脉冲埋弧横焊工艺在石油储罐焊接中的应用

摘要：自改革开放以来，我国大型储罐施工进入了新一轮的快速发展时期，由于储罐焊接具有焊接质量要求高、任务重等特点，所以不断开发新的焊接工艺，逐渐成为焊接单位竞争以及施工的重点内容。本文结合我国脉冲埋弧焊接工艺在石油储罐焊接中的应用，对脉冲焊接咬边机理、焊接试验以及埋弧横焊工艺应用进行了简要的探究和阐述。

关键字：脉冲；埋弧横焊；施工工艺；石油储罐；应用

中图分类号：U215.14 文献标识码：A 文章编号：

随着科学技术以及生产设备的推广，在我国地方油库以及国家石油战略储备焊接中，自动埋弧横焊逐渐成为应用最广的焊接工艺。在焊接应用中，最主要的目的是，通过增强熔敷效率以及焊接速度，不断增强生产效益。在脉冲埋弧焊中，为了保障熔焊深度，通常在加大焊接速度的同时，适当提高焊接电流，在这过程中电弧力会随之增加。咬边作为焊接中最常见的缺陷，是整个工程横焊的重点环节，一不小心就会造成应力集中的现象。本文根据横焊位置受力情况，对脉冲埋弧咬边机理消除进行了探讨；相关试验结果表明：脉冲埋弧横焊工艺不仅可以有效消除电流震荡咬边现象，同时利用脉冲峰值还能保障电流熔深，拓展储罐埋弧横焊参数领域。为此，在实际施工中，必须结合施工要求，严把各个细节施工要点。

一、消除横焊咬边的机理以及试验系统构建

（一）脉冲埋弧消除横焊咬边的机理

在石油储罐焊接中，自动埋弧横焊焊缝咬边，主要是由于电弧过长、电流太大、没有正确掌握焊枪角度等原因造成的。在平焊中很少出现这种现象，在横焊、立焊、仰焊中则是最常见的现象。埋弧横焊出现咬边和熔焊金属以及熔池扰动具有直接联系。熔池扰动程度，通常由熔滴到熔池扰动后凝固形成的表层焊接波纹反映。对熔池扰动有影响的因素主要有：电弧长度、焊丝种类、电特性、电流量大小、焊接位置、焊件结构、材料性能以及工艺可达性等。

储罐焊接中，受熔滴冲击力、熔池电弧力的联合作用影响，在载荷脉冲影响下，熔池能产生有规律的振荡，进而让焊接表层出现波浪。在周期性电流的影响下，让熔池电磁力出现周期变化，在提高对熔池的搅拌力度的过程中，让熔池周边液态温度不断升高，而焊接熔池的温度场地相对平衡；从而有效降低表面张力，根据表面张力，让熔池周边金属咬边情况得到有效改善。振荡，通常是在熔池周期性电弧力变化、表层张力以及熔滴冲击力的共同作用下形成的，它能够将熔池中的液态准确的向焊趾处靠近，在增加母材和熔池接触面积的同时，进一步解决由于焊速对咬边造成的影响。

（二）脉冲埋弧横焊试验构建

在石油储罐焊接中，脉冲埋弧横焊施工工艺，通过林肯DC—600弧焊电源，在配制良好的送丝系统中，充分使用脉冲控制器，进而在横焊区域生成直流脉冲横焊工艺。在这种方法中，脉冲控制器根据单片机特征，以直流脉冲横焊要求为基准，形成占空比、频率可调的脉冲信号，再将基值电压以及峰值信号通过耦合器传输到对应的直流焊接端子板上，并且以电压遥控给定的形式，控制好焊机电压。同时，基值电压、输出峰值不仅是相互独立的，更是可以自动调节的。另外，为了增强操作过程直观性以及方便性，在石油储罐中也设置了对应的数码管和键盘（如图一、所示）。

