X65管線鋼窄坡口旋轉電弧焊焊接工藝與性能

羅雨,吉天亮,高萌萌,王東堯

（北京石油化工學院，北京 102617）

0 前言

窄坡口焊接相比傳統的焊接方式，有著更快的熔池冷卻速度、更小的熱輸入，這對焊縫組織、熱影響區及接頭的力學性能都有著積極的影響。采用窄坡口的焊接工藝，既節約了焊材，又降低了生產成本，又提高了生產效率[1-4]。目前，窄坡口焊接技術在厚壁管道、壓力容器、船舶潛艇及核工業等領域得到了廣泛的應用，特別是在厚壁、高強鋼結構等方面有著更為廣闊的應用前景[5-8]。在窄坡口焊接過程中，焊接電弧與坡口側壁基本平行，導致坡口側壁熱輸入難以使母材熔化，從而造成未熔合缺陷的出現，嚴重影響了焊縫成形及力學性能。為解決上述問題，學者們提出了一種利用機械運動或外加旋轉磁場的方式，帶動電弧及焊絲在窄坡口內旋轉，從而達到增加側壁熱輸入、促進側壁熔合的目的。

為實現旋轉電弧方式下的窄坡口焊接，Sugitani等學者[9]及Iwata等學者[10]通過一種特殊的偏心導電嘴結構實現了電弧的旋轉焊接，但實現電弧高速旋轉的同時，也帶來了導電嘴磨損嚴重的問題。王加友等學者[11]利用一種空心軸電機驅動偏心導電嘴的方式，在改善焊槍結構之余，還實現了旋轉電弧焊接的過程。哈爾濱工業大學的學者[12- 16]為解決偏心導電嘴的磨損問題，研制了一種可進行錐形結構旋轉的焊槍，并在此焊槍的基礎上，展開了窄坡口焊接電弧行為及基于旋轉電弧MАG橫焊時熔池下榻控制的研究。

上述學者的研究表明：采用旋轉電弧的焊接方式能較好地解決窄坡口側壁未熔合的問題。但對于X65管線鋼窄坡口焊接過程中電弧旋轉頻率與熔滴過渡形式、熔滴尺寸的影響規律鮮有涉及。鑒于此，該文采用高速攝像系統對旋轉電弧的X65管線鋼窄坡口焊接過程進行拍攝，分析在坡口不同位置處，不同旋轉頻率對熔滴過渡過程的影響，討論了旋轉電弧優化焊接接頭質量的基本原理。

1 試驗設備與材料

焊接電源采用的是TPS4000全數字化逆變電源，能適用于一元化直流、脈沖、TIG等多種焊接方式，且最大送絲速度為20 m/min，最大焊接電流為400 А，能滿足絕大部分工況下的焊接任務。采用圓錐擺旋轉電弧焊槍，最大轉速可達5500 r/min，并且可以實時調節旋轉速度、旋轉方向及旋轉直徑等焊接工藝參數，實物圖如圖1所示。采用的焊接過程高速攝像АcuteyeV4.0系統，可實現以4000幀/s的速度進行長達15 min的連續跟蹤拍攝。焊接試驗原理如圖2所示。

圖1 旋轉電弧焊槍

圖2 焊接原理示意圖

焊接試驗選用母材為X65高強鋼，選用焊材為φ1.0 mm的ER80S-G實心焊絲，焊接過程中保護氣體為80%Аr + 20%CO2混合氣體。在焊接試驗前，需先用丙酮除去待焊坡口處的油污，用砂輪機將坡口附近的鐵銹、氧化膜等雜質去除，防止氣孔、夾渣等焊接缺陷的產生。坡口形式如圖3所示。

圖3 坡口尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 旋轉電弧對熔滴過渡的影響

由于旋轉電弧焊絲的旋轉采用空軸電機驅動偏心導電嘴的方式，擺脫了傳統機械直擺往復傳動的限制，旋轉頻率可輕松達到幾十赫茲。隨著旋轉頻率的升高，由旋轉所產生的離心力也隨之成比例增大，這必然對焊接過程中的熔滴大小及熔滴過渡方式產生一定的影響。為了保證焊接質量與焊接過程熔滴過渡的穩定，必須對電弧旋轉頻率與熔滴過渡之間的影響機理有一個準確的認識。該文采用高速攝像的方式，對整個焊接過程，尤其是熔滴的形態與過渡形式進行連續跟蹤拍攝，同時，考慮到焊接中起弧與停弧時的不穩定因素，只選取焊縫的中間穩定部分進行觀察與分析。焊接工藝參數見表1。

表1 焊接工藝參數

當旋轉頻率處于低頻段(5～10 Hz)時，以高速攝像拍攝的焊接熔滴的過渡情況如圖4所示。從熔滴的過渡形態可以看出，熔滴在坡口的不同部位呈現出周期性的變化，在旋轉電弧的離心力作用下，熔滴的過渡形式從滴狀過渡到射流過渡。由于電弧轉動的頻率很低，焊絲的末端和在坡口底部燃燒的電弧基本處于同一軸線上，熔滴沿電弧軸線向熔池過渡。

