螺旋埋弧焊管超高速預焊工藝研究

李 偉

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

螺旋埋弧焊管超高速預焊工藝研究

李 偉

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

在兩步法（預精焊法）制造螺旋埋弧焊管生產過程中，預焊質量對精焊及焊管成品質量的影響較大。為了提高預焊焊接質量，設計了超高速CO2氣體保護的預焊工藝，調整分析了螺旋埋弧焊管超高速預焊時的電弧形態、熔滴過渡形式，闡明了飛濺物產生和駝峰焊道的形成過程。通過系列試驗研究了不同焊接工藝參數對飛濺物產生和焊縫成形的影響規律。研究結果表明，大電流、低電壓、保護氣體的氧化性、合適的坡口形狀和焊接位置都能促進粗絲高速CO2氣體保護焊獲得穩定的焊接過程。同時，通過焊接試驗得到了超高焊速下無有害飛濺物和焊縫成形良好的工藝參數，對指導實際生產具有重要意義。

螺旋埋弧焊管；預焊；焊縫形狀；飛濺物；駝峰焊道；超高速焊接

Abstract:During production process of SSAW pipe by adopting two-steps(pre-finish welding)method,the pre-welding quality has great influence on finish welding and welded pipe products quality.In order to increase pre-welding quality,the ultra-high speed CO2gas protection pre-welding process was designed.It adjusted and analyzed the electric arc shape and metal transfer mode in SSAW pipe ultra-high speed pre-welding,expounded the spatter generation and hump bead forming process.The influence law of different welding parameters on the occurrence of spatter and weld forming was studied by series experiments.The research results indicated that big current,low voltage,protective gas oxidation,appropriate groove shape and welding position all can improve coarse wire high-speed CO2gas shielded welding to get stable welding process.At the same time,good technological parameters of no harmful spatter and good weld formation,which is obtained by welding experiments,has great significance to guide actual production.

Key words:spiral submerged arc welded(SSAW)pipe;pre-welding;weld shape;spatter;hump welding head;ultra-high speed welding

兩步法（預精焊法）制造螺旋埋弧焊管的工序就是熱軋卷板經過三輥成型后先用高速氣體保護焊進行定位焊（預焊），然后在精焊臺架上對管坯進行內外雙面埋弧焊[1]。預焊是螺旋鋼管兩步法生產的重要環節，其焊速的快慢直接影響整個生產機組生產效率。本研究的預焊采用超高速焊接工藝，使用CO2氣體保護焊，焊接速度在6～9 m/min。預焊焊接質量的好壞是預精焊工藝質量控制的關鍵。預焊焊接質量不好、缺陷多，就會增加焊縫修補的工作量，有些沒有發現的缺陷對后續的精焊也會造成不良影響，鋼管在射線探傷和超聲探傷時的一次合格率會大幅降低，甚至造成整根鋼管降級或者報廢。因此，研究超高速預焊工藝對實際生產具有重要意義。

1 超高速CO2氣體保護焊電弧形態和熔滴過渡形式分析

預焊超高速CO2氣體保護焊的電弧為潛弧狀態[2-3]，即焊絲端頭潛入鋼板表面以下，電弧熔化母材金屬，并且形成一個穩定的凹坑，電弧以較短的弧長在凹坑中穩定燃燒，其內部的氣體成分為CO2及其分解產物與金屬蒸汽的混合物，使熔滴過渡呈噴射狀，如圖1所示。 預焊超高速CO2氣體保護焊接時各項焊接參數的變化情況如圖2所示。

圖1 CO2氣體保護焊潛弧狀態

圖2 預焊時各項焊接參數變化情況

從圖1可以看出，電弧熱量能夠更充分地傳遞給周圍的母材，熱效率大大提高。采用直徑較粗的焊絲在相同的電流下有著更小的電流密度，這使得電弧力對液態金屬的壓強減小，液態金屬的流動更加穩定。此時，焊接電壓較低，弧長較短，電弧集中作用在一個小的范圍內，不斷將熔化的金屬排開，維持母材上出現的凹坑，該凹坑還能撲捉到大部分金屬飛濺，使得焊接飛濺減小，達到穩定的焊接效果。

