螺旋埋弧焊管生產中磁場對焊接質量的影響

尉增強，杜方靜

（中石化石油機械有限公司沙市鋼管廠武漢分廠，武漢430040）

0 前 言

在螺旋埋弧焊管生產中，焊接電弧周圍除了自身電流產生的磁場外，還會在焊點周圍存在著其他磁場。按磁力線和電弧軸線相對位置分，外磁場對電弧產生橫向、軸向或其他形式的磁場，這種外磁場影響著電弧的穩定性，進而影響螺旋埋弧焊管的焊接質量。這種外磁場的存在和外磁場的強弱主要源于焊接電纜線的分布和走向，尤其是電纜線圍繞著某一機械設備時，該設備相當于一個電磁鐵，將會產生較強的磁場，如果這種外磁場對電弧產生的是橫向電磁力，將嚴重影響電弧的穩定性。

外磁場的存在使焊點周圍的焊劑擋板、成型輥、焊劑回收管、2#輥梁等吸附大量的氧化鐵粉，當氧化鐵粉聚集到一定程度時會自行落入焊劑中或吸附在帶鋼的焊接坡口上進入焊點，這種聚集狀的氧化鐵粉將會引起焊管焊縫氣孔和夾雜等缺陷，嚴重影響焊管質量，威脅油氣輸送安全。

1 磁場對電弧的影響

焊接電弧是發生在電極和工件之間一種強烈而持久的放電現象，電弧是一種具有一定電離度的等離子氣體。該氣體具有以下3個特點：①由于電弧內部存在自由電子和帶正、負電荷的離子，因此電弧具有很強的導電性；②雖然電弧內部有大量的帶電粒子，但是粒子所帶正電荷數總等于負電荷數，因此電弧宏觀上呈現的是中性，微觀上卻是正、負電荷分離，且向一定方向運動形成電流；③由于電弧是由大量的帶電粒子組成的導電體，因此外磁場對電荷產生力的作用。

在螺旋埋弧焊管生產中，軸向磁場和橫向磁場對電弧的作用和影響較大。

1.1 軸向磁場

任何通電導體周圍都會產生磁場，同樣電弧周圍也會產生磁場，這種自身磁場產生電磁收縮力，促進熔滴過渡，并保證一定的熔深，使電弧具有剛直性。所謂電弧剛直性，指電弧作為一個柔性導體抵抗外界干擾，使焊接電流沿焊絲軸向流動的性能，這種性能是由電弧自身磁場決定的，當電流通過電弧流動時，帶電粒子的流動在電磁力F的作用下，都會向焊絲軸線方向集中，如圖1所示。當電弧受到外界干擾使電弧偏離焊絲軸向時，自身磁場作用有抵抗這種干擾的能力，使電弧盡量保持在焊絲軸向，同時電弧的等離子力、高速氣流和周圍氣流的冷卻作用，也有助于電弧的剛直性。

圖1 電磁力示意圖

當外磁場的磁力線平行于焊絲軸線時，如果電弧中帶電粒子運動方向與軸線平行，這個外磁場對電弧不產生作用；如果帶電粒子運動方向不與焊絲軸線平行，就會受到外磁場的作用，使帶電粒子沿弧柱徑向有一個速度分量vx，如圖2所示，它垂直于弧柱軸線，產生的洛倫磁力Fz使其圓周運動，圓周半徑為r，速度為vz，如圖3所示。在軸向磁場的作用下，產生向心力，加速度a為

向心力F=ma，已知洛倫磁力F=BvxQ，則

根據（1）式、 （2）式和（3）式， 有

式中：m-帶電粒子的質量；

vx-帶電粒子運動速度在弧柱徑向的分量；

vz-帶電粒子受到洛倫磁力時的圓周運動速度；

B-磁感應強度；

Q-電荷量。

圖2 不沿軸線運動的帶電粒子速度分解示意圖

圖3 帶電粒子圓周運動

由于帶電粒子不僅有vx和vz運動速度，而且還有vy運動速度，所以帶電粒子的實際運動路線是以r為半徑的螺旋線。因此在外加軸向磁場的作用下，電弧中帶電粒子的運動將變成沿磁力線方向的螺旋運動，磁感應度和電荷量越大，螺旋半徑越小，電弧收縮，可以使焊縫熔深增大，改善焊縫的成形。

1.2 橫向磁場

橫向磁場是外磁場的磁力線垂直于焊絲軸線，如圖4所示。電弧在外磁場的作用下將產生磁偏吹，使電弧偏向焊絲軸向一側，如圖5所示。電弧磁偏吹不僅減弱了電弧軸向的剛直性，而且使焊縫熔池偏離了焊絲的軸線。