圖4 5 Hz旋轉頻率下的坡口側壁處熔滴過渡行為

圖5 為5 Hz旋轉頻率下的坡口中心處熔滴過渡行為。旋轉電弧由側壁向坡口中心運動過程中，熔滴過渡方式完成了由射流過渡到滴狀過渡的轉變，且熔滴的大小與焊絲的直徑基本吻合。具體可描述為：在旋轉焊接電弧作用下，焊絲的末端會熔化形成一個與其自身直徑相當的熔滴，最終沿電弧軸線方向以滴狀方式過渡進入熔池。

圖5 5 Hz旋轉頻率下的坡口中心處熔滴過渡行為

當旋轉頻率在20～30 Hz范圍內時，旋轉頻率與熔滴所受離心力呈正相關，如圖6和圖7所示。從圖6和圖7中不難看出，在旋轉電弧的作用下，焊絲末端熔化并產生了一根細長的金屬液柱，這種液柱可以減弱熔滴過渡的阻力，從而加速熔滴轉換的進程，這迫使熔滴還未生長到最大，就與焊絲以一定的角度脫離進入到焊接熔池。

圖6 20 Hz旋轉頻率下的熔滴行為

圖7 30 Hz旋轉頻率下的熔滴行為

當焊槍設定的旋轉頻率處在30～50 Hz的高頻段時，如圖8所示。焊接過程變得極不穩定。焊接電弧在高頻旋轉所產生的離心力作用下，極易與窄坡口的側壁發生短路，導致大量坡口底部的熔融金屬過渡到側壁，嚴重影響焊縫的成形與質量。

圖8 50 Hz旋轉頻率下的熔滴行為

采用Image圖像處理軟件，以量化的方式對旋轉電弧焊接過程中熔滴過渡形式進行評估，探究在不同的電弧旋轉頻率下焊接過程中熔滴尺寸與數量的變化規律。為保證試驗數據的準確性與代表性，只取焊接電弧穩定后的5個旋轉周期內的熔滴尺寸，以及焊接電弧穩定后連續400張圖像中的熔滴個數，最后以Origin作圖的方式，分別繪制出旋轉頻率與熔滴尺寸、熔滴個數的關系圖，具體如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出，電弧旋轉頻率在中、低頻段時，熔滴尺寸下降的趨勢比高頻段更加明顯，熔滴尺寸總體上隨著旋轉頻率的升高而逐漸變小；而熔滴個數的變化規律與之恰恰相反，電弧旋轉頻率在中、低頻段(5～30 Hz)時，熔滴個數的增長速度明顯優于高頻段(30～50 Hz)，熔滴數量總體上隨著旋轉頻率的升高而逐漸增大。

圖9 熔滴尺寸與旋轉頻率的關系

圖10 熔滴個數與旋轉頻率的關系

2.2 旋轉頻率對焊縫宏觀形貌的影響

由2.1小節中的分析與結論可知，旋轉電弧可通過旋轉頻率的變化來改變焊接過程中的熔滴大小與熔滴數量，進而影響熔滴過渡的形式。該小節擬采用表1的焊接工藝參數，探究不同電弧旋轉頻率下焊縫成形的影響規律。圖11為不同電弧旋轉頻率對焊縫宏觀形貌的影響。由圖11可知，以旋轉頻率30 Hz為界限，當旋轉頻率低于30 Hz時，都能獲得表面紋路致密且外觀形貌良好的焊縫。隨著旋轉頻率的升高，焊接熔池產生的飛濺明顯增多、焊縫形貌越來越差，整個焊接過程開始變得愈發難以控制，如圖11e圖所示。

圖11 不同電弧旋轉頻率對焊縫宏觀形貌的影響

從宏觀金相分析的角度來說，衡量一個焊縫接頭質量的優劣，一般從焊縫外觀成形、底部熔深、側壁熔深等幾方面來進行評估。不同旋轉頻率下的焊縫截面金相圖如圖12所示。由圖12可以看出，當旋轉電弧頻率在5～20 Hz范圍內時，由于電弧旋轉速度較慢，使得焊接電弧有充足的時間對坡口底部與側壁進行加熱，有了充足熱輸入及適中的電弧旋轉速度，使得整個焊接過程變得穩定、坡口側壁與底部與母材熔合情況良好。由圖12d和圖12e可以看出，隨著旋轉頻率的增加到30～50 Hz，高速旋轉的電弧改變了坡口內熱輸入的分布格局，形成了由坡口側壁向坡口中心遞減的熱輸入梯度，而且隨著電弧旋轉頻率的升高，坡口的中心區域的熱輸入呈減小趨勢。這一焊接過程特點，促使坡口側壁熔深、熔寬明顯增加，而坡口底部母材平直未熔合的情況出現。分析認為，在高頻旋轉的焊接電弧影響下，坡口中心附近的熱輸入，這迫使坡口中心區域只能依靠側壁熔融金屬流動所帶來的傳導熱進行補充，但試驗結果表明：即使如此也難以滿足母材的熔化所需。