從圖2可以看出，潛弧狀態下焊接過程非常穩定，電壓在一個十分狹小的范圍內波動，波形有若干個短時間突變是因為電弧下潛所形成的凹坑形狀有微小的變化，再加上大電流下噴射過渡熔滴具有不穩定性，導致產生瞬間的短路過渡。這種短路過渡在整個熔滴過渡中是十分微小的，不會對焊接過程產生明顯影響。超高速CO2氣體保護焊接形成的焊縫成形良好，如圖3所示。

圖3 超高速CO2氣體保護焊焊縫形貌

2 焊接飛濺物和駝峰焊道形成分析

對于常規短路過渡的CO2氣體保護焊，飛濺是由于短路小橋電爆炸的結果[4]。而本研究的CO2氣體保護焊的飛濺物產生有所不同，因為形成潛弧噴射過渡要求較大電流條件，使得熔滴進一步細化，過渡的頻率增加。熔滴呈細小顆粒狀自由過渡到熔池當中，沒有短路過程的發生，也就不存在液體小橋爆炸產生的飛濺。這時的飛濺是由于熔滴過渡時CO2氣體與Fe發生反應，方程式為CO2+Fe=FeO+CO。落入熔池中的FeO又被C元素還原，反應方程式為FeO+C=Fe+CO。這兩個過程中產生的CO則在電弧高溫作用下急劇膨脹爆炸形成飛濺[5]。值得注意的是，生成的FeO中的鐵元素被焊絲中的脫氧元素還原，如Al、Si、Mn等；大電流焊接使得熔滴細化，造成CO膨脹現象減弱，爆炸能量減小。所以，此時產生的飛濺多為顆粒較小、容易去除的普通飛濺，對螺旋埋弧焊管的生產影響不大。

但是，由于工藝參數的選擇不合適，或者焊點位置產生變化等原因，也會使得潛弧噴射過渡CO2氣體保護焊的飛濺顯著增大，產生粘附力很強的大顆粒有害飛濺物，如圖4所示。由于潛弧噴射過渡，CO2氣體保護焊的焊接電流比較大，單位時間熔化的金屬多，有害飛濺物的危害比短路過渡的CO2氣體保護焊更為嚴重。

圖4 焊縫飛濺物

粗絲高速CO2氣體保護焊接過程中，由于焊接電流較大（通常在600 A以上），電弧壓力、斑點壓力和熔滴沖擊使電弧下方的熔池表面產生凹陷的空腔。同時，熔化的焊絲金屬和母材金屬匯合在一起，在電弧力、等離子流力和熔滴過渡沖擊力的作用下向熔池尾部流動，熔池尾部由于液體的不斷堆積向上隆起，并在表面張力的作用下形成駝峰焊道缺陷[6-7]，如圖5所示。

圖5 駝峰焊道

3 焊接工藝對飛濺物及焊縫成形的影響

3.1 焊接電流

為了考察焊接電流的影響，選用L485M鋼，厚度14.4 mm的熱軋卷板，進行了Φ813 mm×14.4 mm規格的螺旋埋弧焊鋼管生產。14.4 mm壁厚的鋼管對電流的適應性比較強，在大電流或者小電流的條件下均可進行預焊。預焊焊絲牌號為BHG-2M，直徑為3.2 mm。焊接工藝參數見表1。

表1 L485M鋼Φ813 mm×14.4 mm焊管預焊工藝參數

焊接電流對焊縫成形的影響見表2。由表2可見，焊接電流過大，送絲速度過快，熔敷量明顯增大，焊縫余高增加，這時焊絲直接接觸到鋼板造成短路現象，在較大的電流影響下發生爆炸而形成斷弧，這就是頂絲現象。此時，凹坑內部的熔池金屬在爆炸的作用下被拋出，形成大顆粒飛濺物，電弧也隨之熄滅，嚴重影響焊接穩定性（見表2中試驗1-1）。從焊接參數曲線（如圖6所示）可以看到，從頂絲短路造成電流急劇增大，電弧電壓快速下降，送絲扭矩突然上升，由斷弧到再起弧的過程中各個焊接參數的變化。