圖4 橫向磁場示意圖

圖5 磁偏吹示意圖

電弧焊時不僅電流通過焊絲和電弧產生磁場，而且通過工件的電流也會在空間產生磁場，當焊絲垂直于工件表面時，由于電流通路與電弧相互垂直，則在電弧左側的空間為兩端導體周圍產生的磁力線疊加，而右側空間只有電弧自身產生的磁力線，因此電弧左側的磁力線密度大于右側磁力線密度，使電弧向右傾斜，如圖6所示。

圖6 磁偏吹原理

此種情況在螺旋焊管的外焊焊接中表現得最為明顯，如圖7所示。在焊槍的右側由于電弧自身磁場和電流流經管體產生磁場的疊加，焊槍右側的磁力線密度大于左側的磁力線密度，使焊接電弧產生了向左側磁偏吹，為了保證焊縫的形狀和焊接質量，通常使外焊槍有一個左側的傾角，以解決由于電流流經管體時造成的磁偏吹。

圖7 螺旋埋弧焊管外焊電弧磁偏吹示意圖

在螺旋埋弧焊管生產中，橫向外磁場的存在不僅影響電弧軸向剛直性和穩定性，而且容易引起咬邊、氣孔、夾雜等焊接缺陷。再者，當電弧的剛直性和穩定性受到影響時，熔池同樣也會受到影響，當熔池在結晶過程中分子之間的結合力小于帶鋼嚙合時的內應力時，此時容易出現內應力裂紋而造成質量事故。

如果磁偏吹使電弧向焊管移動方向的前方偏離，則會造成均勻的寬而淺的焊縫；如果電弧向后方偏離則會產生咬邊和過高的焊縫余高；如果電弧向焊縫的一側偏離，則會使焊接熔池偏向焊縫一側，造成焊縫單側連續性咬邊。

生產中常遇到磁偏吹現象，嚴重時導致焊接過程不穩定，操作難以控制，焊縫成形不良。這時，可用以下辦法消除和減小磁偏吹：①縮短電弧；②改變接線位置或采用兩端連接地線的方法；③焊絲傾向電弧偏吹一側；④通過外加磁場來控制電弧形態及運動，滿足焊接工藝要求。

2 螺旋埋弧焊管生產中外磁場的影響

螺旋埋弧焊管生產中外磁場的來源主要是焊接電纜線的分布和走向，當焊接電纜線圍繞著某一機械設備時，相當于一個封閉的通電線圈纏繞一個鐵芯的電磁鐵。

螺旋埋弧焊管生產中內焊焊接電纜線的分布和走向如圖8所示，地線接線處在內焊點下方的成型器底座上，焊接電纜線從成型器底座后方繞成型器底座和行進帶鋼后在成型器底座上方連接到焊點位置，因內焊焊接電流極性采用直流反接，根據焊接電流方向，按照右手定則將會產生垂直于電弧的橫向磁場。

圖8 焊接電纜的分布和走向

這種垂直于電弧的橫向外磁場不僅影響著電弧軸線的剛直性和電弧穩定性，而且使成型器內磁場較大，增加了焊劑擋板、焊劑回收管、成型輥上氧化鐵粉的附著量，如圖9所示。

圖9 氧化鐵粉附著在相關設備上的照片

當這種聚集狀的氧化鐵粉聚集到一定量時，會落入焊劑中隨后進入焊接點，造成氣孔、夾雜等焊接缺陷，缺陷焊縫X射線拍片結果如圖10所示。

圖10 缺陷焊縫X射線拍片結果

另外成型器內磁場過大時也會使帶鋼遞送邊和自由邊坡口吸附大量的氧化鐵粉，并隨帶鋼一起進入焊接點，如圖11所示。同樣會造成氣孔、夾雜等焊接缺陷。

圖11 氧化鐵粉吸附在坡口上的照片

外磁場對電弧的影響最明顯的就是焊縫外觀，當焊接電壓超出正常值大約5 V時，會出現焊縫寬度窄、余高過高、焊接咬邊等缺陷。

3 減少焊接時外磁場的措施

經過對焊接缺陷和內焊打斷試樣分析討論后，為減少外磁場對焊接質量的影響，重新布置了焊接電纜線和走向，以消除由于焊接電纜線的分布和走向而引起的外磁場影響。重新布置后的焊接電纜線和走向如圖12所示。

圖12 重新布置后的焊接電纜線和走向示意圖

改變焊接電纜線的布置和走向后，成型器內磁場過強的現象有了明顯改觀，電弧的磁偏吹減弱，附著在焊劑擋板、焊劑回收管、成型輥、遞送邊和自由邊坡口等處的氧化鐵粉明顯減少。

4 結 語

螺旋埋弧焊管生產中，當焊接質量不穩定時，在焊接參數、焊接設備及電器調整的同時，磁場所引起的因素往往被忽略或遺漏，這時就需要對引起焊接質量缺陷的各種因素綜合考慮，以解決生產中的實際問題。

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