埋弧焊在焊接鋼管中的應用

余偉明

（廣東佛山528000）

1 埋弧焊簡介

埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法，基本原理如下：在焊劑層下，電弧在焊絲末端與焊件間燃燒，使焊劑熔化、蒸發，形成氣體，在電弧周圍形成封閉空腔。由于焊絲不斷送入，以熔滴狀進人熔池，與熔化的母材金屬混合，隨著焊接過程的進行，電弧向前移動，熔池冷卻凝固后形成焊縫，密度較輕的熔渣在熔池表面，有效地保護熔池金屬，冷卻后形成渣殼。埋弧焊分為單面和雙面埋弧焊，具有焊接質量高、無弧光、煙塵少等優點。目前埋弧焊已經發展出雙絲及多絲埋弧焊。

2 焊接工藝的選擇

2.1 焊接材料

埋弧焊鋼管材質主要有碳鋼（如Q235A、Q235B）、合金鋼（如L290、L290、L360、L415、L485、L555）、不銹鋼（如1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Nb）。合適的焊接材料是保證焊接質量的前提，埋弧焊的焊接材料是指焊絲和焊劑。

2.1.1 焊絲

埋弧焊所用焊絲有實芯焊絲和藥芯焊絲兩類。目前生產中普遍使用的是實芯焊絲。焊絲的品種隨所焊金屬種類的增加而增加。目前已有碳素鋼、合金鋼和各種有色金屬焊絲等。焊絲的選擇應使焊縫金屬的強度、硬度、塑性、韌性、耐蝕性等滿足要求，比如，對于低合金鋼埋弧焊來講，焊絲的選擇盡量是等強匹配（不低于或略高于母材標準規定值的下限）的原則，配以塑性和韌性等要求。

焊絲表面應干凈光滑，焊接時能順利送進，以免給焊接過程帶來干擾。除不銹鋼和有色金屬焊絲外，各種碳鋼和低合金鋼焊絲的表面最好鍍銅。鍍銅層既可防銹，也可改善焊絲與導電嘴的電接觸狀況。為使焊接過程穩定進行并減少焊接輔助時間，焊絲應當用盤絲機整齊地盤繞在焊絲盤上。

2.1.2 焊劑

埋弧焊使用的焊劑是顆粒狀可熔化的物質，其作用相當于焊條的藥皮。焊劑應具有如下性能：

（1）良好的冶金性能。與焊絲相配合，通過適當的焊接工藝來保證焊縫金屬獲得所需化學成分和力學性能及抗熱裂和冷裂的能力。

（2）良好的工藝性能。即要有良好的穩弧、焊縫成形、脫渣等性能，且在焊接過程中生成的有毒氣體少。

焊劑的選擇應和焊絲相搭配以使最終形成的焊縫具有所需要的化學成分和優良的力學性能。比如焊接低合金鋼如Q345時，可選擇的一種匹配情形為：焊絲為H10MnSi或H10Mn2配合熔煉焊劑HJ350來使用。這種中硅中錳焊劑含有的酸性氧化物SiO2較少，堿性氧化物MgO或CaO較多，堿度較高，焊接時過渡到熔敷金屬中的硅和錳的含量就少，焊縫金屬中含氧量低，因此合金成分較為理想，也使得焊縫具有良好的塑性和韌性。鐵素體、奧氏體等高合金鋼，一般選用堿度較高的熔煉焊劑或燒結焊劑，以降低合金元素的燒損。不同鋼種焊接用的焊劑與焊絲的組合可以根據實際情況進行選擇。

2.2 預焊技術

預焊是直縫埋弧焊鋼管的焊接工藝組成部分，它是將焊縫沿全長進行“淺焊”，是直縫埋弧焊鋼管生產中的特殊工序。

現代預焊技術采用了連續、高速的氣體保護焊（MAG）方式，焊道成型平直美觀。就MAG焊而言，目前有兩種方法：一種是美國和德國等國家采用的單絲雙電源的大電流高速氣體保護預焊，另一種是日本采用的雙絲高速氣體保護預焊。目前應用較多者為單絲高速氣體保護預焊，我國從德國引進的兩條直縫埋弧焊鋼管生產線中預焊都是采用此種方法。

從鋼管的質量標準中也可反映出預焊技術的發展，在最新的有關海洋、低溫和酸性條件用管標準IS03183-3和GB/T9711.3的6.3款中，已明確提出不允許采用斷續點焊，說明了預焊對鋼管質量的重要性。

2.3 焊前準備

埋弧焊在焊接前必須做好準備工作，包括焊件的坡口加工、待焊部位的表面清理、焊劑的烘干等。

坡口加工要保證焊縫根部不出現未焊透等缺陷，并在滿足要求的前提下盡量減少填充金屬量，以節約成本。常用的坡口有V型、Y型、X型、雙Y和雙U型等。在板厚相同時，雙面坡口比單面坡口，U形坡口比V形坡口消耗填充金屬少，焊接變形小，尤其是隨著板厚的增加，這些優點更突出，對于較大壁厚的鋼管，可開設X或雙U型坡口。