在較小的焊接電流下，工件表面受到的電弧熱越少，電弧下掘力也越小，使工件表面不能形成較深的凹坑，電弧沒有深入到母材內部，形成一種半潛弧焊的不穩定狀態。在這種狀態下，熔滴的過渡呈現多樣化的特點，既有短路過渡也有自由過渡，過渡的頻率降低，熔滴明顯長大，飛濺增大。如果電流進一步降低將無法形成潛弧狀態，過渡方式主要以短路過渡和大滴排斥過渡為主，焊縫金屬被拋擲到焊縫兩側的情況增多，形成嚴重有害飛濺，焊縫填充金屬嚴重不足，見表2中的試驗1-4和1-5。

表2 焊接電流對焊縫成形的影響

圖6 產生頂絲斷弧現象時的焊接參數

3.2 焊接電弧電壓的影響

為了考察焊接電弧電壓的影響，選用L485M材質、厚度15.9 mm的熱軋卷板，進行了Φ813 mm×15.9 mm規格的螺旋埋弧焊鋼管生產。預焊焊絲牌號為BHG-2M，直徑為3.2 mm。焊接工藝參數見表3。

表3 L485M鋼Φ813 mm×15.9 mm焊管預焊工藝參數

焊接電弧電壓對焊縫成形的影響見表4。由表4可見，粗絲CO2氣體保護焊潛弧過渡的電弧電壓變化范圍相對于其他焊接方式比較小，一般是在22～24 V之間。低電壓使電弧長度變短，電弧集中加熱工件，熱量損失較小，能容易在工件表面形成凹坑，有利于電弧下潛，使整個焊接過程更加穩定，較低的電壓使得熔滴過渡行程很短，加上大電流對熔滴的細化作用，熔滴均勻而穩定的向熔池過渡，飛濺減少。但是電壓過低，會造成弧長過短，熔滴在一個很小的弧長范圍內密集過渡，如果此時弧長發生波動，焊接電源來不及調節，會發生頂絲現象，見表4中的試驗2-1。

表4 焊接電弧電壓對焊縫成形的影響

當電弧電壓增大時，弧長變長，電弧對工件的加熱面積變大，形成凹坑深度較淺，電弧已經不能完全潛入凹坑中，潛弧過渡的特點變得不明顯。另外，弧長增加造成熔滴過渡行程變長，過渡方向很不穩定，飛濺明顯增加。隨著電壓繼續升高，電弧已經從潛弧狀態變為明弧狀態，對熔池加熱面積變大，向熔池尾部流動的液態金屬的溫度降低，液態金屬隆起后來不及回流就已經凝固，從而形成駝峰焊道，見表4中的試驗2-4和2-5。

3.3 保護氣體的影響

保護氣體可以分為兩類：惰性氣體和活性氣體。目前，國內大多數螺旋埋弧焊管預焊采用混合氣體保護，主要是氬氣和CO2氣體混合，其中氬氣所占比例在80%左右[8-9]。在低速焊接時采用富氬作為保護氣體，熔滴細小，飛濺大大降低，焊縫成形美觀，但是，在高速焊接時又會出現其他一些問題。而本研究的預焊主要采用CO2氣體作為保護氣體，保護氣體組分對飛濺物和焊縫成形影響采用如下試驗進行評價。

選用L555M材質、厚度18.4 mm的熱軋卷板，進行了Φ1 219 mm×18.4 mm規格的螺旋埋弧焊鋼管生產。預焊焊絲牌號為BHG-2M，直徑為3.2 mm。保護氣體成分中，CO2減少的部分采用氬氣作為混合氣體。焊接工藝參數見表5。

表5 L555M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm焊管預焊工藝參數

保護氣體成分對焊縫成形的影響見表6。從表6中的試驗3-1和3-2可以看出，在CO2占絕對多數的保護氣氛下進行焊接，焊縫成形都很良好，只是對飛濺物的控制力度有所不同。在80%CO2其余Ar的條件下焊接，幾乎沒有大顆粒飛濺，達到了和富氬MAG焊一樣的效果。

