采用熔化極氣體保護(hù)電弧焊的先進(jìn)管道焊接技術(shù)

P.Jernstr?m，J.Uusitalo

(Kemppi Oy，Kempinkatu 1，15801 Lahti，F(xiàn)inland)

0 前言

過去50年間，管道焊接技術(shù)的發(fā)展迫使我們高效率、高質(zhì)量地完成焊接［1］。先進(jìn)焊接電源的出現(xiàn)，使在沒有銅背墊的情況下進(jìn)行外部單面焊接已成為可能。近年許多焊接設(shè)備制造商推出了為此設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。如林肯電氣公司(Lincoln)的表面張力過渡(STT)技術(shù)可用于在任何位置上進(jìn)行單面留隙焊根焊接［2］。如今，伏能士(Fronius)、米勒(Miller)和伊達(dá)高科(EWM)在市場上均擁有各自的相應(yīng)產(chǎn)品。

1 肯倍(Kemppi)WiseRoot+工藝特點(diǎn)

肯倍(Kemppi)的WiseRoot+工藝具有非常高的電壓測量精度，電壓則用于控制電流的輸入。當(dāng)電源檢測到短路時(shí)，電流在受控狀態(tài)下增加，并觸發(fā)從焊絲到填充金屬熔滴的過渡。如果電流測量精度非常高，在填充金屬熔滴落下之前，電流便已下降，短路狀態(tài)也隨之終止。當(dāng)短路終止于一個(gè)弱電流點(diǎn)時(shí)，填充金屬將平緩過渡，不會(huì)產(chǎn)生飛濺。短路終止后，電流將產(chǎn)生一個(gè)脈沖，而該脈沖將使焊接熔池溫度升高，但不會(huì)引起填充金屬的過渡(見圖1)。

圖1 WiseRoot+工藝中電流和電壓在一個(gè)短路周期內(nèi)的變化

WiseRoot+工藝可用于管材和板材的無背墊單面留隙焊根焊接。焊接固定水平管道時(shí)，在12～6點(diǎn)鐘位置采用下向焊工藝。對于垂直管道，也可在橫焊(PC)位置進(jìn)行焊接。焊接板材時(shí)，可以采用平焊(PA)、橫焊(PC)、仰焊(PE)和立向下焊(PG)位置。

WiseRoot+的設(shè)計(jì)充分考慮了易用性要求。首先根據(jù)使用的填充金屬焊絲和保護(hù)氣體選擇合適的焊接程序。然后用戶選擇所需的送絲速度，所選的焊接程序?qū)⒇?fù)責(zé)對其他所有參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，操作者還能使用一項(xiàng)微調(diào)功能調(diào)節(jié)電弧的熱輸入在焊接金屬上產(chǎn)生的效果，該微調(diào)功能還會(huì)影響根部熔深。特別是當(dāng)采用相對較大的根部間隙在3～6點(diǎn)鐘位置對固定管道進(jìn)行焊接時(shí)(見圖2)，可能會(huì)出現(xiàn)根部凹陷現(xiàn)象(見圖3)。這是由熱輸入量過高引起的，并伴隨著焊接熔池從焊根向內(nèi)流動(dòng)。在這種情況下，可以反方向調(diào)節(jié)微調(diào)控制功能，以減小熱輸入量。使焊根面上的焊接質(zhì)量符合要求(見圖3)。一般來說，‘–’調(diào)節(jié)適用于要求根部間隙較大的焊接場合，以確定焊接熔池不會(huì)升溫過高。微調(diào)功能的‘+’調(diào)節(jié)適用于要求根部間隙較小的焊接場合，以確保坡口兩側(cè)在窄坡口中熔化。

圖2 固定管道的焊接位置

圖3 根部凹陷和符合要求的焊接

在焊接固定管道的過程中，可根據(jù)焊接位置的變化調(diào)整焊接參數(shù)設(shè)置。使用肯倍的FastMig X設(shè)備的MatchChannel功能，焊工可以在不中斷焊接過程的情況下，隨時(shí)改變存儲通道。適合各個(gè)位置的最優(yōu)參數(shù)保存在MatchChannel存儲器中。Match-Channel功能使焊工在每個(gè)焊接位置上都能采用最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行焊接，從而提高焊接質(zhì)量和效率。不連續(xù)的焊接過程會(huì)嚴(yán)重影響工作效率，因?yàn)樵诶^續(xù)進(jìn)行焊接之前，必須將焊接端頭磨圓。大部分焊接缺陷出現(xiàn)在重新開始焊接的位置，因此就這點(diǎn)而言，MatchChannel功能對改善焊接質(zhì)量很有幫助。如果將較高的熱參數(shù)值保存在另一個(gè)存儲通道中(通過微調(diào)功能的‘+’設(shè)置)，則該功能還能改善焊接起始和結(jié)束位置的焊接質(zhì)量，降低焊接缺陷出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。如果焊接的起始或結(jié)束位置在某個(gè)已完成的焊縫或定位焊縫之上，則必須將之前焊縫的邊緣磨圓，以避免出現(xiàn)焊接缺陷。