图一、控制器功能原理示意图

二、脉冲埋弧横焊工艺在石油储罐焊接中的应用

石油储罐焊接工艺作为一项复杂的工程，它包含了焊接电压值、脉冲频率、基值电压、占空比等脉冲参数，以及焊接速度、电流、角度、坡口形式等。在将横焊位置脉冲横焊简化成固定表面受脉冲荷载影响的液态金属时，通过对比脉冲埋弧横焊施工工艺以及媒体埋弧的普通横焊，判断出消除咬边机理的方法能否在脉冲埋弧横焊中应用，并且得到准确的检验成果。

（一）普通埋弧焊接工艺试验

在普通埋弧横焊工艺中，如果平均电压为26V，平均电流为380A，焊接速度就为45cm.min-1，热输入为13.17KJ.cm-1；当平均电压为32V，平均电流为500A，焊接速度就为75cm.min-1，热输入为13.20KJ.cm-1；平均电压为26V，平均电流为550A，焊接速度就为60cm.min-1，热输入为14.30KJ.cm-1。通过该实验发现，当焊接电流高于380A时，就必须配置45cm/min或者以上的焊接速度进行焊接。但是由于自身因素影响，成形焊缝并不理想，倾向性的咬边非常明显（如图二、图三所示）。

图二、普通脉冲埋弧横焊焊缝成形示意图

图三、普通埋弧横焊多道焊剖面示意图

从图三可以看出，由于电弧力会随着电流焊接增加而增加，几个试样出现不同程度的咬边现象，进而让熔池极容易出现紊流现象，将储罐周边的焊趾金属基本刷掉或者融化。在这过程中，由于高焊接影响，让金属焊缝在金属熔融回流到焊趾之前就已经凝固，进而出现咬边。

（二）石油储罐脉冲埋弧工艺试验

在石油储罐脉冲埋弧横焊工艺中，如果平均电压为26V，平均电流为440A，焊接速度为50cm.min-1，频率为50Hz，占空比为50%时，热输入就将为13.73KJ.cm-1；当平均电压为28V，平均电流为390A，焊接速度为60cm.min-1，频率为50Hz，占空比为50%时，热输入就将为13.10KJ.cm-1。从以上数据可以发现：当焊接电流为440A、390A，整个储罐的焊接速度在50 cm/min以上时，石油储罐脉冲作用下的埋弧横焊盖面能够获得良好的焊缝成形（如图四、图五所示）

图四、脉冲埋弧横焊焊缝成形示意图

图五、脉冲埋弧横焊焊缝取样示意图

从图五中可以看出：整个焊趾范围在平滑过渡的过程中，由于横焊位置能够直接焊接熔池，所以没有出现咬边现象，作用在横焊位置的熔滴冲击力、电弧作用力以及表面张力都会随着焊接脉冲电流变化，出现周期变化。在周期变化的过程中，不仅提高了熔池搅拌能力，在很大一部分金属液态“刷上”母材的过程中，石油储罐不同的作用力也以周期性变化形式呈现；在提高熔池震荡力度的同时，让金属液态逐渐向焊趾区域排出，进而从根本上解决咬边现象对石油储罐造成的不利影响。

结束语：

通过脉冲埋弧横焊熔池简化的固体表面金属液态脉冲载荷，在咬边机理消除的过程中，熔滴冲击、电弧作用、表面张力都会随着储罐电流变化而周期性变化。在上述作用力共同影响下，熔池出现振荡现象，在增强搅拌力度的同时，改善咬边程度。通过熔池周期性振荡，能将金属液态有效排挤，进而扩大母材与熔池的接触面积，进一步解决焊速提高对咬边造成的影响；通过普通脉冲埋弧横焊工艺与石油储罐横焊试验结果比较，不仅验证了脉冲埋伏横焊工艺对咬边机理的消除作用，同时也拓展了埋弧横焊施工工艺以及参数领域。当脉冲控制器完全应用到自动埋弧横焊施工工艺中，不仅拓宽了脉冲焊接技术领域，同时对石油储罐焊接效果也有重要作用。

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