待焊部位清理主要是去除表面鐵銹、氧化皮、油污及水分，防止氣孔、夾渣等缺陷產生。一般用噴砂、噴丸等方法將坡口及其兩側區域內表面清理干凈。焊絲表面氧化皮、鐵銹等也要清理干凈。焊劑保存時要注意防潮，使用前必須按規定溫度烘干待用。

2.4 焊接工藝參數

埋弧焊工藝參數，主要是指焊絲直徑、伸出長度、焊絲傾角、電源種類和極性、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊劑種類及坡口形式等。這些參數影響著焊縫的形狀系數和熔合比，從而影響焊縫質量。對于坡口形式及焊絲、焊劑的種類和選擇在前文中已有詳述，在此不提。

（1）焊絲直徑、伸出長度及傾角

通常埋弧焊焊絲直徑在2-5mm，其他焊接參數不變而焊絲直徑增加時，弧柱直徑隨之增加，電流密度減小，會造成焊寬增加，熔深減小。反之，則熔深增加，焊寬減小。多層焊時底層焊要選較小的焊絲直徑，這樣焊接時能很好的熔合坡口根部，避免未焊透缺陷產生。

在其他焊接參數不變而伸出焊絲長度增加時，該部分焊絲所受到的預熱作用增強，焊絲熔化速度加快，會使熔深變淺，焊縫余高增加。故須控制焊絲伸出長度，不宜過長。

焊絲傾斜方向不同，電弧對熔池熱作用也不同。當焊絲后傾一定角度時，因電弧指向焊接方向，使熔池前面的焊件受到預熱作用，電弧對熔池的液態金屬排出作用減弱，而導致焊寬較大而熔深變淺。反之，焊寬較小而熔深較大，但易使焊縫邊緣產生未熔和咬邊，并使焊縫成形變差。因此要根據實際情況，選擇合適的焊絲傾角。

焊接電流是決定焊縫熔深的主因。其他條件不變時，焊接電流增大，焊絲熔化量、焊縫的熔深及余高均增加，而焊寬變化不大；焊接電流減小時，焊絲熔化量、焊縫熔深和余高都減小。正常情況下，焊接電流與熔深大致呈線性關系，如下：

式中：

H∶熔深（mm）；

I：焊接電流；

Km∶系數，

主要取決于焊絲直徑，另外跟焊劑、電源極性、坡口有關，Km可以根據不同情況選擇。

由H和Km值，據以上公式可以大概計算出電流I值。

由于埋弧自動焊的焊絲伸出長度比焊條電弧焊要短，通電狀態下焊絲導電長度變短，單位內的電流密度提高，因此熔深和焊絲熔敷速率提高，所以埋弧焊時焊接電流較大，從一定意義上解釋了埋弧焊可以焊接較大壁厚的原因。但也不宜采用較大焊接電流，否則易造成燒穿、咬邊等缺陷并增大焊接飛濺。

（2）電壓

電弧電壓和電弧長度對應成比例，一定的焊接電壓要保持一定弧長才能保證焊接電流穩定燃燒。電弧電壓根據電源的外特性和電流來確定，焊接電源是下降特性的可以按U=20+ 0.04I來估算；電源是平特性的可按U=14+0.05I確定。電弧電壓對熔深影響很小，主要影響熔寬，隨電弧電壓增大，熔寬增大，而熔深及余高略有減小。為保證電弧穩定燃燒及合適的焊縫成形系數，電弧電壓應與焊接電流保持適當的關系。焊接電流增大時，應適當提高電弧電壓。

（3）焊速

當其他焊接參數不變而焊接速度增加時，焊接熱輸入量相應減小，從而使焊縫的熔深也減小，會造成焊接缺陷產生。為使焊接質量穩定必須保證一定的焊接熱輸入量，即為了提高生產率而提高焊速的同時，應相應提高焊接電流和電弧電壓。

結語

綜上所述，焊接工藝技術對于石油天然氣的輸送質量和海底管道厚壁的發展具有重要的作用。因此，在進行焊接工藝技術時，應做好焊接前期的準備工作，選取適合的焊接材料，加強對預焊技術的研究，施工人員也應提高自身的綜合技能，吸收和學習國內外的先進工藝技術，在不斷的實踐中不斷積累經驗，從而保證焊接工藝技術的質量。

[1]夏金明，王宏勇，張馳.直縫埋弧焊鋼管預焊技術[J].焊管，2006（02）.

[2]白 鷹，鄧長益，周秀峰，曾德勝，張 馳.直縫鋼管預焊設備與工藝[J].焊接，2003（11）.