管道全位置焊接打底焊工艺研究

摘 要：本文从单焊道全位置区段、送丝行为、焊接弧长(电压)、电流行为分析、工艺试验和接头检验等几方面介绍管道全位置打底焊工艺特点，其研究成果对全位置焊接机的制造和调试具有普遍指导意义。

关键词：区段分析 送丝行为 焊接弧长 工艺试验

在厚壁管全位置焊接过程中，打底焊技术是保证焊接质量的关键。我们通过分析全位置管焊机工艺特点，制定切实可行的焊接工艺参数。即根据所焊管材材质、直径、壁厚，选择焊丝材质、直径，确定所焊管道组数，再将每一道分8个区。这8个区焊接工艺参数可以一样，也可以不一样，这取决于实际焊接过程需要，实际上是把一个焊接程序分为若干段，每段的指令规范都是按各区需要输入的。

一、工艺参数选择方法讨论

1.区段分析

在图1中，1,2区处于下坡焊位置，熔化的铁水位于钨极前方向下流淌，此时峰值电流应比平焊时稍大，以利于电弧吹开铁水去熔化其下的钝边部分母材，电压适中；3,4区属于仰焊位置，由于重力作用，送丝速度应比平、立焊时慢些，以利熔滴过渡；5,6区段处于上坡焊位置，熔化的铁水向下流淌位于钨极后方，钝边直接暴露在电弧之下，为防止烧穿，5,6区的电流应比其他各区都要小。且送丝速度应该加大，以填补电弧熔化钝边后向下流淌的母材金属，此时电压也应比3,4区有所提高。7,8区基本处于水平位置，电压、电流均可比5，6区稍大，送丝正常即可。

图1 单焊道全位置分区

2.送丝行为分析

在全位置焊中，为了进一步加强对熔池的控制，采用送丝与脉冲电流和钨极摆动同步控制技术，即脉冲电流峰值与钨极摆动左右端点停留时间、送丝速度峰值同步，脉冲电流基值与钨极摆动中间运行时间、送丝速度基值同步。保证焊丝熔化充分，避免送丝干扰电弧电压，影响弧长调节精度。送丝速度对焊缝成形影响很大，当送丝速度过大时，会使送丝速度大于熔化速度，未熔化的焊丝会穿过焊接弧柱区，成段烧断，破坏焊缝成形，影响焊接质量。同时也干扰焊接电弧电压，造成弧长调节紊乱，影响焊接过程正常进行。当送丝速度过慢时，造成填充金属量不足，易形成咬边。当送丝速度不稳定时，易使焊缝高低不平宽度不均，波形粗劣。在全位置焊中送丝速度的及时变化很重要，在下坡焊和仰焊时送丝速度应较平焊略慢，在上坡焊时送丝速度应较平焊略快，填充熔池下淌金属。焊接时要求焊炬、焊丝和工件之间保持正确的相对位置(图2)，防止焊丝与高温的钨极接触烧损钨极，影响钨极发射电子能力和电弧稳定性，若送丝角度太大，焊丝端部可能会有一部分插入熔池中，使焊丝熔化速度较原有给定送丝速度变慢，焊丝端部会插入熔池底部，影响焊丝正常送进，破坏焊缝成形和焊质量。若送丝角度太小，钨极摆动焊丝会和熔池前端焊道刮擦，使焊丝发生颤动，造成熔滴飞溅，影响焊接过程正常工作和焊接质量。

图2 焊炬焊丝进入熔池的位置

3.焊接弧长(电压)、电流行为分析

脉冲焊接电流在焊接上的一个重要应用就是实现单面焊双面成形，由焊接电压流峰值保证背面熔透，焊接电流基值防止烧穿。本文中的全位置自动TIG管焊机采用钨极摆动脉冲TIG焊工艺，焊枪实际运动轨迹如图3所示。

图3 钨极摆动脉冲TIG焊钨极的运动轨迹

从图3可以看出，在钨极摆动到端点(5至4和3至2区间)，焊接电流为峰值Ip；而在钨极摆动过程中(4至3和2至1区间)，焊接电流为基值Ib。由电弧静特性曲线可以看出(如图4所示)，峰值电流Ip与基值电流Ib分别对应了两个弧压Up和Ub。从图5还可以观察到，弧压随电流的变化不是瞬间的，而且存在一个小的振荡现象。脉冲交变的前沿振荡时间约为几个毫秒。

图4 脉冲焊时的电弧电压 图5 脉冲焊时电弧电压波形

不难分析，仅取电压作为控制参量，如果只设定一个电压值，对应基值、峰值电流会有两个电弧长度，操作机使用自动添丝，两个电弧长度是我们不希望的。于是设计可以设定两个压值，分别对应基值、峰值电流，只要两个电压值设定合理，两个电流会有一个电弧长度。同时也可通过设定不同电压值的方法，设置基值、峰值电流对应两个电弧长度，且基值、电弧长度可控，以实现变弧长控制。