表6 保護氣體成分對焊縫成形的影響

隨著CO2的比例的減少，飛濺物大幅度減少，但是焊縫成形情況卻發生惡化，嚴重時出現了連續駝峰焊道，見表6中的試驗3-4和3-5。CO2是氧化性氣體，其比例越高，保護氣體的氧化性就越強，一定的氧化性能降低熔池金屬的表面張力[10]，熔池尾部隆起的液態金屬能夠回流到熔池中，或者向四周鋪展開來，從而抑制了駝峰焊道的產生，起到改善焊縫成形的作用。

3.4 焊接坡口的影響和選擇

為了考察焊接坡口的影響，選用L485M材質、厚度15.9 mm的熱軋卷板，進行了Φ1 016 mm×15.9 mm規格的螺旋埋弧焊鋼管生產。15.9 mm壁厚的鋼管對坡口的適應性比較強，不同深度的坡口均能焊接。預焊焊絲牌號為BHG-2M，直徑為3.2 mm。焊接工藝參數見表7。

表7 L485M鋼Φ1 016 mm×15.9 mm焊管預焊工藝參數

焊接坡口形狀對焊縫成形的影響見表8。由表8可見，焊接坡口對飛濺物和焊縫形狀的影響主要體現在：坡口截面積較小，單位長度的坡口能容納的填充金屬就越少，在相同的焊接參數下，填充金屬已經將坡口填滿，焊縫高出工件表面，飛濺物從熔池濺射出時沒有了“屏障”，很容易落在焊縫兩邊的工件上，見表8中的試驗4-2。此外，預焊坡口是由銑邊機加工而成，鋼帶的微小波動都會導致坡口尺寸的變化，從而影響預焊縫高度的變化。由于精焊內焊臂長達15 m，預焊縫余高波動大會導致精焊內焊臂的顫動，嚴重影響內焊穩定，甚至發生斷弧。坡口截面積較大，單位長度的坡口能容納的填充金屬就越多，在相同的焊接參數下，填充金屬不能將坡口填滿，焊縫高度在工件表面以下，沒有被填滿的坡口面有利于對焊縫和飛濺物的拘束，有些大顆粒飛濺物濺射高度低，會落在坡口內部或者距離坡口比較近的地方，如果在精焊焊縫的覆蓋范圍內就不用采取修磨措施，達到了提高生產效率的目的，見表4中的試驗4-1。反之，如果焊縫將坡口填滿，甚至焊縫高度超過了坡口深度，此時坡口對焊縫和飛濺物的拘束作用減弱，飛濺物濺射到遠離焊縫的地方。

表8 坡口形狀對焊縫成形的影響

內外埋弧精焊都采用激光自動跟蹤設備，且都采用外置激光器的方法，所以外坡口是必要的。而如上所述，內坡口對于預焊的影響也是存在的，故坡口形式都選用雙Y形，如圖7所示。

圖7 螺旋縫埋弧焊管精焊時坡口形式

經過多次實踐積累，總結出符合預焊工藝的坡口選擇方案，見表9。

表9 預焊坡口的選擇

3.5 正交試驗

根據前述試驗結果可知，對飛濺物和焊縫成形影響較大的因素有焊接電流、電弧電壓、保護氣體和坡口形狀。所以為比較各因素對飛濺物和焊縫成形影響規律的差異，本研究采取正交試驗法設計試驗方案。由于坡口形狀的影響原理較為明確且不受其他參數干擾，所以選取焊接電流、電弧電壓和保護氣體作為試驗因素，分別記作A、B和C。選取水平數為3，設計3因素3水平正交試驗。表10為正交試驗因素水平表。

表10 正交試驗因素水平表

在具體試驗中，選用L555M鋼厚度18.4 mm的熱軋卷板，進行了Φ1 219 mm×18.4 mm規格的螺旋埋弧焊鋼管生產。預焊焊絲牌號為BHG-2M，直徑為Φ3.2 mm。保護氣體成分中，CO2減少的部分采用氬氣作為混合氣體。焊接工藝參數見表11。正交試驗設計及評價見表12。