WiseRoot+工藝設(shè)計(jì)用于對接接頭的根焊。焊工可選擇坡口的形狀和類型，以適應(yīng)待焊接工件的厚度。當(dāng)工件厚度小于等于5 mm時(shí)，使用平頭對接焊和0～3 mm的根部間隙(視工件厚度而定)。對于大于該厚度的母材，使用其他類型的對接焊。當(dāng)工件厚度介于10～12 mm時(shí)，使用帶間隙和坡口鈍邊的單面V形坡口(見圖4)。WiseRoot+工藝具有以下優(yōu)勢:無論間隙有多窄，始終能夠確保充分焊透。該間隙可以小到2 mm，同時(shí)坡口鈍邊增大到2 mm。可以從兩個(gè)方面提高焊接效率:減小焊縫尺寸和進(jìn)行根焊時(shí)使用數(shù)值較高的焊接工藝參數(shù)。

對于厚度較大的工件，采用雙V形焊縫(坡口)或U形焊縫(坡口)(見圖5)更具成本效益，因?yàn)檫@兩類焊縫均有助于減小焊縫尺寸。類似的間隙和坡口鈍邊也可用于單面和雙面V形焊縫(坡口)。U形(坡口)焊縫的間隙通常為0 mm，坡口鈍邊為1～2 mm。對于U形(坡口)焊縫而言，由于焊接速度較快，因此焊接工藝參數(shù)必須設(shè)置得更高，建議使用自動(dòng)焊接。

圖4 厚度10～12 mm的母材的V形焊縫

圖5 尺寸較厚(厚度大于20 mm)的母材的對接焊縫

在某些情況下，間隙可能比圖5中給出的尺寸還要大。但這不會(huì)給WiseRoot+工藝造成任何問題，該工藝也能夠接受大間隙。

當(dāng)間隙大于建議值時(shí)，焊接效率會(huì)受到影響，因?yàn)楹腹げ坏貌皇褂脭?shù)值較低的焊接工藝參數(shù)。目前已經(jīng)成功完成了間隙不超過10 mm的焊接試驗(yàn)。盡管建議不采用此類大間隙，但在一些無法確保精確配合的困難應(yīng)用場合，這些大間隙仍可能出現(xiàn)。

該工藝非常適合鋼材的根焊，還為焊機(jī)提供一系列焊接程序包，用戶在焊接結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和高合金鋼時(shí)，可以根據(jù)所使用的各類填充材料來選擇合適的焊接程序包。此外，還提供適合尺寸為英制單位(1.045英寸，或1.14 mm)，使用Ar和CO2混合氣體的實(shí)心焊絲的焊接程序。該類焊絲常用于天然氣管道(如在俄羅斯建設(shè)的天然氣管道)的根焊。WiseRoot+工藝專為對接接頭的根焊而設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，主要關(guān)注點(diǎn)為所有位置上的管道對接接頭的根焊。

2 焊接試驗(yàn)

采用肯倍公司FastMig X多功能GMAW設(shè)備(見圖7)的標(biāo)準(zhǔn)功能之一——WiseRoot+工藝進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是評估該項(xiàng)新工藝是否適用于外徑為600 mm的水平安裝X60鋼管。該鋼管的壁厚為12 mm，接頭為V形。間隙寬度2～3 mm，坡口鈍邊1.5～2 mm。焊接試驗(yàn)所采用的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

圖7 焊接試驗(yàn)環(huán)境

表1 試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

3 結(jié)果和分析

焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，這項(xiàng)新工藝對改善電弧穩(wěn)定性、焊池控制、熔透成形和焊接速度均具有積極作用。獲得了光滑、均勻的根部焊道以及完全焊透和側(cè)面熔合效果(見圖8)。在確保焊接質(zhì)量符合要求(符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 5817的B級要求)的前提下，WiseRoot+工藝的最大焊接速度比鎢電極惰性氣體保護(hù)焊快3～4倍。

焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，與采用傳統(tǒng)的短路焊接工藝相比，采用WiseRoot+工藝的間隙寬度變化補(bǔ)償更加容易。WiseRoot+工藝能接受的間隙尺寸更大，因此對接頭的準(zhǔn)備和配合精度要求更低，這不僅有助于節(jié)省時(shí)間，還能降低焊接接頭準(zhǔn)備的成本。

4 結(jié)論

介紹了一種新型焊接工藝，通過焊接試驗(yàn)對其進(jìn)行了評估，試驗(yàn)結(jié)果表明:

圖8 采用WiseRoot+工藝焊接的根部焊道宏觀照片

(1)WiseRoot+工藝可用于管材和板材的無背墊單面留隙焊根焊接。焊接固定水平管道時(shí)，在12～6點(diǎn)鐘位置采用下向焊工藝。

(2)該新工藝對改善電弧穩(wěn)定性、飛濺、熔池控制、熔透成形和焊接速度均具有積極作用，獲得了光滑、均勻的根部焊道以及完全焊透和側(cè)面熔合效果。

(3)與采用傳統(tǒng)的短路焊接工藝相比，采用WiseRoot+工藝的間隙寬度變化補(bǔ)償更加容易。WiseRoot+工藝能接受的間隙尺寸更大，因此對接頭的準(zhǔn)備和配合精度要求低，有助于節(jié)省時(shí)間，降低焊接接頭準(zhǔn)備的成本。

［1］Yapp D.高效管道環(huán)焊:管道機(jī)械化電弧焊技術(shù)的發(fā)展［J］.國際管路，2011(3):44.

［2］DeRuntz B D.應(yīng)用于制造業(yè)的表面張力過渡焊接工藝［R］.美國工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)議，2001:20-26.