在窄间隙U形坡口全位置焊中，由于导轨安装精度和坡口加工精度的限制，导轨与环缝不可能处处平行，焊接过程中钨极的摆动中心常偏离焊缝中心，使钨极摆动中有一端点离焊道侧壁过近，按照弧压最小原理，将在钨极尖端和侧壁之间建立电弧， 弧压下降，此时若以峰值时弧压参量控制弧长，焊枪将上提，但由于上提中钨极尖端与焊道侧壁间的距离几乎不变，使焊枪持续上提直至钨极回摆。上述现象的后果是：1)无法实现钨极摆动过程中, 两端电弧短，中间电弧长的工艺性能；2)弧长的大范围变化使焊丝不能送入熔池，熔池难以保持．3)焊枪的上下剧烈运动，使熔滴易飞溅到钨极，钨极失去尖端放电的特性，弧长控制紊乱。这一问题一般可以通过横向摆动装置调整焊枪横向位置解决。

通过分析可以发现，如果钨极摆动在两端停留时间短，如图3所示，钨极在两端沿焊道的移动距离L2很小，弧长几乎不会变化，则峰值电流不会调整弧长，即可防止电弧爬壁现象。本焊机弧长控制模式有如下两个选择：1)仅在基值电流控制弧长；2)依据两个电流值来控制弧长。

第1种方式应用于坡口内，可避免电弧爬壁现象。由图3可以看出，电流基值区间钨极尖端在焊道表面的位移一般大于峰值区间的位移，仅依据基值电流来控制弧长相对合理且实用。但这种控制方式毕竟忽略了峰值电流区间的弧长控制，所以峰值电流区间钨极沿焊道的位移不可过大，即钨极摆动在两端的停留时间不能过长，且焊速不宜过大。经实焊发现，正常焊速(＜200mm/min)下，如果钨极摆动选择两端停留时间与中间摆动时间相同，当钨极摆动频率大于0.5Hz，此方法能保证焊接过程中弧长稳定。

第2种方式应用于坡口盖面焊。控制两个电压参量的差别，可实现变弧长调节。实焊发现，在坡口盖面焊中，峰值电流区间时电弧短，基值电流区间电弧长，长弧与短弧差控制在1mm以内，焊接效果较好。应用这种弧长控制方式要注意：

1)弧压随电流的变化不是瞬间的，弧长控制时要避开弧压在脉冲交变时的前沿振荡。

2)由于弧长调节响应速度有限，为了实现有节奏的变弧长调节，钨极摆到两端时，焊枪要有足够的时间下调至短弧，钨极在摆动中，焊枪要有足够的时间上拉至长弧。

实焊证明，如果钨极在两端点的停留时间与中间的摆动时间相同，当摆动频率大于2Hz难以实现有节奏的变弧长调节。本控制单元能根据主机的设定值选择弧长控制模式，结合对焊接电源的控制，不难用单片机程控制实现本单元的控制功能。

综合考虑，虽然各区可按需要设定焊接工艺参数，但为了保持焊缝成形的连续性，使其波纹均匀美观，相邻各区之间的参数不宜过大，即区与区之间过渡应缓慢，实际施焊中，6，7区之间过渡时经常出现烧穿现象，所以电流增长不能很大,并采用增加电压的方法来过渡。

二、工艺试验和接头检验

表1所示为两组经实焊证明较合适的焊接规范，分别用于打底焊和盖面焊过程。焊接实验采用12Cr1MoV钢管，管壁厚35mm，管径325mm，U型坡口开口处宽16mm，根部宽13mm。打底焊后，依次设定对口中间层及盖面层焊接工艺参数，完成接头焊接任务。经超声波探伤和接头机械性能检验、金相检验，焊缝质量检验均符合使用要求。

表1 焊接规范一览表

焊接工艺参数 打底焊 盖面焊

焊接峰值电流 220A 240A

焊接基值电流 130A 210A

焊接峰值电流电压 9.4V 10.10V

焊接基值电流电压 9.2V 9.5V

钨极左摆角 10° 20°

钨极右摆角 10° 2

中间摆动时间 0.3s 0.6s

两端停留时间 0.3s 0.4s

焊接速度 120mm/min 90mm/min

送丝速度峰值 760mm/min 1400mm/min

送丝速度基值 640mm/min 600mm/min

三、结语

1.采用适当的打底焊焊接工艺参数，可一次完成管道全位置焊接单面双面成形。

2.QWZH315焊接操作机通过了整机调试和实际焊接的检验，焊道成形美观，经超声波探伤及焊接接头机械性能检验和金相检验，均符合使用要求。

参考文献：

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