干伸長從常規(guī)工藝的約 25～35 mm 增大到 50～120 mm，就可實現(xiàn)焊絲大干伸長埋弧焊，改造費用低，而且操作方法與普通埋弧焊基本一樣。該方法具有高效、低焊接線能量等特點。焊絲大干伸長埋弧焊接工藝原理如圖1所示。

圖1 焊絲大干伸長埋弧焊接工藝原理示意圖

根據(jù)焦耳定律，當(dāng)焊接電流通過焊絲時，焊絲上產(chǎn)生的電阻熱為

式中：Q——通電長度焊絲產(chǎn)生的電阻熱，J；

I——焊接電流，A；

R——焊絲的電阻，Ω；

ρ——電阻率，Ω·mm；

L——焊絲通電長度，mm；

A——焊絲通電截面積，mm2；

t——通電時間，s。

從公式 （1）中可以看出：①當(dāng)焊接電流較小時，如多絲埋弧焊中的2#～4#焊絲，由于電流較小，采用70～110 mm 較大的焊絲干伸長或減小焊絲直徑，可以顯著增大其焊絲電阻熱；②當(dāng)焊接電流很大時，如多絲埋弧焊中的1#焊絲，由于電流很大，一般在 1 000～1 500 A，采用 50～70 mm 較小的焊絲干伸長，即可顯著增大其焊絲電阻熱。

1.2 焊接試驗方法

試板為 X80 鋼級 200 mm×500 mm×33.8 mm鋼板，焊絲直徑 4 mm，焊劑為 SJ101，用美國林肯AC/DC 1000SD 數(shù)字埋弧焊電源焊接。焊接試驗分三組進(jìn)行，第一組焊接電流為1 000～1 500 A、1#焊絲干伸長為30 mm、焊接電壓均為34 V；第二組焊接電流為 1 000～1 500 A、1#焊絲干伸長為60 mm、焊接電壓均為36 V；第三組焊接電流為1 000～1 500 A、1#焊絲干伸長為70 mm、焊接電壓均為38 V，三組試驗焊速均為1 m/min。通過焊接對比試驗、金相試驗，找出多絲埋弧焊中1#焊絲干伸長度對焊絲熔化速度、熔深的影響規(guī)律。三組焊接試板外觀如圖2所示。

圖2 1 000～1 500 A 系列電流三組不同干伸長焊接試板照片

1.3 試驗結(jié)果及分析

表1為 1#焊絲在 1 000～1 500 A 系列焊接電流不同干伸長條件下，送絲速度、熔深統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總表，表中絲速倍數(shù)為50 mm、70 mm與30 mm 焊絲干伸長的送絲速度比值。從表1中可以看出：①在相同焊接電流、焊接速度下，50 mm 干伸長比30 mm 干伸長電壓增加2 V，70 mm 干伸長比50 mm 干伸長電壓增加2 V 的條件下，三種干伸長的熔深基本一致；②在相同焊接電流的條件下，50 mm 干伸長的焊絲送絲速度是30 mm 干伸長的約1.2 倍，70 mm 干伸長的焊絲送絲速度是30 mm 干伸長的約1.4 倍；③初步分析認(rèn)為，在直縫四絲焊和螺旋雙絲焊中，各個焊絲均可以采用焊絲大干伸長工藝，1#焊絲為了兼顧保證熔深可以采用50～70 mm較小的干伸長，2#～4#焊絲可以采用 90～110 mm較大的干伸長。由于1#焊絲在多絲焊中焊接電流最大，一般為 900～1 400 A，雖然采用了較小干伸長，焊絲熔化速度只提高了20%～40%，但是由于其30 mm 常規(guī)干伸長時基礎(chǔ)送絲速度在多絲焊中最大、填充焊縫的貢獻(xiàn)比例最大，所以當(dāng) 1#焊絲也采用 50～70 mm 較小的干伸長時，可以進(jìn)一步降低焊接線能量，進(jìn)一步提高焊接速度。

表1 1#焊絲不同干伸長送絲速度、熔深統(tǒng)計對比表

2 雙絲大干伸長高速焊接工藝試驗

2.1 焊接試驗方案

首先，針對壁厚22 mm 螺旋鋼管采用現(xiàn)有常規(guī)30 mm 干伸長雙絲焊工藝，能夠提高焊速的極限進(jìn)行了計算。目前，生產(chǎn)中實際應(yīng)用的壁厚22 mm 螺旋鋼管常規(guī)30 mm 干伸長焊接工藝參數(shù)見表2。利用之前試驗得到的30 mm 干伸長系列焊接電流—送絲速度統(tǒng)計擬合公式和等熔深計算公式，計算得出壁厚22 mm 螺旋鋼管采用現(xiàn)有30 mm 常規(guī)干伸長焊接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的最大焊速約為 1.6 m/min，提速比例約 33% （見表3）。