圖12 不同電弧旋轉頻率下的焊縫宏觀金相

采用Image圖像處理軟件，以量化的方式對不同旋轉頻率下的焊縫成形質量進行評估，探究并討論了不同電弧轉動頻率對焊接熔深和熔寬的影響規律。隨著旋轉頻率的增加，焊縫的熔深與熔寬呈現出相反的趨勢，并且熔深由2.1 mm漸變為0.4 mm，但熔寬僅從7.3 mm增加至7.5 mm，如圖13所示。焊接電弧的高頻旋轉，加速了焊接熱輸入由坡口中心向兩側壁的輻射過程，并且由于焊絲旋轉對熔池的高頻攪拌作用，加劇了焊縫坡口中心區域峰值溫度的下降，導致了焊縫熔深的降低。而對于焊縫熔寬基本不變的現象，分析認為：當電弧旋轉頻率在5 Hz附近時，坡口的側壁熔深已接近峰值。隨著旋轉頻率的升高與變化，使得作用在兩坡口側壁的瞬時速度發生變化，直接表現為坡口兩側壁的電弧作用時間與加熱次數發生變化，這就導致2個熱作用參數，會在某一旋轉頻率下，達到對坡口側壁熱輸入的峰值。當旋轉電弧處在0～20 Hz范圍內時，旋轉頻率主要影響著焊縫熔寬的變化，并與熔寬呈正相關，而熔深的變化可忽略不計；當旋轉電弧處在20～50 Hz范圍內時，旋轉頻率主導著焊縫熔深的變化，并與熔深呈負相關，而熔寬的變化可忽略不計。值得注意的是，當旋轉頻率上升到50 Hz時，整個焊接過程將變得極難控制，焊縫成形與質量根本難以保證。因此，由上述試驗結果與分析可知：在保證焊接過程穩定的前提下，欲獲得良好焊縫質量要求的熔深與熔寬，需要將電弧旋轉頻率控制在20 Hz左右。

圖13 不同電弧旋轉頻率下的熔深、熔寬

3 力學性能測試

根據以上試驗所獲得的宏觀金相與焊縫外觀成形的比較，得出了相對最佳的旋轉電弧窄坡口焊接工藝參數：送絲速度8 m/min、焊接速度30 cm/min、旋轉頻率20 Hz。以此工藝參數為基礎進行窄坡口全位置焊接試驗，并以電火花切割與機加工組合的方式進行力學性能拉伸件的制備，探究基于此焊接工藝參數下焊接接頭的力學性能狀況。

由圖14與表2的試驗結果可以看出，2個拉伸試樣均在母材側發生斷裂，而且在斷裂附近，母材出現了較大的塑性變形。試驗結果表明：以上述工藝規范完成的焊接接頭，具有較好的抗拉強度。

表2 拉伸試驗結果

圖14 拉伸試件結果

根據GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》的相關標準與要求，在已完成的焊接接頭上制備正彎、背彎的彎曲試樣，并對彎曲試樣進行性能檢測。試驗結果如圖15所示。通過對試樣進行彎曲試驗，結果表明：不管是在彎曲試件焊接部位做正彎還是背彎，得到的彎曲試件都能在不發生裂紋的情況下達到180° 。通過對焊接接頭的彎曲試驗，證明了在此工藝條件下，焊縫的塑性和抗彎性均較好。

圖15 彎曲試驗結果

4 結論

（1）采用高速攝像的方式，對整個焊接過程，尤其是熔滴的形態與過渡形式進行連續跟蹤拍攝發現，隨著旋轉電弧在坡口中心與側壁之間的往復運動，熔滴過渡形式也將在滴狀過渡與射流過渡之間進行周期性的變換。

（2）旋轉電弧對熔滴過渡過程的促進作用體現在：熔滴尺寸總體上隨著旋轉頻率的升高而逐漸變小；而熔滴個數隨著旋轉頻率的升高而逐漸增大。當旋轉電弧處在0～20 Hz范圍內時，旋轉頻率主要影響著焊縫熔寬的變化，并與之呈正相關；當旋轉電弧處在20～50Hz范圍內時，旋轉頻率主導著焊縫熔深的變化，并與之呈負相關。值得注意的是，當旋轉頻率上升到30 Hz左右時，整個焊接過程開始變得難以控制，焊縫成形與質量根本難以保證。

（3）當送絲速度為8 m/min，焊接速度為30 cm/min，旋轉頻率為20 Hz時，焊接接頭的成形質量最好，且拉伸與彎曲等力學性能良好。