由表12可以看出，CO2成分對飛濺物的產生有主要影響，隨著CO2成分的減少，Ar的成分增多，飛濺物的數量呈現下降趨勢。只要其下降到20%的水平時，飛濺物就沒有了，但是隨之而來的問題是焊縫成形變差，出現嚴重的駝峰，見試驗5-3、5-5和5-7。電弧電壓和焊接電流對飛濺物的產生也有影響。當電弧電壓比較高時，電弧長度也比較長，同時電弧潛入鋼板深度比較淺，造成有些飛濺物不能被電弧下潛形成的空腔擋住，從而濺射出來，見試驗5-8；當焊接電流較小時，電弧下掘力不夠，不能完全潛入鋼板，熔滴長大，過渡頻率降低，飛濺增大，見試驗5-6。試驗5-9是在高電弧電壓和小焊接電流聯合作用下的焊縫形貌，即便此時CO2成分已經降低到60%，但是還是出現了較多的飛濺物。

表11 L555M鋼Φ1 219 mm×18.4 mm焊管正交試驗預焊工藝參數

對于焊縫形狀，電弧電壓和CO2成分都對其有較大的影響。當電弧電壓保持在較低水平并且CO2成分保持在較高水平時，有利于焊縫成形，見試驗5-1和5-6。而電弧電壓在較高水平或者CO2成分在較低水平時，都不利于焊縫成形，見試驗5-3、5-5、5-7、5-8和5-9。焊接電流對焊縫形狀的影響主要體現在熔敷金屬的填充量上，焊接電流過大、填充量多、焊縫余高較高，見試驗5-1、5-4和5-7；焊接電流過小、填充量不足，見試驗5-3、5-6和5-9，其中試驗5-3和5-9在電弧電壓和保護氣體的影響下出現了小體積的駝峰焊道。

表12 正交試驗設計及評價

3.6 其他參數影響

其他焊接參數對焊縫成形的影響沒有上述4個參數明顯，但也有一定的影響。參照本研究對駝峰焊道形成過程的分析，當焊點處在下坡焊位置時，顯然更有利于向后流動的液態金屬回流至熔池，從而阻礙駝峰的形成。因此，當下坡焊的偏心距較小時，液態金屬回流能力減弱，容易產生駝峰焊道。反之，增大偏心距，焊縫成形變好。但是受制于鋼管三輥成型工藝，預焊可以選擇的焊點位置較小，偏心距不能過大。同樣是由于鋼管成型的限制，焊槍無法在上坡位置進行焊接，故本研究不對這種情況進行討論。

4 結束語

利用試驗的方法研究了相關焊接參數，認為在較大的焊接電流條件下，電弧在工件表面形成較大的凹坑，進而潛入凹坑內部，使熔滴更加細化，熔滴過渡的頻率顯著提高，能促進形成穩定的潛弧過渡，有助于得到成形良好的焊縫并減小飛濺。在較低電弧電壓條件下，電弧弧長較短，工件受熱更加集中，工件表面更容易形成凹坑，能促進形成穩定的潛弧過渡。保護氣體的CO2含量越高，氧化性越強，熔池金屬的表面張力就越小，熔池尾部隆起的液態金屬能夠回流到熔池中，或者在焊縫的兩側鋪展開來，從而抑制了駝峰焊道的產生，起到改善焊縫成形的目的。合適的坡口形狀則有利于對焊縫和飛濺物的拘束，使得有些大顆粒飛濺物落在坡口內部或者距離坡口比較近的地方，達到減少修磨量、提高生產效率的目的。將以上結論用于實際生產，實現了在超高焊接速度下的穩定焊接，同時無有害飛濺物，焊縫成形良好。

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編輯：羅 剛

Spiral Submerged Arc Welded（SSAW）Pipe Ultra-high Speed Pre-welding Process Study

LI Wei
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）

TG444.73

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.003

李 偉（1984—），男，工程碩士，工程師，主要從事螺旋埋弧焊管的焊接技術工作。

2017-04-17