表2 常規(guī)30 mm 干伸長生產(chǎn)焊接參數(shù)

表3 常規(guī)30 mm 干伸長提速焊接參數(shù)計算

為了進(jìn)一步提高螺旋焊管焊接生產(chǎn)速度，設(shè)計了三組大干伸長雙絲高速焊接工藝參數(shù)，分別采用1#焊絲70mm+2#焊絲30mm干伸長，1.8 m/min焊速；1#焊絲70 mm+2#焊絲30 mm干伸長，2 m/min焊速；1#焊絲70 mm+2#焊絲90 mm干伸長，2.5 m/min焊速。三種高速焊工藝參數(shù)見表4、表5、表6。從表4～表6可以看出，采用大干伸長預(yù)熱焊絲雙絲焊工藝，可將22 mm厚壁螺旋管焊速提高到1.8～2.5 m/min，提速比例約50%～100%。常規(guī)及1.8 m/min、2 m/min、2.5 m/min三組高速焊工藝下焊縫外觀形貌如圖3所示。

表4 大干伸長1.8 m/min高速焊接工藝參數(shù)表

表5 大干伸長2 m/min 高速焊接工藝參數(shù)表

表6 大干伸長2.5 m/min 高速焊接工藝參數(shù)表

圖3 不同焊接速度下焊縫外觀形貌

2.2 試驗結(jié)果

完成幾種焊接工藝試板焊接后，分別進(jìn)行了宏觀金相、焊縫沖擊、熱影響區(qū)沖擊、焊接接頭抗拉強度等檢測試驗。不同焊接速度下焊縫宏觀金相照片如圖4所示，焊縫形貌尺寸見表7。

從圖3、圖4焊縫外觀和表7焊縫形貌尺寸可以看出，采用大干伸長焊接工藝后，焊速提高到1.8～2.5 m/min，內(nèi)外焊縫都重合上，但是隨著焊速的提高，焊縫寬度呈現(xiàn)變窄趨勢，焊縫余高呈現(xiàn)降低趨勢，內(nèi)外焊縫熔深重合量呈現(xiàn)減小趨勢。所以當(dāng)焊速提高后，應(yīng)適當(dāng)加大2#焊絲的弧壓，使蓋面焊縫的寬度適當(dāng)增加。另外，隨著焊速的增加，應(yīng)根據(jù)熔深計算公式，適當(dāng)加大1#焊絲的焊接電流，從而保證內(nèi)外焊縫的熔深和重合量。

圖4 不同焊接速度下焊縫宏觀金相照片

表7 焊縫形貌尺寸統(tǒng)計表

從表2～表6可以看出，各種焊接工藝條件下的焊接線能量是不同的。采用大干伸長雙絲焊工藝后，可以比較顯著的降低焊接線能量，三種高速焊的焊接線能量分別降低到原始常規(guī)焊接工藝的70%～90%。從表8焊接接頭力學(xué)試驗數(shù)據(jù)表可以看出，采用大干伸長雙絲高速焊后，焊縫及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性均優(yōu)于原低速焊工藝，尤其熱影響區(qū)低溫沖擊韌性改善更加顯著；焊接接頭抗拉強度變化不大，高速焊與低速焊工藝基本相當(dāng)。

表8 焊接接頭力學(xué)性能檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）在多絲埋弧焊中，1#焊絲可以采用較大干伸長，可以保證多絲埋弧焊的熔深。在相同焊接電流、相同焊速條件下，適當(dāng)加大1#焊絲干伸長，相對應(yīng)適當(dāng)增加焊接電壓，可以獲得與常規(guī)30 mm 干伸長相同的熔深。

（2）多絲埋弧焊 1#焊絲采用 1 000～1 500 A范圍的大電流時，相同焊接電流條件下，50 mm干伸長的焊絲送絲速度是30 mm 干伸長的約1.2 倍，70 mm 干伸長的焊絲送絲速度是30 mm干伸長的約 1.4 倍，1#焊絲采用 50～70 mm 較小的大干伸長時，也具有較顯著的增加焊絲熔化速度的效果。

（3）多絲埋弧焊1#焊絲采用大干伸長焊接工藝，可以使常規(guī)30 mm 干伸長多絲埋弧焊（直縫四絲焊、螺旋雙絲焊）工藝的焊速得到顯著提高、焊接線能量顯著降低，并且結(jié)合2#～4#焊絲焊接電流、焊接電壓、干伸長度等焊接參數(shù)的調(diào)整，能夠得到較理想的焊縫形貌。

（4）螺旋焊管采用大干伸長雙絲焊接工藝，可以提高焊速30%～80%，降低焊接線能量10%～30%；采用該新工藝后，對焊縫及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性有較顯著地改善作用。